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一款改进型纯后级甲类功放的设计与制作

时间:2012-09-08 17:33来源:《无线电》杂志 作者:张安 点击:
在少年时我就对音响有浓厚的兴趣,《无线电》杂志和《电子报》是我获取知识的主要渠道,曾用很多芯片制作过一些功放( HA1392、TDA2003、LM1875、TDA7294等)。虽然当时采用的制作工艺比较初级,却也给我带来了无限的乐趣,在享受乐趣的同时也学到很多宝贵的

在少年时我就对音响有浓厚的兴趣,《无线电》杂志和《电子报》是我获取知识的主要渠道,曾用很多芯片制作过一些功放(  HA1392、TDA2003、LM1875、TDA7294等)。虽然当时采用的制作 工艺比较初级,却也给我带来了无限的乐趣,在享受乐趣的同时也学到很多宝贵的知识。随着烧龄的增长,我 对音响的追求也在不断地提高,后来 通过网络结识了志同道合的网友“狂 狼”,经过半年的努力,我们合作设 计了这款改进型纯后级甲类功放。在 此奉献给大家,希望与广大音响DIY爱 好者共同交流。

一款改进型纯后级甲类功放的设计与制作

一   电路设计

 

金嗓子E305是一款日本比较出名 的功率放大器,因其声场开阔、音色平衡、大气而闻名于音响发烧界。我们以该机电路为基础并做了大胆地改进,最终形成的放大电路如图1所示。 本电路是属于全对称渥尔曼双差 分结构输入(见图1) ,该输入结构的电 路具有失真低、频响宽、线性好等优 点。第二级也采用了渥尔曼共射—共 基结构,并用两对管子并联来增强对 后面推动级的驱动,以进一步减少电压放大级的过载失真和线性失真。伺服电路也是本机的一个亮点,传统的伺服 一般从输出端取信号,经运放积分放大 得到一个比较电压来控制放大器的反相 输入端,这种伺服电路对声音有一定的 影响,特别是低频。对此,笔者做了大 胆改进和测试,把控制点取在输入差分 级的上、下臂的中点,这样对中点控制 得比较好(可以控制到1mV以下)。经 实践,证明此改动非常成功,削弱了伺 服电路对音质的影响,使功放的低频更 从容和大气。

一款改进型纯后级甲类功放的设计与制作

二   原理简述

1.  主放大原理

输入级为FET的结型场效应管组成 的渥尔曼双差分结构,由VT2、VT3、 VT6、VT7和2对2SC2240/2SA970共同 来承担。由于K170/J74耐压比一般双极型管子低,为了保护第一级的场效应管不被过压击穿,+73V经R5和R7分压,使VT1、VT5的b极电压控制在20~22V,-75V经R15、R12分压,使 VT4、VT8的b极电压控制在20~22V。差分交接点的两个电阻R9和R10(22Ω)可决定本级的静态电流,建议第一级电流控制在2.3~2.5mA,也就 是电阻R3、R4、R14、R16(1.5kΩ)两端的压降控制在3.75~3.45V,这样计算出来的电流刚好合适3.75/1.5=2.5(mA)。如果这4个电阻压降偏差较 大,应重点检查输入级的4个场效应管的配对情况。

第二级也采用渥尔曼的共射—共基结构,是采用两级并联,其目的是 提高其放大性能和拓宽频响。本级放 大管采用的是2SA1145/2SC2705,本 级的电流由R17、R18、R23、R24这4 个负载电阻来决定,建议控制在12mA 以内,也就是单级电流控制在6mA以 内。为了获取更好的线性,本级增加 了电压放大对地负载电阻R19、R21, 即适当降低开环增益。电流放大级还 是采用传统的两级达林顿结构。

推动级采用的是TO126封装ON的 MJE15032/MJE15033,工作电流控制 在35~50mA。调整R27、R28的阻值可以控制电流的大小。输出级没有采用原机的K1529和J200,而是采用了三 肯的2SA1295和2SC3264,三对并联输出,其目的是追求更大的动态和细腻的音色。本级的电流根据散热器的大小来决定,一般在350mA左右比较 合适(20W左右的甲类功放的中等音 量)。在欣赏大动态交响乐时,可以 输出更大的甲乙功率。笔者不崇拜大功率的甲类功放,更喜欢高偏流的甲乙类,因为我们平时听音乐并不需要 开到100W纯甲类那么大的功率,这样白白浪费很多电能。高偏流的甲乙类 动态更大,也比较节能。

另外,本机为了稳定工作和防止自激,在多处做了频率补偿,这也是 为了防止20kHz的方波不会发生过冲。在反馈电阻上并联了超前补偿电容C17;在电压放大级并联了C8、C9; 在输入级加上控制带宽的RC式低通滤 波器,这一切都是追求更高的稳定性能和频响。

 

2.  扬声器保护原理

 

该电路具有开机延时、中点偏移、瞬间关断、输出短路保护、故障灯报警等功能,由于此电路比较常见,在此不再详述。

 

3.电压级稳压电源

 

该稳压电源是在日本的高速洼田电源基础上改进而来,见图2,它具有输出电压稳定、输出纹波小等优点, 常用于前级放大或耳放电路,以提高 解析力和声音的清晰度。由于原恒流 的二极管较难购买到,因此改用了场 效应管K30和电阻的组合来替代恒流的 二极管,经实际应用,效果还不错。此外,在整流、滤波之间改用CRC的 滤波方式,经CRC滤波之后再经洼田 稳压,效果非常好,在500Ω负载上输 出纹波有1.5mV左右,见图3,几乎接近了电池的效果。

一款改进型纯后级甲类功放的设计与制作

一款改进型纯后级甲类功放的设计与制作

三   元件的选取

 

1.  电阻的选取

 

由于本机是全对称的结构,末级输出为甲类状态,故对元件的要求比较严格,所有的电阻没有特别注明的均采用1%的5色环0.5W 的金属膜电阻,输出级的电阻选用了无感0.22Ω/5W的电阻,有条件时此电阻最

好用数字电桥精密配对。

 

2.  电容的选取

 

所有的电容均要采用高品质的电容,输入端的电容采用MKP系列的 WIMA,或苏伦的,容量在3.3~4.7µF。 该电容对音色有较大的影响,制作者 可根据自己的爱好来选取。因为电压 级的供电电压高达±73V,考虑到市 电的波动,因此稳压电源和主放大电 路的退耦电容要选取耐压在100V以上 的。主电源滤波电容要选耐压在80V左 右的。由于本机在20W左右是纯甲类功 率输出,对电源纹波和电源的负载能 力要求较高,所以单声道要有60 000µF 以上的电容,推荐日本的伊那和松下 系列的,有条件的采用RIFA169系列的 更好;当然,读者也可以根据自己的 喜好来选取电容。

 

3.  三极管的选取

 

本机所用的三极管数量也并不算太多,况且是全对称的电路,所以所有的管子都要在5%以下严格配对。三极管的配对是好音质的基础,建议严格配对,当然不配对也可以正常工 作,但声音还是有区别的。

 

4.  变压器的选取

 

由于本机功率较大,又是双、单 声道设计,为了追求更高的信噪比, 所以要求使用两只独立环形变压器, 单个的功率应在500W以上,高低压相 互独立的绕组,推荐单声道绕组的电 压为:电流输出级采用的是大电流双 供电52V,电流4.5A以上;电压放大级 采用的是小电流双供电65V/0.5A,小电 流单供电10~12V/0.5A,扬声器保护电 路用的变压器要求品质优良,以免在 带载情况下有讨厌的“哼”声。

 

四   安装制作调试

 

以上所有的元件都准备齐全后可以进行焊接了,为了追求更高的效 果,所有的PCB采用PROTEL99SE软件 绘制,除主电源板是自己刀刻的外,其余全部是双面板,找正规的大厂家生产的。为了方便安装,元件的编号 和参数都已丝印到PCB板上,只要不插 错元件或装上有问题的元件,基本上 是可以一次通电完成。该PCB电子版可到本刊网站上查询。

 

1.  电源部分的安装调试

 

先焊接稳压部分的元件,为了保 险起见,所有的元件要用数字表测过 才可以焊接,电阻要检查阻值是否准 确,电容是否漏电,二极管和三极管 PN结是否正常。由于所有的PCB都是 双面的,焊错了要拆下是很麻烦的, 因此焊接前一定要细心和严格地测试。焊接顺序是先焊电阻和二极管等 比较矮的元件,然后是三极管,最后 是电容,焊接完成后要仔细检查焊点 有无虚焊和短路等,检查完毕就可以 直接通电,输出端接数字表,分别调 两个可调电阻,使输出电压正、负都在73V即可。

电流级电源板比较简单,可以搭 棚焊接,要注意整流桥的输出电压和电容组的正、负不要接错,一般空载电压在±70V左右为正常。

 

2.  主放大电路的焊接与调试

 

主放大电路的焊接与前面所述的步骤相同,但大功率管子先不要焊 接,伺服运放也不要插放,等全部焊 接好后,先检查所有焊点有无虚焊或 短路,如没问题,再调试扬声器保护 部分,将交流12V接到保护电路的输 入端,然后通电,扬声器保护继电器 应 在 3秒 左 右 吸 合 , 此 时 用 数 字 表 的 二极管挡一表笔接地,另一表笔接扬 声器输出端,继电器应马上断开。再 接光耦和一个0.22Ω电阻连接点的输 入端,继电器也同样断开,这说明扬 声器保护电路是正常的。下面就可以 继续检查电压放大级和推动级了,把 稳压电源的±73V接电压放大接线端 子,通电2秒钟马上断开,看有没有元 件异常发热和冒烟,如有异常,要仔 细检查,如正常,可以直接通电。用 数字表先测输入级的R3、R4、R14、R16这4个1.5k Ω电阻上的压降是否在3.45~3.75V,电压放大级的R17、 R18、R23、R24这4个560Ω电阻上的 压降是否在2.65~2.85V,伺服运放的8 脚和4脚的电压是否在±12V左右。如果一切正常,断电,把电压级和电流 级的供电接线端子先连在一起,伺服 运放也插上,在两个推动管子VT18和 VT19的e极电阻交汇点和地之间接0.5W 左右的小扬声器,前后都先用±73V 稳压来供电,再次通电用手摸输入处扬声器,此时应有“哼哼”的感应交 流声,再用数字表测两个推动管子的E极之间的电阻R27、R28(33Ω)上的电压,用螺丝刀调节主板的可调电阻 RP1,使R27、R28上的电压在33mV左 右,这说明电路一切正常,可以放心 地焊上大功率管子了。

 

3.  综合调试

 


把大功率管子固定到大型散热器上面,要注意管子所用的绝缘云母片和导热硅胶的质量,要让管子和散热 器紧密贴合,要注意推动管子和温度 补偿管子的固定螺丝,要加装绝缘的塑料小垫片。

此功放的机箱是购买的成品箱,在机箱两边的散热器上又重新加装了 均热的铝板,目的是让散热器两端的温度和中间管子比较密集地方的温度偏差尽量小点,功放的内部布局如图4、图5所示。所有管子安装完成后,要用数字表仔细测所有的管子有无与 铝板导通,这点一定要注意,否则一 旦有短路或漏电,大管子就要烧毁。 检查完毕后分别把电源线接上,电压 放大级接稳压±73V,电流级接电容组 输出的±65V,扬声器保护的12V交流 电压也接上,扬声器输出端子接一个8Ω/50W的功率电阻, 主要是不要空 载就可以。为了安全起见,在变压器的初级串联一个100W左右的灯泡,其目的是防止万一有问题而不烧大管子等比较贵的元件。如果通电后灯泡从 猛亮到慢慢地暗下来,则说明电路基本正常,这时拆除灯泡,将交流220V 直接输入到变压器,再次通电观察15 分钟。如果没异常,再用数字表DC2V 测扬声器输出端,该点电压应在30mV以下,如果不正常,应检查伺服运放等元件,如有损坏的元件要更换,然 后用数字表两支表笔随便接一个大功 率无感电阻两端,调整主放大板上的 可调电阻,使0.22Ω的电阻上的压降 在22mV,再观察15分钟,如果大管 没有异常发热,再次调整可调电阻,最后0.22Ω电阻上的压降达到77mV,调整完毕,这样末级的电流为单对管 子350mA,单声道静态总电流为1.05A(350ma×3)。观察30分钟后,再次测扬声器输出端子电压,在30mV以下 为正常,本机有直流伺服,一般不用 调试中点也会在5mV以下。最 好接上 示波器和信号发生器,测试200Hz、2kHz、20kHz的方波,看其波形是否畸 变和失真。如有失真,要重新调整超前补偿电容和电压放大级的频率补偿电容的容量,直到波形满意为止,到 此调试全部结束。 (责任编辑:admin)

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