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JC2013假日版
——一款对称输入准互补输出放大器
前言:
我之前的帖子 JC2013 Holiday Semi-Symmetrical Amplifier一款对称输入准互补输出放大器因为涉嫌广告被关闭了。欢迎朋友们来这个帖子里交流。千万别在这帖子里提买卖的内容。
背景介绍。设计制作初衷。很长时间以来我都在寻找一款简洁、宽频、高转速、低失真的放大电路。最近两年我从学习和实践JLH1969电路的过程中得到了一些启发。JLH1969（图1）可谓是最经典的三级放大器。几十年来得到了广大DIY爱好者的好评。但它也有个致命的缺点，那就是它对信号的正负半周的放大特性是不完全一样的。低频率小信号时这种不对称性不很明显，但频率越高、输出信号幅度越高就愈加显著（见图2-4）。论坛里曾经有人说这种不对称是末级输出管都是同极性管造成的。我不同意这种说法。我认为只要推动级提供给输出级的信号是对称的，末级输出管都是同极性管也完全可以做到输出正负半周完美对称。问题的关键是JLH1969电压放大级设计中的采用了分相管也就是推动管，它用集电极和发射极输出信号分别驱动上下两支功率管，因此提供给上下两只输出管的信号是不一样的，形成了一种不对称性。并且这一级还采用了自举电路，使得这一级放大正半周信号的时候电压摆幅可以超过电源最大电压，而负半周只能接近“地”电压，存在不对称性。这种不对称性会随频率的提高而变得明显。虽然我认为这两种不对称性使得该放大器具有了独一无二的听感，但我也觉得这是一种缺憾。因为在我心目中，美的东西都是对称的。  
图1. JLH1969 原电路及简化的电路结构。
图2. JLH Class-AScopeshot 1KHz file:///C:%5CDOCUME%7E1%5CDeng%5CLOCALS%7E1%5CTemp%5Cmsohtmlclip1%5C01%5Cclip_image006.jpg
图3 JLH Class-A Scopeshot10KHz file:///C:%5CDOCUME%7E1%5CDeng%5CLOCALS%7E1%5CTemp%5Cmsohtmlclip1%5C01%5Cclip_image008.jpg 图4. JLH Class-AScopeshot 20KHz
图7 互补对称的1969 放大器构想
图8 简单对称放大器设计
那么怎样才能即消除这两种不对称性，又保留JLH1969那良好的听感呢？有一种设想就是做两个互补对称的1969放大器，其中一个专用于放大正半周信号而另一个专用于放大负半周信号。一个构想就是想图7那样。但仿真结果并不理想。由于平时工作繁忙，这种想法就暂时搁置了。
前一段时间在diyaudio网上看到Lazy Cat（懒猫）的简单对称放大器设计（图8），犹如长夜中的明灯，这几乎就是我要的电路了！简洁、宽频、高转速、低失真的要求都在这个电路中得以实现。你可以不会创造美，但是你不可以没有一双发现美的眼睛。相比Lazy Cat来说，我的电路设计水平就是小学生级别了。Lazy Cat从设计SSA开始，到TSSA再到后来的VSSA可谓是耗时经年，并付出大量时间、脑力和体力，最终修得正果。这一成果在很短时间内就被我学为已用。我不得不为自己拿来主义而自鸣得意，呵呵。J 可惜啊，美中不足的是Lazy Cat的电路使用的是横向场效应管（Lateral Mosfet）。这种类型的管子价格昂贵，并且难于配对。我曾今就这个电路询问Lazy Cat，希望他将设计改成可以支持准互补输出、垂直场管，这样就可以方便DIY。但Lazy Cat以垂直场管的器件特性不适合为由委婉地拒绝了我的建议。
我想，实际上我可以以简单对称放大器为基础。采用对称输入和准互补输出的方式构造一个电路。这个电路必须将具有宽频、高转速、低失真的特性，同时解决垂直场管正温度特性对放大器造成的不稳定性，并且尽量避免垂直场管Vgs-Ic的非线性引起的失真。
垂直场管的正温度特性使得静态电流随着管子的温度升高而升高。而电流越大管子温度就越高，这是一个正反馈的过程，其结果往往以烧毁功率管而告终。要解决这个问题，不外乎有两种办法，一是使用负温度系数的场管，除此外就必须采取热补偿的办法。我觉得后者比前者更有优势。因为即使使用负温度系数场管，它的静态电流也还是随温度变化而变化，这样事先设定好的最佳工作点往往得不到保证，失真随温度变化而变大。这样的放大器除非工作在甲类，否则是无法保证低失真的。使用热补偿方法就是利用另一个温度感应元件实时监测输出管温度，并反向调整Vgs，以消除温度对静态电流的影响，达到稳定静态电流的目的。 图31. 2SK1058 横向场管Vgs-Id file:///C:%5CDOCUME%7E1%5CDeng%5CLOCALS%7E1%5CTemp%5Cmsohtmlclip1%5C01%5Cclip_image050.gif 图32 IRFP240 垂直场管Vgs-Id. 注意Vgs不是从0v开始
垂直场管Vgs-Ic 的线性度是不如横向场管的（见图31 ，32 ）。但这个线性度的困难不是不可以克服的。有两位前辈在这方面做出了卓越贡献。他们的工作成果值得我们学习借鉴。这两位前辈一个是Bob Cordell 。他率先采用了失真校正技术（ErrorCorrection ）, 使得采用垂直场管（IRF132/9130 ）的放大器在满功率时的20KHzTHD 失真降低到0.0006% 。Cordell 的失真校正技术在他的论文采用了失真校正技术的场效应管放大器（A MOSFET Power Amplifier with Error Correction）中有详细描述。个人感觉这篇文章理论结合实践，写得深入浅出，很值得一读。因为文件上传限制，我不能将这篇文章放上来，有兴趣的朋友可以去Bob的网站很容易找到。另一位前辈Nelson Pass （帕斯）也是垂直场管的支持者。在他的作品中IRF240/9240 ，IRF610/9610 ，这样的垂直场管的运用比比皆是。他的X600.5( 详见大功率才是王道，评PassLabs柏斯X600.5单声道后级功放) 就用了48 只IRF240/9240 。 他主张通过加大静态电流的方式解决Vgs-Ic 的非线性问题。这种方法往往要将静态电流调到200mA 以上。一般来说垂直场管的静态电流越大失真越低。所以Pass 的放大器很多都是甲类放大器，例如Pass-F5,Zen, Zen-V4, PLH ，X600.5 等。我认为其实THD 做到0.05% 就可以了。低于0.1% 的失真其实是听不出来的。其实更多的投入应该在音箱、和听音环境上。当然我也不反对那些最求极致者。因为失真更低的放大器往往其它方面的性能也较为优秀。因此这些优秀放大器和粗制滥造机器听感上还是有明显区别的。
图9就是依据以上原则设计的对称输入准互补输出放大器。因为这个放大器诞生在2013年的五一劳动节，我将其命名为JC2013Holiday（JC2013假日版）。从电路结构上说，JC2013假日版是对称输入+准互补输出。因为这个缘故这个放大器的另一个名字是SSA(Semi-SymetricalAmplifier半对称放大器)
file:///C:\DOCUME~1\Deng\LOCALS~1\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image014.jpg 制作测试摘要放大器的原型机是用洞洞完成的，组装过程和装好的板子见图14-16。经过测试，该电路在1MHz都能正常工作，并有和1KHz相近似的增益！如果选用FT高的管子，工作频率做到100MHz也不是问题。我上100KHz的时候电阻R10都烧到冒烟了，还能输出很漂亮的方波，赶紧调低输入信号，避免了一起灾难。
我实际尝试用了两种塑封和两种金封功率管，都是垂直场管。温度补偿用的C1815，温度稳定性很好。金封时静态电流调到250mA,输出+/-20V方波4欧姆负载下连续工作几个小时都很稳定。电阻散热器温度超过90度了。在4欧姆负载上并联3.3uF电容测试，方波波形没有改变。所以该电路不存在稳定性问题。
输入对管的温度差异要控制在很小范围。实际制作中应该将Q13和Q14两个管子紧贴在一起。这样温度变化给电路带来的负面影响可以相互抵消。这就是你看到图16照片里电路板两个输入管面对面安装紧贴在一起的原因。
由电路图可见这个放大器的输入和电压放大级完全对称设计，输出级是准互补。对输入级元器件对称性要求是比较高的。我第一块洞洞板的没有去刻意追求元件参数对称，结果做成后输出中点有近20mV的直流。第二块板管子都进行配对，中点电位降低到了6mV。目前观察到的情况是中点电位不会随温度显著变化。但是当输入音乐信号较强，使输出达到最大功率时候的中点电位有较大漂移。偶尔在削波时中点电位会超过1v。这主要是因为电源DC输出电压不够稳定，随负荷变化而变化的缘故。下一步工作我打算将电压放大级、推动级也与末级分开独立供电并进一步通过优化PCB布局布线减小反馈回路的阻抗，这样做以后中点在最大动态时应该也能稳定到几十mV以内。还有一个最大的优点就是开机不存在电流对喇叭冲击，开机时喇叭不发出任何声音，如果不开音源，我甚至不知道功放是否通电。
  
图14-16 放大器的原型机
图17 4欧姆负载，10KHz方波响应实测波形
图18 4欧姆负载，1KHz方波响应实测波形
图19 4欧姆负载，10Hz方波响应实测波形
图17 4欧姆负载，100KHz方波响应实测波形
JC2013假日版Hi-Fi放大器负载阻抗、输出功率、电源电压计算表
听音评价你可以不懂作曲或演奏，但你不能没有一对欣赏动听音乐的耳朵。试听这个电路，我用的是图画展览会（图25）、行星组曲（图26）、1812（图27）以及陈百强的梦里人（图28）。感觉最大的特点是背景干净、低频深沉 、动态凌厉。感到气势比之以前做的1969、JC2012、NPA140等都有增强，用了这个功放后我对Fostex的喇叭（见图29-30）的低频潜力有了进一步的认识。这对喇叭20Hz有70db的响应，我看不虚。
值得玩味的是末级采用配对好的场管，那么静态电流从几mA到一两百mA失真都很小。曾经调到0mA，竟然感觉失真也不大。这让我自己也觉得有些惊讶——难道我耳朵真的成了“木耳”么？其实不是。记得以前。做放大器用放大倍数相差几倍的管子，那失真就是非常明显的。而那样的放大器用示波器观察就会发现其输出正玄波在正负半周过度的地方有可见的变形。而那种失真在小功率输出时候就很明显。我猜测是不是这太功放的失真太小，即使用最小音量也听不出来，因为失真淹没在环境噪声一下了。后来换用耳机监听，就听出区别来了。
但是更加客观的听音评审应该有更多的听音者参与。因此，对这个电路的听音评审还没有真正开始。我期待喜欢DIY的朋友也来尝试一下JC2013假日版功放电路。相信你不但会从中会收获一份乐趣，而且还能得到一部Hi-Fi级别的放大器。
图29 Fostex喇叭
图30 Fostex喇叭
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发表于 2013-5-8 19:01
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