一款为书架箱设计的胆味晶体管功放.docx

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一款为书架箱设计的胆味晶体管功放

一款为书架箱设计的“胆味”晶体管功放

2010-06-3014:

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作者:

魏涛【大中小】浏览:

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渴望有一套在独处看书时的音响系统，要求其音色既让人陶醉，又不干扰阅读。

但是能达到这个标准的功放不是价格昂贵，就是听音成本太高（甲类机耗电量大、电费高），选择普通功放又达不到发烧要求，为此，笔者依据自己多年的发烧经验调制出一道价廉物美的“私房菜”。

一、电路特点

这是一款为书架箱设计的晶体管功放，电路如图1所示，电路架构为2级差分和3级达林顿组成的大环路电压 负反馈放大线路。

这是再传统不过的电路了，与目前比较流行的全对称电路相比较，这个电路的设计是专为书架箱而设计的。

我们知道，偶次谐波失真在全对称电路中是被抵消掉的，但不悦耳的奇次谐波就只能靠降低放大器的总谐波失真来抑制。

全对称的放大电路声音比较清淡，味精味少，加之业余制作困难，管子配对要求高，做得不好的话，发出恶声是常有的事情。

权衡利弊，全对称架构的电路不是首选。

最佳的电路是两级差分电路。

在一般情况下，这个电路出来的声音是不会难听的，因为它的偶次谐波失真没有被彻底消除掉，听感上自然会好点的。

著名的瑞士高文（GOLDMUND）功放、国内的新德克 功放的实际电路架构就是两级差分放大。

在实际听音中，两级差分电路的功放的中音表现一般不错，而低音量感和下潜度却常常表现平平，高音的柔顺度也不佳。

为了提高声音的下潜度、力度及高频的柔顺度，笔者专门增加了一级预推动，这就形成了本电路的两级差分加三级达林顿的结构。

本电路后经实际聆听，声音基本达到了设计的要求。

实际上，本电路的特点不是在架构上，而是在三极管元件的搭配和电路补偿的使用上。

笔者酷爱制作功率放大器，对常见的三极管对音色的影响很有一些个人心得。

在元器件的选择上既要考虑元件的电气特性，又要发挥不同管子的音色优点。

要像按病配药方一样，合理进补，取长补短，最终达到音质的平衡完美。

在本功放中，输入级差分管选用的是国半的NPD5565孪生场效应管，该管子的特点是声音密度高、整齐、稳重，胆味浓，缺点是缺少灵动感，有些木讷。

选用它可提高整个电路的输入阻抗，不必像使用一般场效应管（K30、K246、K170）那样进行配对，也不用担心末级中点漂移严重。

在电压激励级的差分电路里，选择了MPSA42/MPSA92这对三极管，参数为MPSA42NPN300V、0.5A、0.625WMPSA92 PNP300V、0.5A0.625W。

这种管子是为电话视频放大设计的，放在音频电路使用却发现声音松香味足，高音泛音十分顺耳，声音有一种跃动感，特别是当静态电流大于6mA以后，高音和低音表现很 好，低音松软，高音丰满，难怪很多欧美名机里面都能找到它的身影。

而相同封装、管脚排列一致的准音响管2N5551、2N5401,声音表现却是干、冷、硬，让人失望。

笔者感觉，在大部分放大电路中，只要有MPSA42/MPSA92的参与，都能增加声音的灵 动性。

唯一的缺点是中音偏薄、密度感稍差。

在本电路中，把它们放第一级恒流源中，在第二级放大中也担任“主角”，就是为了弥补输入级NPD5565的声音木讷感、增强声音的 活泼感、提升高音的泛音、加强低音的松软性。

电流放大部分是采用三级达林顿放大，预放采用的三极管（VT12、VT15）是东芝的A1145和C2705。

这对管子的声音特点是中音厚实、有点鼻音的感觉、高音柔美、有点偏暗、音乐味很好。

放在这里作为预推动就是为了弥补前面两级的中音厚度不够，中和、收敛一下前面一级的MPSA42和 MPSA92的活泼劲。

推动级的管子采用的是东芝的A1306和C3298，该对管子给人的感觉 是声音很全面、有动态、大气、音色平衡，对于整个功放的声音有把握全局和“收官”的功效，只是，当静态电流大于15mA后才有上述表现。

笔者在这里曾试验过安森美（ON）的MJE15030和MJE15031，感觉声音虽然贵气，但 底气还是不足、不够全面和均衡,而最要命的是，声音没有定位，不知道歌手是站在哪里演唱，同时还感觉到，特征频率低的一些管子（TIP41、TIP42，A940、C2073）用在这里中音表现得很 浑厚、音乐味十足，其缺点是稍微少了一些华丽和细节。

末级电流放大的大功率管子可选择的管子有很多，试用过一些管子后，感觉还是老版东芝的2SA1302和2SC3281的音色比较好，在中、高音 的衔接上，这个管子的连贯性很好，总体音色温暖，低音量感和下潜也很不错。

笔者曾将该管子用2SC5200、2SA1943代替，低音马上悬在空中，高 音稍微张扬了一些，最终还是倾向选择前者，只可惜这对管子已经停产很久了，新货难寻，不过制作中使用拆机品对声音也没有多少影响。

值得一提的是安森美的MJL4302A和MJL4281A，这可是目前比较火的音频大功率对管，笔者试接上后，觉得眼前一亮，那是一出声就能抓住人耳的声音。

音色细腻、华丽，特别是高音和低音表现优秀，只是中音稍微平淡和薄一点儿，声音的现代味浓烈。

经过权衡，还是换回了老古董管东芝的2SA1302和2SC3281。

说到这里，我突然想到发烧友常说的管子代换问题。

如果只是把电路弄响，没有自激，其实并不难，只要参数（如耐压、放大倍数等）接近，问题不大，但是，要想正经八百做出一台音色优美的放大器，每个管子的使用肯定是要有讲究的。

在某些时候功放的音质在外行听来差别不大，但是如果你玩音响时间长了，经过长时间地聆听，那一点点的差别也许就会成为你更换功放的理由了。

小电容使用也是本电路的一大特点，全机使用了较多1000pF以下的小 电容，这些电容主要作用是低通滤波和相位补偿。

相位补偿，拉开了各放大部分的极点频率，保持了电路的稳定，改善了整个电路的相位失真，更重要的是使声音圆润，增强了真实感，避免了晶体管机刺耳、生硬的声音。

在近年的实际制作中，笔者感觉对声音耐听程度影响最大的就是相位超前补偿或滞后补偿的使用。

现在有些文章中对这两个补偿的使用存在着误区，认为只要经过示波器测试，电路不自激就行了。

其实如果认真听音，你就会发现，对于一个常规的电压负反馈电路，使声音耐听的补偿电容只有一个确定的数值。

本电路中的C22电容是担任相位超前补偿。

部分 烧友认为要想电路高音亮点就要减少其值，要想高音暗点就要加大其值。

有的烧友还通过调整数值大小来改变声音的“速度”。

笔者经过反复对比试听，认为减少超前补偿电容，听起来高音是亮了很多，细节丰富了，但是聆听时间稍长，就会感到疲劳。

加大超前补偿，高音好像变暗，收得很快，细节少了很多，有点揪人心的感觉，声音同样也不耐听。

就本电路来说，正确相位补偿是超前补偿电容为

8pF（超前10pF减去滞后2pF）。

其实 判断补偿正确与否是很简单的，放一段吉他音乐，听听吉他弦是否为刺耳的钢丝声，如果有，那么这个电路相位补偿就不合理。

想想看，你在现实中哪曾听到过这种刺耳的吉他声，就是再廉价的吉他也不可能发出这个声音。

在最佳的声音效果上，补偿电容应该是“增之一分则太长，减之一分则太短”。

另外，在电路中使用不同型号的三极管，相位补偿也会随之变化。

这使我联想到发烧友仿制名机为什么声音不好的缘由，一个重要的问题就是找不到原机管和原机的PCB板，只是 对人家的电路生搬硬套地模仿。

其实某种补偿功能已经在PCB的铜箔上完 成了。

就本电路来说，改变末级功率管，要想声音和谐，其超前补偿电容就要进行调整。

附表所示的是笔者调换的末级大功率管和推动管组合所对应的补偿电容值。

大家看看，也可以试试。

再谈其他几个小电容的作用。

C17和C18是输入级和电压放大级局部负反 馈电容，它们的作用是降低整个电路的高频瞬态失真，避免大环路负反馈带来的瞬态互调失真，加大这两个电容，声音会圆润很多，本机采用30pF时感觉最佳。

这两个电容也是本电路校声的一个重要手段。

C20和C21这两个电容的作用是相位滞后补偿，主要是消除电路的密勒效应。

如果电路没有自激，一般可以不加，加上后会限制放大电路的频宽，但实际试听时却发现它们对音色是有影响的，当取值24pF时，声音比较圆润点。

C15和C16的作用是为电路提供一个固定的相移常数，这样既稳定了负反馈又保证了输出的动态效果，同时改善第二级的高频输出阻抗，实际加上后，中高音区的层次感变得比较清楚，声音的毛糙感下降了。

二、电路原理

与大部分功放电路相近，整机电路分为电源部分、主放大部分和保护电路这三部分。

主放大部分的电路如图1所示，前级输出的信号经R1和C2的低通滤波电路，消除了串入的高频干扰，这里的截至频率是362kHz，实际上，如果把 管子的输入电容和输入信号线的分布电容都考虑进去的话，截至频率还会降低。

R4为输入电阻，这个阻值高了，高音的很多细节就会丰富很多，但是，考虑到后级的放大倍数较高，如果输入阻抗太高的话，输入耦合电容感应进来的交流“哼”声就会十分明显，而且直流漂移对输出中点也会有较大的影响，经过权衡，取值33kΩ比较合适。

输入级无可厚非的选择了场效应管输入，我们知道，场效应管的噪声是非常低的，噪声系数可以做到1dB以下。

现在大部分的场效应管的噪声系数在0.5dB左右，这样输入级的静 态电流就可以增大一点，提升声音的厚度，提高声场的空间感，而不用担心噪声的增大。

其次，场效应管输入阻抗高且输入阻抗随频率的变化比较小，对前级输入信号的损耗减小，这样会提高音乐细节的表现力，使声音的还原度增强。

场效应管的输出为输入的2次幂函数，失真度低于晶体管，失真多为偶次谐波失真，“胆味”也就在这里体现了。

缺点是配对难，耐压低，但由于本电路选择的是孪生管，所以就不存在什么配对问题了。

本电路的工作电压设计为±55V，高 供电电压可以提高动态和降低三极管的Cob，但是，NPD5565的耐压只有50V。

为了解决这个问题，在场效应管 的D极分别串上三极管VT1和VT2，通过场效应管和三极管构成共源共射电路，组成CASCODE形式，使高频放大 能力和线性得以提高。

根据一般JFET结型场效应管电压变化失真特性，电压过高，失真会较大，最佳的电压控制在10~15V，本电路通过合理安排R5和R9的阻值，使场效应管的Vds控制在12V以内。

VT3和VT4构成了第一级的恒流源，由于主要是从听感上考虑的较多，所以第一级的电流较一般功放的输入电流稍大一些，设计为2mA。

由 R20的阻值控制这级静态电流的大小，那么流过VT3的静态电流就为4mA，R20的阻值就为0.6（Vbe）/（2×0.002）＝150（Ω），通过微调RP1可以使输出中点电压控制在±1mV以内。

电压激励级为单端差分镜像电流源电路，以较大的放大倍数保证有良好的动态效果。

电路中的VT10构成 共基电路，通过这个管子组成平衡电路，使两侧差分的电流一致性得到提高，这一级的静态电流设计为6mA。

第 一级的R2和R3的直流压降作为第二级 差分输入管VT8和VT9的偏置电压，第 二级的静态电流主要由R21阻值大小 来决定的。

由于R2和R3的直流压降为2V（1kΩ×2mA）,而且VT8和VT9的射极 电阻为47Ω，那么R21＝[（2－0.6）－47×0.006]/（2×0.006）≈93（Ω）,取 其最接近的标称值为91Ω。

R10和R11在这里主要是调整音色，这个电阻对声音影响很明显。

取值较小时使声音动态压缩，中高音层次感好；较大时使声音动态好，但明显感到中高音分离，需要反复试验，本电路最后定为39kΩ。

电路中的VT11和R31、R32、RP2构成了电流放大级的偏置。

这个电路调电阻接在了偏置管的B、E极间，下 偏置的好处是在可调端失效时只能使偏置电压变小，避免上偏置可调端失效后烧毁后级大功率管的后果。

为使RP2阻值被调到最小时也不致烧毁大功 率管，电路中用R32串接RP2。

输出级采用三级达林顿式，这种形式有更高的输入阻抗和更低的输出阻抗，有较大的动态范围和足够的推动力。

这种驱动形式在专业扩音机上被大量采用，实际上，两级达林顿式输出已有了足够的推动力。

但实际聆听上感觉三级达林顿的表现向两端的延伸性很好，低频下潜突出，高中低搭配比例合理。

而两级达林顿仅突出了中高频，低频量感觉偏少一些。

VT12、VT15为 预 推 动 级 ，分 别 使用的是C2705和A1145，该管子的 静态电流设计为6mA。

在实际使用中 发现，该管子在静态电流大于8mA后声音发粗、噪声增大，所以取 6mA即可。

由于VT16、VT17的Vbe电压为0.5V，VT13、VT14的Vbe电压为0.6V，所 以 ， R 33的 电 阻 值 为 2× （ 0.5＋0.6）/0.006＝367（Ω）,实际上取值 为390Ω，让这对管子（VT12、VT15）电流稍小点为好，实测电流是5.5mA。

推动级由VT13和VT14组成,这对管子为东芝的C3298和A1306，很多著名功放都使用这对管子作为推封装形式为TO-220F自绝缘塑封。

安装在散热片不用绝缘垫片，这给业余制作带来了方便。

笔者在制作功放的历史中，曾经几次都是因为将TO-220封装的中功率管金属面和散热器无意短路而烧掉了大功率管。

为了提高声音质量，这一级的静态取值比较大，达到了20mA。

静态电流大小是由对管 的射极电阻（R27和R28）来决定，这 对管（Vbe＝0.5）的射极电阻定为2×0.5/0.020＝50（Ω）。

为了后面安装 调试的方便，把这个电阻平分成两个22Ω。

从这两个电阻中间可引一个输 出中点，见图1。

    末级的大功率管是东芝的2SC3281和2SA1302，这对管子在当年 好评如潮，这里就不多介绍了。

设计静态电流为30mA，末级的射极电阻可 以在0.1Ω和0.47Ω之间进行选择。

取值小的话，对提升动态有好处。

取值大可增强整机的稳定性，也可降低对大功率管的要求。

权衡利弊后，取值为0.22Ω。

    输出级后面是茹贝尔网络，由R8和C25组成，补偿扬声器阻抗，使得扬 声器在全频率范围内接近纯阻抗。

提高稳定裕度，预防自激。

有些功放不加也能工作，但在特定状况下可能会出现自激，比如瞬间过载、功放温度过高、音箱线过长等。

茹贝尔网络后面的电感主要是抑制扬声器的反电动势对放大电路的影响。

本放大电路反馈是大环路电压负反馈，放大倍数有27倍左右（1＋R12/R6），尽管大环路负反馈声音会比较紧，但是，只要经过仔细调校，声音也会十分优美自然。

另外，为了增加这个电路信噪比，运用了“浮地”技术，所谓“浮地”就是用一只小阻值电阻接在信号“输入地”与“负载地”（“电源地”）之间，使两者对“信号地”悬浮起来，只要浮地电阻大于负载电阻，就可以避免输出大电流回路的寄生信号串入输入端的回路，提高放大器的抗干扰能力，R7为 本电路中浮地电阻。

VD1和VD2主要作用是减小电流放大级电压波动对电压放大级的干扰。

电源电路为普通的二极管整流滤波电路、正负电源共用4个10000µF/63V滤波电容和2.1µF/250V的CBB电容，有2个电阻为关机的泻放电阻，分别取值为15kΩ/1W。

保护电路选用的是很经典的µPC1237保护集成电路，见图2。

取消了大功率管的过流保护功能，并且根据本后级的电压特点，修改了几个电阻的参数，具体原理可以参考官方文件。

三、安装和调试

1. PCB部分

为了容易制作，决定把两个声道和保护电路做在一块PCB板上，并且把所有大功率管、中功率管，以及温控偏置三极管放在了一个安装面上，这样有利于整个电路的热稳定性。

考虑到元件的数量和电路的复杂度，为避免单面板的跳线就做成双面板。

双面板实际大小为260cm×10cm。

PCB见 图3。

2. 元件选择

本电路对元件的选择是比较讲究的，特别是有源器件的选择。

VT1、VT2、VT3、VT4是 MPSA42，现在市面上有较多的品牌，只要β大于80就行，建议不选择KSP开头的A42和普通A42。

VT7是DIP8封装的NPD5565，与8脚运放（NE5532，AD827）封装一 样 ，现在市场上很难找到新货，大部分都是拆机接脚的旧货，不过，好像也没什么影响。

理论上用NPD5564代替NPD5565要更好，因为NPD5564孪生 管一致性要更好。

VT8和VT9是这个电 路中唯一要求要配对的管子，在业余条件下，同极配对相对容易一些，只要两个MPSA92的β值大于150，误差 不超过5％，Vbe近似相等即可。

VT10、VT5、VT6没什么特殊要求的，只要管 子是正品并与前面第一级的要求接近就行。

VT12~VT17理论上要进行配对 的，但由于条件所限，没有配对。

笔者随意拉郎配焊上去的管子，也没听出有什么不妥，但这几个管子最好还是选取β值高的。

电阻的选择没什么要求，只要是5％金属膜就行，毕竟金 属膜的噪声要小一些。

如果条件允许的话，用DALE电阻，飞利浦5色环电 阻效果会更好。

笔者一直认为电阻在电路中对声音影响最小，事实上我选择的是国产某品牌，声音也很好。

这里要注意的是电路中有几个电阻要注意左右声道的配对，否则，会造成声像混乱，他们分别是R4、R6、R24。

当然用上1％精度的电阻，配对过程就可以免了，这样的话，不但两个声道的一致性就很好，整个电路的电气指标也会提高。

在电容的选择上，退耦电解电容和0.1µF的CBB电容，只要 耐压和容量够，用什么品牌的都没问题。

所有的小电容可采用瓷片电容，瓷片电容的高频十分优秀，当然，用银云母电容替换相位补偿中几个瓷介电容，高音似乎更细腻。

电路中只有几个关键的电容对声音影响还是实实在在，所以这些电容的选择还是不能太随意。

耦合电容C1一定要用发烧点 的CBB电容，对地反馈电容要用ElnaSimilc系列的，这种电容出来的声音最迷人，“胆味”最足，只可惜，目前市场上的假货太多了。

RP1和RP2要 用国产优质的3296型多圈电位器，这 两个可调电阻关系着功放工作点的稳定，不能因小失大。

L1用0.8mm的漆包 线在直径6mm圆柱上绕12圈就行了。

电源上的整流二极管，选电流大于6A的就行，当然，用快恢复二极 管，似乎更能满足发烧的心理要求。

大电解电容对声音的影响还是有的。

笔者用的是日本nichicon牌容量10000µF/80V大电解电容，出来声音也中规中矩。

3. 焊接调试

元件选好后，就可进行焊接了。

由于双面板焊盘两面导通，这样焊接元件面和焊接反面引脚面都行，一般我们习惯焊接反面的引脚面。

先焊接电阻，电阻在焊接时要用万用表核对其阻值，然后和板子的PCB位置要对应好，特别 是该电路的每个声道有8个22Ω，6个10Ω，部位不同的，功率大小不一样 的，焊接时要特别注意。

然后是焊接电容，焊接好电阻和电容这两种最多的部件后，就可焊接三端可调电阻，电感和二极管了。

在焊接用于调节静态电流的三端可调电阻RP2时，要注意调节阻值大小的螺丝方位，螺丝的位置设计在右侧，这样当顺时针旋转螺丝时，等于调大了静态电流，符合我们的操作习惯，在焊接电感L1时，要把 铜线上的漆刮干净。

焊接完上面的阻容件后，就可以焊接三极管了，同时也进行最重要的一项工作——电路调试。

电路调试要采用先分级，后整体的调试方式。

即先调通各级，再对电路整体调试。

先焊接输入级的MPSA42和NPD5565。

他们的脚位见图 4。

NPD5565不建议使用IC插座，万一接触不好，可能会损坏后面的功率管，直接焊上最保险。

调试输入级时先把NPD5565的两个G端对地短路,通电后 测量R2、R3上的电压为2V就行；焊接 第二级的MPSA92和MPSA42，这对管 子的脚位是相同的，测得R22和R23的 电压为1.5V左右，代表第二级基本工作 正常；接着焊接VT11、VT12、VT13、VT14、VT15这5个三极管，把输入端的 地短路去掉，再把VT13、VT14的两个 三极管的射极电阻中点焊盘和输出端焊盘短接，这两个焊盘在PCB设计时 候就已经做在线路板上，就是为调试所设计，直接用焊锡点住就行了，见图5。

这时整个线路就是一个完整的负反馈放大器了，这级调试前还要给推动的中功率管装上小散热器（这个一定要注意），然后上电，测量输出中点对地电压。

正常情况下，应该不超过±150mV，用小螺丝刀调节RP1的旋 钮，让输出中点降为±5mv范围内，然后调节RP2，使两个大功率管的B极焊盘的电压为0.95V，如果前面做下来 没什么问题，基本上这个电路就算正常了，可以放心地上大功率管了。

接下来就可给散热器打眼、攻丝、安装功放板了。

本机采用的是长260cm、高80cm、翼长50cm的E形铝散热器，见图 6。

担任本电路散热是没有什么问题的，当然，如果需要加大末级静态电流，就要更大面积的散热器了。

确认没事后，就可焊接大功率管、偏置管、推动管了。

功率管垫上绝缘导热垫片，还可以涂点导热硅酯，用螺丝将其和散热器固定，在最后的整体调试中，最好用螺丝刀把三极管的安装螺丝再紧固一次，并在正负电源上各串上一个8Ω/3W的电阻，这样可以避免烧掉大功率管，对本电路来说，可能感觉不到有多大好处，如果是几对管，这个电阻可能拯救一排大功率管。

通电后，听变压器是否出现短路所发出的特有“嗡嗡”声，摸电阻是否很烫。

如果烫，电路可能焊接有误；如果不烫，焊开短接的焊盘，量输出中点电位，如果有漂移再调节RP1，直到最小为止，笔者的实际 电路可以调到表针纹丝不动。

顺时针旋转RP2，测量大功率管的E极和输出 之间的电压，达到6mV即可，这样末级 的静态电流接近30mA。

保护电路µPC1237的调试，首先 要先接对电源。

µPC1237有一个脚接的正电源电压，一个脚接整流前的交流电压，接错后保护电路不工作的。

接好电源和地线后，通电后继电器3秒内应该吸合，吸合后用万用表的电阻最小挡位测试功放输出端和地，这等于给功放的输出端加上了直流电压，这时继电器应该断开。

如果以上都很顺利的话，基本上就可以大功告成了。

4. 装箱

机箱布局如题图所示，这样安装符合我们当初设计PCB的尺寸要求，让 变压器的漏磁对放大电路影响最小。

变压器选择的是双38V的300W环形变 压器。

电源的功率容量对声音在大动态的表现有一定的影响，作为2×80W的功放，采用300W的环形变压器，功 率裕量就够了。

连上所有的导线，注意功放电源板上的极性，正负不能接反，地线要一点接地。

机箱接地点选择变压器的固定螺丝上再固定一个焊片，焊上一根导线。

最终所有的地都连接在整流滤波电容的中点位置。

5. 简单测试

笔者认为把10kΩ方波基本没有什么畸变放大出来，没有过冲，业余条件下基本上就OK啦。

在功放输出端接 上负载为8Ω/5W的电阻，在小功率下分别测试1kHz、10kHz、20kHz、50kHz方波，见图7，50kHz时畸变稍明显。

四、听音评价

好了，可以开声了，声音好不好呢？

一个字：

好！

这样说吧，蔡琴大姐唱累了，听者没有一点累的感觉，声音十分耐听。

推小书架箱聆听交响乐，那个气势，那个顺耳，直逼胆机