【導讀】場效應管控制工作電流的原理與普通晶體管完全不一樣，要比普通晶體管簡單得多，場效應管只是單純地利用外加的輸入信號以改變半導體的電阻，實際上是改變工作電流流通的通道大小，而晶體管是利用加在發(fā)射結上的信號電壓以改變流經(jīng)發(fā)射結的結電流，還包括少數(shù)載流子渡越基區(qū)后進入集電區(qū)等極為復雜的作用過程。
場效應管不僅兼有普通晶體管和電子管的優(yōu)點，而且還具備兩者所缺少的優(yōu)點。場效應管具有雙向對稱性，即場效應管的源極和漏極是可以互換的（無阻尼），一般的晶體管是不容易做到這一點的，電子管是根本不可能達到這一點。所謂雙向對稱性，對普通晶體管來說，就是發(fā)射極和集電極互換，對電子管來說，就是將陰極和陽極互換。
一、場效應管的特性
場效應管與普通晶體管相比具有輸入阻抗高、噪聲系數(shù)小、熱穩(wěn)定性好、動態(tài)范圍大等優(yōu)點。它是一種壓控器件，有與電子管相似的傳輸特性，因而在高保真音響設備和集成電路中得到了廣泛的應用，其特點有以下一些。
高輸入阻抗容易驅動，輸入阻抗隨頻率的變化比較小。輸入結電容小（反饋電容），輸出端負載的變化對輸入端影響小，驅動負載能力強，電源利用率高。
場效應管的噪聲是非常低的，噪聲系數(shù)可以做到1dB以下，現(xiàn)在大部分的場效應管的噪聲系數(shù)為0.5dB左右，這是一般晶體管和電子管難以達到的。
場效應管具有更好的熱穩(wěn)定性和較大的動態(tài)范圍。
場效應管的輸出為輸入的2次冪函數(shù)，失真度低于晶體管，比膽管略大一些。場效應管的失真多為偶次諧波失真，聽感好，高中低頻能量分配適當，聲音有密度感，低頻潛得較深，音場較穩(wěn)，透明感適中，層次感、解析力和定位感均有較好表現(xiàn)，具有良好的聲場空間描繪能力，對音樂細節(jié)有很好表現(xiàn)。
普通晶體管在工作時，由于輸入端（發(fā)射結）加的是正向偏壓，因此輸入電阻是很低的，場效應管的輸入端（柵極與源極之間）工作時可以施加負偏壓即反向偏壓，也可以加正向偏壓，因此增加了電路設計的變通性和多樣性。通常在加反向偏壓時，它的輸入電阻更高，高達100MΩ以上，場效應管的這一特性彌補了普通晶體管及電子管在某些方面應用的不足。
場效應管的防輻射能力比普通晶體管提高10倍左右。
轉換速率快，高頻特性好。
場效應管的電壓與電流特性曲線與五極電子管輸出特性曲線十分相似。
場效應管的品種較多，大體上可分為結型場效應管和絕緣柵場效應管兩類，且都有N型溝道（電流通道）和P型溝道兩種，每種又有增強型和耗盡型共四類。
絕緣柵場效應管又稱金屬（M）氧化物（O）半導體（S）場效應管，簡稱MOS管。按其內部結構又可分為一般MOS管和VMOS管兩種，每種又有N型溝道和P型溝道兩種、增強型和耗盡型四類。
VMOS場效應管，其全稱為V型槽MOS場效應管，是在一般MOS場效應管的基礎上發(fā)展起來的新型高效功率開關器件。它不僅繼承了MOS場效應管輸入阻抗高（大于100MΩ）、驅動電流小（0.1uA左右），還具有耐壓高（最高1200V）、工作電流大（1.5～100A）、輸出功率高（1～250W）、跨導線性好、開關速度快等優(yōu)良特性。目前已在高速開關、電壓放大（電壓放大倍數(shù)可達數(shù)千倍）、射頻功放、開關電源和逆變器等電路中得到了廣泛應用。由于它兼有電子管和晶體管的優(yōu)點，用它制作的高保真音頻功放，音質溫暖甜潤而又不失力度，備受愛樂人士青睞，因而在音響領域有著廣闊的應用前景。VMOS管和一般MOS管一樣，也可分為N型溝道和P型溝道兩種、增強型和耗盡型四類，分類特征與一般的MOS管相同。VMOS場效應管還有以下特點。
輸入阻抗高。由于柵源之間是SiO2層，柵源之間的直流電阻基本上就是SiO2絕緣電阻，一般達100MΩ左右，交流輸入阻抗基本上就是輸入電容的容抗。
驅動電流小。由于輸入阻抗高，VMOS管是一種壓控器件，一般有電壓就可以驅動，所需的驅動電流極小。
跨導的線性較好。具有較大的線性放大區(qū)域，與電子管的傳輸特性十分相似。較好的線性就意味著有較低的失真，尤其是具有負的電流溫度系數(shù)（即在柵極與源極之間電壓不變的情況下，導通電流會隨管溫升高而減小），故不存在二次擊穿所引起的管子損壞現(xiàn)象。因此，VMOS管的并聯(lián)得到了廣泛的應用。
結電容無變容效應。VMOS管的結電容不隨結電壓而變化，無一般晶體管結電容的變容效應，可避免由變容效應招致的失真。
頻率特性好。VMOS場效應管的多數(shù)載流子運動屬于漂移運動，且漂移距離僅1～1.5um，不受晶體管那樣的少數(shù)載流子基區(qū)過渡時間限制，故功率增益隨頻率變化極小，頻率特性好。
開關速度快。由于沒有少數(shù)載流子的存儲延遲時間，VMOS場效應管的開關速度快，可在20ns內開啟或關斷幾十A 電流。
二、場效應管的主要參數(shù)及選用
為了正確安全運用場效應管，防止靜電、誤操作或儲存不當而損壞場效應管，必須對場效應管主要參數(shù)有所了解和掌握。場效應管的參數(shù)多達幾十種，現(xiàn)將主要參數(shù)及含義列于表1，作為參考。
表1 場效應管主要參數(shù)及含義
場效應管的選用應注意以下幾點。
場效應管的ID的參數(shù)按電路要求選取，能滿足功耗要求并略有余量即可，不要認為越大越好，ID越大，CGS也越大，對電路的高頻響應及失真不利，如ID為2A的管子，CGS約為80pF；ID為10A的管子，CGS約為1000pF。使用的可靠性可通過合理的散熱設計來保證。
選用VMOS管的源漏極耐壓BVDSS不要過高，能達到要求即可。因為BVDSS大的管子飽和壓降也大，會影響效率。結型場效應管則要盡可能高些，因為他們本來就不高，一般BVDSS為30～50V，BVGSS為20V。
VMOS管的BVGSS盡可能高些，因為VMOS管子柵極很嬌氣，很容易被擊穿，儲存或操作要慎之又慎，防止帶靜電的物體接觸管腳。在儲存中要將引出腳短路，并用金屬盒屏蔽包裝，以防止外來感應電勢將柵極擊穿，尤其要注意不能將管子放入塑料盒子或塑料袋中。為了防止柵極感應擊穿，在安裝調試中要求一切儀器儀表、電烙鐵、電路板以及人體等都必須具有良好的接地效果，在管子接入電路之前，管子的全部引腳都必須保持短接狀態(tài)，焊接完畢后方可把短接材料拆除。
配對管要求用同廠同批號的，這樣參數(shù)一致性好。盡量選用孿生配對管，使管子的夾斷電壓和跨導盡可能保持一致，使配對誤差分別小于3％和5％。
盡可能選用音響專用管，這樣更能適合音頻放大電路的要求。
在安裝場效應管時，位置要避免靠近發(fā)熱元件。為了防止管子振動，要將管子緊固起來，管腳引線在彎曲時，應當大于根部距離5mm處進行彎曲，以防止彎曲時拆斷管腳或引起漏氣而損壞管子。管子要有良好的散熱條件，必須配置足夠的散熱器，保證管子溫度不超過額定值，確保長期穩(wěn)定可靠工作。
三、音頻放大器藝術魅力及評價
音頻放大器按所用放大器件可分為電子管放大器、晶體管放大器、集成電路放大器、場效應管放大器以及由上述所用器件兩種或兩種以上組成的混合放大器，各類放大器電路及所用元器件也是五花八門、千變萬化，由此對音源的重放音質又各具特色，很難說哪一種放大器能以偏概全、技壓群芳成為萬能放大器。
電子管放大器由于空間電荷的傳輸時滯作用，重放音色溫暖柔和，尤其是弦樂人聲，表現(xiàn)為醇美剔透，耐人尋味。晶體管以及集成電路放大器具有犀利的分析力、寬闊的頻響和強勁的動態(tài)，具有朝氣蓬勃、催人奮進的感召力。場效應管放大器以及混合器件放大器，力圖綜合電子管和晶體管音頻特性，開創(chuàng)異彩，讓樂聲更傳神，讓音色更完美。
近些年來，隨著電子電腦技術的不斷發(fā)展，各種電子合成器、各種音頻效果器和膽音效果器軟件以及虛擬揚聲器技術層出不窮。這使得音頻放大器硬件的發(fā)展和普及遠遠趕不上軟件的速度，在精確度上硬件往往也趕不上軟件，如電腦模擬3D效果逼真度大大超過真實3D效果，不受聽音室的空間以及聲源合成的限制，同時也節(jié)省投入硬件的開支。
綠色音響、雙料發(fā)燒—— 電腦音響很有可能會成為未來音響的主流，硬件不行軟件來，實行軟硬兼施，功能強悍，集中體現(xiàn)了高效、便捷、神奇以及經(jīng)濟的特點。如在電腦中設置虛擬光驅，每次播放樂曲時，就不必啟動物理光驅，這樣不僅減少等待曲目時間及物理光驅的磨損，更重要的是消除了物理光驅的噪聲，實現(xiàn)高保真放音。再如，膽管功放放音柔和耐聽，而制作成本不薄，并且取得靚音的要件比較多，而通過膽音效果器軟件，可為我們在電腦中造就一個“軟膽”，就可以模擬出膽機的音色。目前電腦多媒體音響正處于進階時期，并與電視也架起了溝通的橋梁，其前景是十分燦爛誘人的！電腦以及音響發(fā)燒友，是一個不惜時間和精力，積極探索追求音質的特殊層面，將繼續(xù)擔起一份愛樂責任，生活中多一首甜美的歌聲，就少一幕苦澀的紛爭。無論是普通音響，還是電腦多媒體音響，功率放大器依然是音頻能量擴大推動揚聲器出聲不可或缺的終端，各類放大器均能較好地實現(xiàn)這一功能。不過現(xiàn)代人們對音響（技術因素為主，如頻率響應、失真度、信噪比等）和音樂（藝術魅力為主，如聲底是否醇厚、堂音是否豐富、聽感是否順耳等）的苛求愈來愈高，不少“金耳朵”能夠聽出歌手的齒音、口角以及身臨其境、直逼現(xiàn)場的感覺，因此對音頻放大器重放音色也寄予更大的要求，努力以特色音響塑造迷人的音樂氛圍。
各類音頻放大器具有各自的優(yōu)點及屬性，也各有其不足之處，而場效應管放大器主流兼具晶體管和電子管兩者的優(yōu)勢，同時還具備兩者所沒有的優(yōu)勢。在電路程式上，大量實踐證明，單端甲類功放是以效率換音質的典范，具有無與倫比的音樂魅力。不少發(fā)燒友從單純追求音質出發(fā)，反復制作功放，反復對比聽音，最終為A類所動，似乎覺得沒有A類的音樂猶如孤獨的音樂。
四、單端甲類放大器性能芻議
放大器按工作狀態(tài)的不同一般可分為3類：①A類放大器，又稱為甲類放大器；② AB類放大器，又稱為甲乙類放大器；③B類放大器，又稱為乙類放大器。在這3類放大器中，線性最好，音色最靚的是A類放大器，而單端甲類放大器與推挽放大器在設計上一個不同之處，就是使用一個放大器件來放大整個音樂波形。而推挽設計采用兩個放大器件，分別放大信號的正負半周，包括一些推挽甲類放大器。單端甲類放大與推挽放大一個顯著的不同特征就是放大后的音樂波形是一個完整的與輸入波形十分相似的波形，沒有推挽放大正負波形的交越失真，盡管推挽放大采用配對精度高達2％ 誤差甚至更小誤差的孿生管，但這只是一個片面性的數(shù)字描述，事實上正負波形不可能交接得好，加之電路元器件非線性引起的相移存在，交越失真將進一步增大，當然失真與音色在一定程度上并不對立，這要看設計放大器的用途和目標，并非推挽放大就此罷休，況且推挽放大器中，由于存在多次諧波，雖然原配正負波形交接不好，但諧波交接不能否定，只是與單端波形相比難以抗衡。
關于推挽放大諧波尤其是偶次諧波會相互抵消這一說法，筆者不予完全認同，只有相移失真達180°或360°等諧波成分才會相互抵消。如推挽功放中的直流高壓中的交流紋波經(jīng)推挽變壓器中心抽頭平均分成兩路，由于兩臂線圈極性相反，相差180°，交流紋波幾乎被完全抵消。
單端甲類放大器具有最自然的音樂性，其不對稱性與空氣受壓縮與擴展的特性相似。由于組成空氣含量最多的為非極性分子氮氣（N2），約占78％，因此空氣是壓強能變得非常高的“單端無極”媒介，使得單端A類樂聲最傳神，音色最醇美。
五、VMOS場效應管單端甲類功放的制作
設計放大器有兩個基本原則：一是簡單，二是線性。而能做到最簡單的放大器線路就是單端甲類了，簡單不是單端甲類放大使用的唯一理由，是因為單端甲類具有最迷人的音樂感。在A類、B類、AB類線路程式中，線性最好的是甲類，而不足之處就是效率是最低的，約為20％，是以效率換音質的典范。
在單端甲類放大電路中使用的放大器件也有一番講究。晶體管具有太低的輸入阻抗，電子管的輸入阻抗很高，但其輸出阻抗也比較高，從原理上講電子管并不適合做功放輸出管，因此唯一的選擇是場效應管。場效應管具有很高的輸入阻抗和跨導，也能輸出很大的電流，很適合應用在單端甲類放大器中。而在眾多的場效應管中，用VMOS場效應管制作的單端甲類放大器，更領風騷，魅力獨特。高端的鈦膜聲，中頻飽滿細膩流暢的磁性聲，彈性十足震撼人心的低頻轟炸聲，別有一番霸道氣勢。
在一般的設計中場效應管特長沒有得到充分發(fā)揮，甚至認為聲音偏冷、偏暗，其實這不是場效應管的原因。其聲音不好，一方面是人們使用它直接代換晶體管，晶體管的線路是不能發(fā)揮出場效應管的特性的；另一方面，這些電路通常使用AB類的偏置。根據(jù)場效應管轉移特性，在低偏置時具有嚴重的非線性，帶來嚴重的失真，解決的辦法是讓其工作在A類狀態(tài)，特別是單端A類，瞬態(tài)特性極佳，音質純美，偶次諧波豐富，音色悅耳動聽，更具有電子管的醇美音色。
1.電路原理
單端甲類場效應管功放電路五花八門，各有特色，本機電路如附圖所示。為了獲得靚麗的音色，采取簡潔至上原則，多一個元件多一分失真，多一條線路多一分失真。現(xiàn)將電路原理作一簡述，以拋磚引玉，其主要特點有以下一些。
（1）為了避免普通音量電位器傳輸失真，非穩(wěn)態(tài)接觸電阻、摩擦噪聲和操作易感疲憊之嫌，本機采用音響型極低噪聲VMOS場效應管IRFD113作指觸音量控制。其相對于鍵控音量電路又減少了一些元件，并加以屏蔽，使音量控制部分的噪聲系數(shù)達到1dB以下（VMOS場效應管噪聲系數(shù)在0.5dB左右），敢與高檔真空步進電位器或無源變壓器電位器抗衡，手感更貼切人性化。
VMOS場效應管內阻高，屬電壓控制器件，在柵極及源極之間連接充電電容，由于柵漏電流極小，電容電壓在很長一段時間內能基本保持不變。當管子工作于可調電阻區(qū)時，其漏源極電阻將受到柵源極電壓即電容的電壓所控制，這時管子相當于壓控可變電阻，當指觸（依手指電阻導電）開關S1閉合，即向電容充電，當指觸開關S2閉合，即將電容放電，從而達到以電壓控制漏源極電阻的目的。將其按入音響設備中，即可調節(jié)音量的大小。S1和S2可用薄銀片或薄銅片制作，間距2mm左右，待調試后確定，音量增減量設置在±2dB左右。
（
2）由IRF510作電壓放大，放大后的音頻電壓直耦至上臂管IRF150進行擴流并作源極輸出，下臂管IRF150構成恒流源，直流為通路，交流為開路，使交流信號通過輸出電容推動揚聲器。
（3）由于VMOS場效應管具有負的電流溫度系數(shù)，即在柵極與源極之間電壓不變的情況下，導通電流會隨管溫升高而減小，從而避免管子二次擊穿。但管子溫度的變化與電流的變化速率相差甚遠，對此為了防止負溫度系數(shù)慣性延遲而影響工作狀態(tài)，本機在IRF510陰極串上一只適當阻值的正溫度系數(shù)補償電阻（100Ω/2W ），以起到緩沖作用。其原理是當沒有陰極電阻時，IRF510柵源電壓是恒定的固定偏壓，與管子電流變化無關，加上陰極電阻后，當管流減小時，源極電位也降低。而相對于柵極來說，柵極電位便提高了，這樣柵源電壓就增大了，此時管子電流便增加了，從而適量抵消負溫度系數(shù)產(chǎn)生的電流陡坡現(xiàn)象。陰極電阻阻值大小決定這種作用的大小，從而起到適當?shù)木彌_作用，此電阻并不是電流負反饋電阻。
（4）本機經(jīng)考慮后不采用OCL即無輸出電容電路，一則是為了揚聲器安全，二則考慮零點失調電壓尤其是動態(tài)時對揚聲器音圈產(chǎn)生直流偏磁位移，直接影響揚聲器性能，從而劣化音質。由于大容量輸出電容多為電解電容，一般認為噪聲較大，而實際上這是一個信噪比的問題，關鍵是應用在什么電路，如將電解電容用
在動圈唱頭放大電路，就不合適，動圈唱頭信號只有2mV左右，要求放大電路具有較高的信噪比，用電解電容信噪比就低。而將電解電容用于功放末級輸出，情況就不一樣了，信噪比相對低電平電路會有大幅度提高。另外一點，電解電容在使用前最好進行通電老化，并擇優(yōu)選用，然后上機后再進行充分煲機，這樣可降低噪聲系數(shù)。沒有噪聲的元器件是沒有的，關鍵要合理運用，并采取措施，以達到必要的目的。本機為了減小輸出電解電容由于感抗對高頻的影響，用3只電解電容并聯(lián)以減小感抗，并將揚聲器的負極接電解電容的負極，以鉗位電解電容漏電流產(chǎn)生的音圈偏磁位移。
（5）本機場效應管偏壓由電源模塊LM7812提供，功放電源不采取穩(wěn)壓電源供電，以避免限制樂聲的低頻力度和動態(tài)，即降低電壓換電流，降低功率換音質。
2.制作調試
制作本機時，兩聲道要用獨立電源供電，以提高分離度，減少干擾，并增強各聲道工作穩(wěn)定性。本機后級由于采用直耦電路，所以工作點會相互牽制，需反復調試幾次才能完成，IRF510工作電流約為20mA，上下兩管IRF150（配對）工作電流約為1.5A，柵源電壓約為3.8V，反復調節(jié)這兩級偏壓電阻，使中點電壓為l8V。不同產(chǎn)地、不同批次管子會有所出入，數(shù)據(jù)僅作參考，最好使用示波器將其調節(jié)為A類最佳工作狀態(tài)。否則，由于管子的離散性，即使工作點按手冊或特性曲線給出的參數(shù)調節(jié)工作點，也未必工作在最佳的A類狀態(tài)。本機可代用的場效應管較多，不同管子參數(shù)、特性及音色也有差異。表2列出幾種常用管子參數(shù)供參考。本機其他元器件選用可參考有關資料，在此不再贅述。
表2 幾種常用場效應管主要參數(shù)
單端電路是耗電大戶，本機輸出管單管熱損耗約30W ，提高工作電壓還可增加輸出功率，但熱損耗也相應增加。因此，必須將管子裝在一塊熱阻不大于1kΩ/W的散熱器上，規(guī)格不小于200mm×200mm×6mm，將管子用硅脂涂抹后緊固在適當?shù)奈恢蒙稀?br />
3.參數(shù)指標
實測技術指標見表3。
表3 實測技術指標
4.測評試聽
本機測評試聽搭配器材如下：
（1）飛利浦（Philips）LHH－500型頂級CD唱機；
（2） 自制直熱管3A5前級；
（3） 意大利傲霸卡絲音箱；
（4） 美國音樂絲帶Super Flatine Cable音箱線；
（5） 高度風Ortofon AC-5000 8N無氧銅信號線；
（6） 日立4N單品銅3×3.5mm 硅橡膠電源線；
（7） G＆W TW-05D型音頻專用電源凈化器。
用正版雨果CD進行試音時，聲場寬闊，動態(tài)特別好。音像定位、解析力佳，低頻結實，控制力好。音質非常純凈，讓人過耳難忘！
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