2.关于晶体管功放
晶体管功放正式走向市场是60年代中、晚期的事。而晶体管功放比较成熟地进入市场,应该是70代中、晚期。时至今日,晶体管功放仅有30多年的历史。如果说比较成熟的晶体管功放问世,只有20几年的历史。晶体管功放与电子管功放相比,还是一个十分年轻的孩子。尽管晶体管功放的历史很短,但随着晶体管技术本身的发展,随着大功率MOS晶体管制造技术的不断完善,随着晶体管电路技术的发展和晶体管新结构功放的问世,晶体管功放从70年代末、80年代初开始,就逐渐成了主流功放。时至今日,在录音棚、专业扩声领域里,已经成了晶体管功放的一统天下。而这种优势在民用音响领域里,也已形成了绝对巩固的地位。
晶体管功放不论是在元件方面还是在电路、结构形式方面,始终处于一种高速发展,不断成熟的状态。也正是基于上述的原因,在晶体管功放的发展过程中,人们对它的认识是逐渐深入,同时也不可避免地产生这样和那样的误区。
(1)关于普通晶体管和MOS晶体管
普通晶体管又称双极器件,是电流放大型器件。MOS晶体管又称场效应管,是电压放大型器件。
普通晶体管、尤其是大功率普通晶体管比大功率MOS晶体管问世要早得多,制造工艺也比较成熟。
早期的晶体管功放,基本上都采用双极器件。中期的晶体管功放,其前级电压放大部分有些采用MOS晶体管,而输出级仍采用普通大功率晶体管。近年来的晶体管功放,已有不少采用大功率MOS晶体管输出的机型。
由于MOS晶体管的问世比较晚,技术含量比较高,又具有比较甜的音色和负温度特性。这就使一些对MOS晶体管了解不多的人及个别的商业宣传的影响,使一些初入此道的人误认为晶体管功放应该以所使用的元器件划线;或者误认为是只有MOS晶体管功放才是高质量的功放。其实,评价一台晶体管功放的好坏,绝不是仅仅以所使用的元器件种类就能定性的。
普通大功率晶体管问世之初,它的特征频率f\(_{T}\)很低,不足0.1MHz。fT是一个参考频率,是晶体管放大能力降低到1的时候的一种频率。它的实际、均匀的放大能力远比f\(_{T}\)要低得多。而且那时普通晶体管的漏电流和噪声都很大。
那时的晶体管功放频响不宽,且不具备较好的细节表现能力。重播音色干硬又含混不清。在音质评价中,音色干硬是由于频带窄,高、低频的两端都不足造成的;而声音含混不清是由于低频的控制能力差,阻尼系数偏低,瞬态特性差,对微小细节的表现不良。以上这两者,本来是矛盾的,尤其是声音发干时,很少产生低频阻尼不够的问题。如果功放自身的频带过窄,高频响应很差又欠阻尼,就会同时产生上述的毛病。
随着大功率晶体管制造技术的不断提高,f\(_{T}\)为100MHz以上的晶体管已非常普遍,而fT超过10MHz的晶体管,足以应付音频功率放大器的超宽频带。目前的普通大功率晶体管,其自身的噪音和漏电已很小了,而工作电压也已能做以100V以上。
由于上述元器件的进步,普通晶体管功放已能达到优秀的技术指标和良好的重播音质。再加上晶体管电路方面的发展与进步;优质的普通晶体管功放,已能胜任从录音监听到大型文艺演出的各个领域。
MOS晶体管是在普通晶体管基本成熟的基础之上,发展起来的新型元器件。MOS晶体管从问世之日起,就具有很高的f\(_{T}\),就具有极低的噪声和极低的漏电流。MOS晶体管具有甜润、良好的重播音色和良好的细节表现能力。
使用MOS晶体管制成的音频功率放大器,重播音色相对比较甜美,具有一些电子管功放的感觉。但不论是测试技术指标还是实际听音时的技术感,都比电子管功放强得多。MOS晶体管功放重播时的细节表现能力也很不错,十分细致,尤其是MOS晶体管具有负的温度特性,换句通俗的话说,就是功放的温度越高,它的工作电流就会自动降低,起到了自我保护作用。
从上述的特征来看,似乎MOS管功放已经十分完美了,但这仅限于高档的MOS管功放,对于中低档的MOS管功放来说,还是有其比较致命的缺陷。中、低档MOS晶体管功放的致命缺陷是它的阻尼系数DF值偏低。体现在重播音乐时,对低频的控制能力较差。
为什么中、低档MOS晶体管功放容易产生上述的毛病?这是由于MOS大功率晶体管自身的特性决定的。在普通大功率晶体管中,有一项技术指标是可以忽略不计的,这就是普通双极器件的导通电阻。由于这个电阻的阻值很低,一般都在零点几欧姆至零点零几欧姆之间,对于不低于4Ω阻抗的音箱来说,完全可正常地进行阻尼控制,是一个不必苛求的技术指标。
对于大功率MOS晶体管则不同。由于MOS管的导通电阻要远大于普通大功率晶体管,所以导通电阻Ron就成了一个必要的参考指标。
优质的MOS管功放,其输出级常采用多对管子并联的工作方式,有效地降低了它的输出阻抗,增强了阻尼系数。例如非常有名的“金嗓子”A-100功放,其每个声道就采用了20对大功率MOS管并联的方式。除了重播音质优美、甜润、细节表现力强之外,还具有瞬态1000A的电流输出能力和足够的阻尼系数和低频控制能力。
对于中低档的MOS晶体管功放来说,由于受价格的制约,末极不可能采用很多对的输出管,所以就容易产生阻尼系数不够,低频控制能力差的问题。
当然以上的问题不能一概而论。也有些实实在在的生产厂家,在中低档MOS晶体管功放的生产过程中,有意识地降低了功放外壳、辅助电路等部分地投资,并采用导通电阻很低的大功率MOS管,采用2对以上并联的输出方式,使中、低档的MOS管功放也可以产生不错的重播效果。
所以,可以用如下的话去总结普通晶体管功放与MOS晶体管功放的区别。
在高档的晶体管功放中,MOS管功放的优势比较明显。
在中、低档的晶体管功放中,不同品牌、型号的MOS管与普通晶体管功放各有特点,要慎重选择。
在低档晶体管功放中,普通晶体管功放欠阻尼的毛病相对小一些。
所以,在如何选择晶体管功放的时候,使用哪种元器件不是主要成分,重要的是要有一个认真的加工制作和实实在在地音乐表现力。
(2)关于工作状态
在电子管功放中,工作状态比较单一,尤其是只使用一只输出电子管的小功率的电子管功放,多数为甲类工作状态。使用2只输出电子管的,才使用推挽输出方式和非甲类工作状态(此类的民用电子管功放数量不多)。
但对于晶体管功放来说,工作状态就远不止这些。起码包括甲类、甲乙类、乙类和新甲类、滑动甲类等多种工作状态。
由于晶体管功放的末级工作状态涉及到甲类的就有甲类、新甲类、滑动甲类等数种,所以又把甲类工作状态称之为纯甲类工作状态,这二者是完完全全的一回事。
新甲类、滑动甲类的基本工作原理接近,都是使功放输出级的工作状态,工作点在甲类至甲乙类,甚至是甲类至乙类之间随着输入信号的幅度不同而进行变化、调整。
在以上的电路中,从理论上解决了晶体管功放工作状态、节能省电、输出功率等几方面的矛盾;但随之而来的,又产生了新的矛盾。
只要有调整、控制电路,就存在着调整控制部分的相位特性和跟随特性的问题。对于相位特性,很容易理解。只要是正相输入,在输出时不被调整电路调整为反向输出就行了,稍稍有些延迟和滞后也无大的妨碍。
至于跟随特性,其实是对调整电路反应灵敏度的一种更确切的定义。跟随特性好的电路,能及时地依据输入信号的变化,改变输出级的工作状态。但这只是人们的一个良好愿望。因为再高速的电路,它也是有极限的。跟随特性不好的电路,就容易引入一种随机地、调制地或者是意外地失真。这就好比在足球比赛中的罚点球,如果是优秀的守门员,他会本能地对飞速而来的足球作出相应的反映。假如教练员耽心守门员的素质不高而由教练员喊着让守门员向前、向左或是向右扑球,即使是很优秀的守门员,也会失去应有的反映能力。
在晶体管功放电路中,很多辅助电路在低频段或在直流状态下益处非常,但到了高频和超高频频段,就逐渐显现出很强的弱点。目前在音响技术领域,其上限的频响已远远超出了20kHz的音频范畴。例如DVD音频唱片的技术标准就分为2挡:一挡是96kHz采样,24比特量化方式,频响上限为40kHz;另一挡是192kHz采样,24比特量化,频响上限为100kHz。
在音响技术指标越来越高,越来越严格的现在与将来,有些辅助电路的特性会变得越来越差,会变得有些负作用。
所以,在音响电路中,辅助电路的多少,并不能决定重播效果的优劣。在多数情况下,辅助电路少的环节,优势反而会更大一些。这也就是近年来被广泛推崇的“简洁至上”的关键所在。
在晶体管功放中,低档次的常选用乙类工作状态。这是一种低偏置,小电流的工作状态。乙类功放在静态时很省电。输出的功率越大,电源消耗也越高。
由于电路的调整不当,或者末级所选用的正极性和负极性的大功率晶体管不够对称,性能不统一,容易产生一种“交越失真”的毛病。使小信号重播时,产生“破”与“沙”的感觉(其实由于末级管子对称性差产生的失真,不完全属于乙类工作状态下的失真,在甲类工作状态下也仍然存在)。
以上的问题是由于电路设计、调试不当造成的。与乙类小电流工作状态没有实质性的内在联系。只要电路设计正确,产品调试得当,乙类状态也有很优秀的功放。
在晶体管功放中,中高档功放常采用甲类工作状态(但并不是全部)。因此使人误解只有甲类工作状态,才是晶体管功放的高档存在形式。其实此言差矣。
在晶体管功放的输出电路中,甲类工作状态是一种高偏置、大电流的工作状态,是一种比较费电的形式。但由于在甲类状态下工作的晶体管,音色会比在乙类状态下甜一些,对细节的表现力了会有所提高(以上是在同一品牌、型号的管子中比较而言)。
为什么会有如此的声音表现?这主要是甲类工作状态时,功放的瞬态特性稍好一点而巳。这就好比是一个人在举重物:一种是听见口令后把重物举上去,吃力而缓慢;另一种是先把重物举过头顶,听见口令后,把重笺放下来,省力而快速。晶体管功放工作在甲类工作状态时,更接近后面一种情况。
但对于如何评价晶体管功放,并不唯一取决于它的工作状态与工作方式,这是一个综合而全面的问题。
高档功放多采用甲类工作方式,产生良好的重播声音表现并不仅仅是一个甲类工作状态所决定的。这其中还包括电路的设计,元器件的选择、加工工艺的控制以及综合性的品质管理。对于高档功放的卓越的声音表现,绝不是一个甲类所能包括的,而是上述各个环节缺一不可的综合品质的再现。
对于中、低档的功放来说,仅仅靠一个甲类工作状也解决不了实质性的问题,更不可采取买一台或自制一台很简陋的功放,盲目地把工作点调高、调成甲类。因为在大电流、高偏置、高温工作的状态下,对元器件的要求也相应地提高了。如果作不到重新选择更高一档的元器件,就很容易烧毁功放甚至产生安全隐患。
综上所述,一台功放的好坏,并不仅仅取决于它的工作状态,而取决于它的综合素质。
(3)关于功放的结构
在晶体管功放中,结构形式的变化很多。从最简单的前级、后级装在一个箱体内的合闭幕式功放,演变成一个前级、一个后级分体式功放,甚至是两个单声道 前级、两个前级电源,两个单声道后级、两个后级电源的八件超豪华功往返组合方式种种。功放箱体的形状有长方形、正方形、弧形、圆形等,结构的形式多多。但万变不离其宗,功放的基本作用是将微弱的音频电信号放入成为足以驱动音箱发出声音的强大音频功率信号。
在功放的种种形式中,最简单的是合并式功放,合并式功放把前级和后级装在同一个箱体里。
功放的前级作用有二:一是选择不同的输入信号(如CD机、盒式录音座、收音头等);二是控制音量,控制声音的大小。
前级的辅助作用有二:一是对输入信号进行频率均衡,进行因人而异的音色处理;二是对左、右两个声道的输入信号进行平衡高速使它大小相一致。
功放后级的作用只有一个,就是把微波的音频电信号放大成不失真的音频功率信号。
为了降低功放的制造成本,将功放的有级与后级装在一个箱体内是最经济的作法。中、低档的功放,常采用这种结构形式,称为合并式功放。
合并式功放有很我成功之作。合并式功放也有在箱体内部要用前后级独立供电等比较高级的内部结构形式,所以,合并式功放也有藏龙卧虎的产品。再加上合并式功放在使用的过程中,外部连接线很少了,相对使用起来比较方便,可靠性也较高。
在分体式功放中,以只分为前后级2件式的功放最为实在。一严明前后级采用独立的电源供电,克服了前后级因电源而造成的干扰;二严明可以比较好地解决后级功放的散热问题。
在分体式功放中,具有独立前级电源的结构形式也比较可取。
为什么具有独立的胶级电源比较好?这是因燧级是放大微弱的电信号的部分,非常容易受干扰。在这其中,不但容易受到电的干扰,还容易受到磁的干扰。所以,采用独立的前级电源(图8a),就能充分选择前级电源的位置,为高速磁干扰的程度提供了方便。但如果仅仅是将前级电源摆在前级之上(图8b),那么分体电源的优点就没有了。

至于其它形式的分体式功放,有的是技术示威型的;有的是豪华富人型的;对于普通消费者来说,实际意义不大。
所以在选择功放的结构形式时,以设计优秀、加式精良的合并式功放与二件分体式功放最为实用。
3.关于磁动力功放
所谓磁动力功放,就是以音频升压变压器(见图9)作为放大元件的音频功率放大器。改变音频变压器的升压比,就可以决定功放的电压放大量和输出功率。

当然,磁动力功放,也离不开使用晶体管、电子管作输入阻抗变换电路和输出的电压、电流变换电路。因为离开了上述的变换电路,离开了功率级的电源供电,只有升压变压器也成不了功放;否则只能成为“发电机”、“永动机”了。
磁动力功放具有与电子管功放同样的重播音色与同样的缺点:
由于使用了音频变压器,铁芯磁滞、线圈电感、分布电容使重播音色甜化的作用历历在目。
由于使用了铁芯元件,磁动力功放的重播频带不可能很宽,也不可能做得比较平直。
磁动力功放的前身是带有电子管阴级输出器的LP唱头放大器。这是一种用小功率音频升压变压器作放大的唱头放大器,主要生产、应用于40年代至60年代。
近几年的磁动力功放,只是上述产品的一个大功率的简化型翻版。
4.关于变压器
在音频功率放大器的全部历史中,始终离不开变压器这个基本元件。
它们有用于电源电压变换的、有用于电压放大的、有用于音频输出的。
变压器的铁芯除有铁、矽钢片、坡莫合金、铁淦氧等不同的材料、材质外,还具有多种的结构形式。例如有:E形(图10a)、EI形(图10b)、C形(图10c)、环形(图10d)、R形(图10e)和十字形(图10f)等。

十字形变压器的顶视图是十字形状(图10f)。它的线圈仍像E形变压器一样,绕在E字中央的芯柱上。只不过它的铁芯相当于2个E形,线圈置于十字形的包围之中。这样既提高了效率,又减少了漏磁,还缩小了体积。
十字形铁芯是美国在40年代发明的。当时应用于军事通信器材。由于加工精度要求高,在现实的工作中,对变压器的效率和体积又有过于苛刻的要求,所以这种曾经十分先进的变压器结构形式,在后来并没有进一步发展,甚至后人对此知之甚少。
整个功放的历程中,是漫长的,是千变万化的。你只有全面地、充分地了解它们,理解它们,才有可能站在它们之外去评价它们、选择它们、改进它们、发展它们。(耿纯)