本帖最后由 ue10 于 2025-5-16 19:15 编辑
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Nelson Pass对A类放大器偏置电流的看法(2019)
尽管高效D类有所改进，但耗电的A类功率放大器继续吸引着高端音响发烧友。这个品种仍然像以前一样受欢迎——为什么不呢？我们都知道放大器（功放）A类比B类好，或者C或者D... 我收到了很多电子邮件，其中包含了各种器材搭配兼容性、不同产品的声音、线材应该提升多少等等的一般性问题，但有一个主题会定期出现:这个放大器属于哪一类？ 一般而言，普通的AB类放大器在输出低功率时处于A类，然后在输出大一点的功率时降到B类。我们希望放大器工作在线性的区域，同时还要输出高功率，这是可以理解的。不幸的是，这种类型的效率非常低，通常以最大输出功率的两倍空转，就像一辆法拉利停在路边时，发动机还在全速运转。对于一个10瓦的小功率放大器来说，这不是什么大问题，但是对于一个500瓦的大功率放大器来说，AB类开始看起来像是质量和效率之间的一个有吸引力的折衷。 A类效率如此之低，却又如此受欢迎，因此人们开发了各种方法，通过这些方法，控制A类工作的电路可以根据信号调节放大器的工作。可以保持放大器输出级中所有器件的电流传导，从而在技术上达到“A类”，但工作效率更高。这些电路被不同地称为“动态A级”、“新A级”或“非交换A级” 历史上，音响发烧友对这些方法持怀疑态度，如今传统的A类设计通常被称为“纯”设计，以区别于这些“恶作剧”A类放大器。 这个主题仍然很有趣，所以在第一篇文章发表11年后，我在这里再次写它。尽管你有可能对A类功放有所了解，我将提供一个简短的技术总结: A类是指电路中的所有增益器件(电子管或晶体管)始终参与信号的放大。这也意味着它们一直在传导电流。一个很好的例子是只有一个器件的非常简单的单端A类电路: 这里我们有一个晶体管，它提供电流增益并驱动一个电阻。 您可以看到该N沟道Mosfet的三个引脚分别标记为漏极D、源极S和栅极G。电流从漏极流向源极(电流与电子流相反)，并由栅极和源极之间的电压控制。 这个特殊电路是一个“跟随器”，输入和输出电压相同，它提供电流放大。这个特定电路的线性极限是正电源V+和地。在两者之间，晶体管在A类中线性传导电流。 当电路在极端情况下“削波”并且不再是线性时，晶体管离开A类。 还有其他单端A类电路的例子，但它们在某些方面都与此类似。这种特殊情况非常简单，通常失真较低，但效率也很低。典型的单端放大器的效率将低于25%，这意味着10瓦的A类功率将在40瓦以上闲置。 稍微复杂一点，我们采用二个不同极性的增益器件，使其工作在推挽式的模式。这种输出级的简化电路如下所示:
在这种情况下，两个功率晶体管作为跟随器工作，输出电压等于输入电压，放大的电流高得多。晶体管N连接到正电源，而P连接到负电源。如果这是一个音频功率放大器，输出接到一个扬声器。 当输入电压为正时，输出电压也为正，我们期待晶体管N从正电源向扬声器提供电流。当输入电压为负时，我们指望P从负电源向扬声器提供电流。 音频信号有正负两个电压分量，我们将看到一个零伏点，这是两个电压分量相交的地方。不幸的是，我们使用的晶体管往往会在这一点相遇之前就关断，因此它们之间的转换很差，死区会产生失真，通常称为“交越失真”。 在严重情况下，正弦波的输出波形如下左图所示:
这是B类放大器的特性，其中电路的两半不同时分担负载。这种失真波形通常会通过负反馈进行一定程度的校正，放大器的前端会超时工作以补偿死区。这并不完全有效，如B类放大器的失真波形所示:（如上图中） 输出正弦波为蓝色，看起来相当不错，但如果我们只关注失真，我们会看到它丑陋的红色形状。 我们可以通过向晶体管提供“偏置电流”来解决这一问题，这将产生一个两个晶体管同时传导电流的区域，并将放大器从B类工作模式提升到A类工作模式。 与单端示例一样，A类是增益器件始终通过传导电流参与放大的区域。对于A类偏置电流，同一放大器的失真如上图右所示: 这是怎么做的。下面我们看到一个简单的DC电压源，用于在增益器件的控制引脚之间提供偏置电压，以消除死区（如上图）: A类效果很好，但代价是效率——传统单端示例的工作效率约为其最大输出的4倍。推挽式A类放大器的效率通常是它的两倍，空闲时的额定输出功率只有它的两倍。 对于推挽式设计，有一种折中的方法——AB类放大器是混合放大器，以较低的功率运行A类放大器，当电路的一侧停止传导电流时，就变成“B类”放大器。出现这种情况的水平通常与空闲偏置电流的量成比例。偏置电流越高，仍处于A类区域的最大电平越高。 扬声器的阻抗对输出级不再是a类的点有很大影响，这是因为a类是电流而不是电压现象，在某个特定输出电流时会转变为B类，阻抗越低，电流越大。 下面是偏置增加时上述电路的均流图形: 左边的低偏置电流使A类区域处于最大功率的一小部分，中间显示A类至一半功率。在右侧，我们可以看到全A级，两侧都没有关闭阀(注意不同的比例以适应更大的波浪)。 也许这些图片最重要的是曲线的相对平滑。随着“偏移”设定为更高的值，接近截止和两半之间的过渡更加平滑。这类似于接力赛，在接力赛中，当两个运动员都全速进行交接时，可以获得最佳结果。 平滑过渡非常重要，因为它可以显著减少更容易听到和令人讨厌的高阶失真。更糟糕的是，它们在低水平时更加明显。 一些人认为，从A类到B类的过渡会导致不连续或“残片”，在音乐播放时增益设备会打开和关闭。当偏差非常低并且过渡一点也不平滑时，这是一种情况，但是对于相当大的偏差来说，这不是一个真正的问题。 重要的是要明白，放大器不必是A类才能受益于更高的偏置电流。高偏置电流不仅将A类转换移到更高的地，还能改善所有功率水平。 下面我们看到了在没有反馈驱动8欧姆的情况下，输出级从0.10瓦到20瓦的失真。失真最高的顶部曲线的偏差为0.016安培。其次是0.08A，然后是0.16A、0.32A、0.64A、1.28A，最低失真曲线为2.56安培。我们清楚地看到，偏置越高，所有功率水平下的失真越低，失真与偏置电流成反比。
这不仅仅是因为失真数更低，还因为低次谐波(2次和3次)与高次谐波(4次、5次、6次等)的比率提高了失真特性; 下图是输出级偏置为0.08A时的失真分析。在左侧，您可以看到蓝色的信号波形和红色的失真波形。失真测量值总计为0.67%，您可以在右侧看到谐波成分，其中2次至10次谐波较为突出。 这里是同样的测试，4倍的偏差。总失真已降至0.11%，但更令人感兴趣的是，高次谐波已大幅减少，剩下占主导地位的2次谐波。
在八倍以上的偏置时，失真降至0.004%，在我们的失真波形上看不到任何东西，只有2次和3次谐波。
高偏置电流的好处不仅限于简单的谐波失真测量，它还能降低交调失真(可以说更重要)，并获得更低、更一致的输出阻抗。作为一个必然的好处，支持A类操作所需的重型硬件将显示出更好的热稳定性，并将在较低阻抗负载下得到更好的性能。 我们可以清楚地看到，适度的偏置电流可以实现很大的改善。是的，完全A级更好，但在这种情况下，它消耗的电能是空闲时的八倍。这可能是50瓦和400瓦加热你的听音室的区别，可能使AB类更有吸引力。
这将我们带回放大器的偏置电流问题，偏置电流是功放的可靠指标，我们已经看到偏置电平对于AB类放大器仍然很重要。
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发表于 2025-5-16 19:15
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