PASS 的“ZEN”功率放大器

PASS在几年前推出名称为“ZEN”的单端纯甲类功放，该功放向解决空气振动的非线性方面作了探讨。

前 言

    设计放大器有两个基本的原则，第一是简单，第二是线性。


    一些复杂的设计的确能达到极佳的测量指标，许多商业上的设计采用了高达5-7级的增益电路，最小 的也有3级，它们都拥有很高的开环增益，但线性很差，它们要拥有这么高的开环增益的原因是要使用负反馈来降低高增益带来的失真。简单带来的好处是较小的音色劣化和较少的细节损失， 许多发烧友（包括PASS），宁愿牺牲一些其它的性能去简化电路。因为音响毕竟这不是航空科技，我们的目标是让听众享受音乐带来的乐趣。但简单的电路也要保证其线性， 其失真要达到一定的水平。实际上，我们能做到最简单的放大线路就是单级放大的单端甲类了。问题是，从如此简单的电路中我们能达到什么样的性能？


    单端甲类放大器是最早使用的电路形式，出现在电子管放大器里。但70年代以来随着技术的发展，高 效率的电路设计越来越多，因此渐渐消失在功率输出级中。但最近单端甲类放大器渐渐又得到了胆机发烧友的青睐，并且，最近相当多公司已重新生产电子管单端甲类放大器。他们特征是有限的输出功率，高的成本和多级放大。1977年PASS在杂志发表了4级的双极管单端甲类、 20瓦特输出的放大电路，Pass Labs现在开发的Aleph系列单端甲类放大器增益只有3级。


    简单不是单端甲类的使用的唯一的理由，单端甲类具有最自然的音乐性。它的不对称性与空气受压缩/扩展的特性相似，空气是压强能变得非常高的“单端”媒介，但其压强不会小于零。其失真主要是二次谐波，而且是随信号加大而单调上升的，人耳对其不太灵敏。


    有人认为二次谐波能令音乐更悦耳，这是不对的，PASS通过尝试向音乐添加一定的二次谐波，并仔细聆听，没有发现音质上的改善。所以说低的失真还是重要的目标。单端放大与推挽的设计有很大不同，它使用一个放大器件来放大整个音乐波形。而推挽设计采用两个放大器件，分别放大信号的正、负半周，包括一些推挽甲类放大器，通常能提供更高的效率并抵消一部分的2次谐波失真，其失真主要为3次谐波。


    常见的甲类，乙类、甲乙类方式中最线性是甲类，电路耗费的功率起码为输出功率的两倍。而单端甲类的效率更低，典型的效率为20%左右，这也是为什么它不能广泛应用的原因。另外如果用来推动扬声器等不允许直流通过的负载，要使用电阻作为其直流负载，更大大降低其效率，大概只有4%。我们可以使用恒流源作为直流负载，将其效率提高到20%左右。而且带来的好处是恒流源隔离了电源带来的干扰。


    我们必须考虑在单端甲类电路中使用何种类型的放大器件：双极管具有太低的输入阻抗，电子管的输入阻抗很高，但其用于单级电路上增益太小了，因此唯一的选择是场效应功率管（MOSFET）。MOSFET具有很高的输入阻抗和跨导，也能输出较大的电流，很适合用在单级的单端甲类放大器中。


    在一般的设计中MOSFET的特长没有得到充分的发挥，而且个别人批评其声音有点暗。其实这不是MOSFET的原因，其声音不好一方面是人们使用它直接代换双极管（当然是经过调整），这样为双极管专门设计的线路是不能发挥出MOSFET的特性的。 另一方面，这些设计通常使用甲乙类的偏置，从转移特性可看出MOSFET在低偏置时具有严重的非线性，带来严重的失真。解决的办法是让其工作在甲类状态。



    图1展示了完整的单级单端甲类电路（图2为印板图、图3为元件排列图）Q1为增益级，Q2为Q1提供恒定的电流。Q3控制Q2的栅极电压，Q3通过R6、R7获得电流，C5吸收电源纹波。Q2的电流通过R1产生压降，Q3在压降为 0。66伏特时导通并控制Q2栅极电压为4伏特左右，Q2电流变高时，Q3电流也变高，相应Q2的栅极-源极电压变低，Q2的电流变低。这种反馈控制能稳定Q2的电流在2安培左右，R3、R4用 来防止Q2产生寄生振荡。 R8、P1形成直流反馈并保持Q1的栅极电压接近4伏特、漏极电压接近17伏特。

输入信号通过C6、R5进入Q1栅极，输出信号通过C3、C4到扬声器上。Z1保护输入信号在20V内。
注意：扬声器的正接电源的负极，因为放大器是反相的。

元件的选择

电阻
R1 0.33 2W
R2 100 1W
R3, 2 221 1/4W
R5/6/7 4.75k 1/4W
R8 22.1k 1/4W
R9 47.5k 1/4W
电容
C1,2 10,000uF, 35V
C3,4 2,200uF, 35V
C5,6 47uF, 25V
有源器件
Q1 IRFP140 N 沟道 Mosfet, MIN 50V, 10A, 125W
Q2 IRFP9240 P 沟道 Mosfet, MIN 50V, 10A, 125W
Q3 MPSA92 NPN , MIN 50V, 10mA, TO92
其他
Z1 1N5239 9.1V稳压管
P1 10k 电位器
BR1 25A, 50V桥堆
F1 5-6A 快速熔断保险丝
变压器 次级： 24-25V AC @ 5A

器件代换：Q1、Q2要用125W/50V/10A以上规格的N沟道MOSFET。
重要问题是散热器：每声道的散热器热阻为0.3摄氏度/瓦特，过小的散热器会带来非常高的温升，并降低功率器件的寿命。
变压器为每声道25V6A，虽然只需要2A的直流电流，但大的备用是需要的，并能显著提高音质。 建议每声道用分别的变压器，至少也要使用两个次级的变压器，以减少干扰。

制作调试

    元件安装完毕后，接上电源，如果保险丝没有断，可以看到R1大约有2V的压降，中点的电压也大约为17V， 接上8欧姆负载和输入信号，调整P1使中点电压为17V，温度稳定后，再调整一次。

   输出阻抗大约1欧姆（阻尼系数为8），因此选择扬声器时要注意：灵敏度低需要大功率（超过10W）和阻抗低于8欧姆的不能很好地匹配。 本放大器不能接4欧姆的扬声器，当阻抗变低，输出电流会渐渐变小。如果你要配4欧姆扬声器，建议使用两个放大器并联。 因此，本放大器适合匹配8-16欧姆灵敏度为93-100 DB的扬声器，并特别适合配号角扬声器，当然也可以在电子分频中作为中、高音通道放大器。当搭配合适的音箱，其发出的声音会令你概叹如此简单的电路带来的音乐性!

[ 本帖最后由 steven 于 2006-7-10 16:28 编辑 ]