MOS FET 60W 後級實作 @ 老音響資料庫/蘇桑部落格

　　音響技術於83期刊出筆者所譯之MOSFET 60W後級放大器時,音技的標題曾加上「包君滿意」四字,似乎已對此後級的效果打下包票。的確,整體電路結構,除了輸出級為MOSFET功率晶體外,不管差動級、驅動級或偏壓方式都是時下流行且相當熟悉的架構,實作性絕對不難,故筆者以原圖之PC板製作成了二聲道,發現效果極佳,值得推廣。

線路分析

　　真正的實作不應是按圖施工,除非有十足的信心一裝即成,所以先對電路的全盤結構與工作方式作了解,可使裝製後萬一有毛病時能有判斷問題的能力。圖一為電路全圖,注意!R9與R20不應與輸入端之地線連接!此乃原圖之誤,筆者不審仍然照COPY,如有人按原圖重新設計PC板而沒成功者,特此致歉!

A: 差動級部分

　　幾乎(可以說全部)所有的DC放大器,均以差動電路作為輸入級,主要的優點其一就是差動電路是非常好的限制器,能自動地鎖定中點電壓,其二就是對雜訊的抑制能力。標準電路如圖二所示,Re為共射極電阻,除提供Q1 Q2工作電流外,電路的「共模排斥比CMRR」也可隨Re的增加而提高,所以Re理想值為無限大。但應用上無法隨心所欲的加大,因Re加大其上的DC壓降增加,那射極電壓VEE就必須提高,此點在實際電路內不易做到;解決的辦法是以電晶體恆流源來取代Re的功能,如圖三所示,不但能提供Q1 Q2一穩定之工作電流,且雖R3只有幾K或幾百Ω,而Re的等效值卻可達幾百K以上而不需提高VEE電壓。以本機而言,工作電流為2mA,穩壓二極體D1不一定需1.2V或4.7V,只要適當地改變R10值,工作電流可保持不變,假如手上有3.3V之Zener,則R10=(Vz-VBE(Q3)/Io(2mA))=3.3-0.6)/2mA=1350Ω。

　　R7與R8的加入可增加Q1與Q2的線性範圍及輸入阻抗,其值不可太高,否則會減低差動級的增益,一般合理值為50~100Ω。

B: 電流驅動部分

　　Q7 Q9為射極隨耦器,Q8 Q10為共基極(C B)架構,將差動級的兩個輸出轉換成單端輸出,至於驅動電流如何獲得,83期文內已有詳細解說(83期文內所繪等校電路圖四音技弄錯了,應如本文圖四才對)。可得R5 R6與驅動電流I2的關係為R5/R6=(I2+I0/2,I0=2mA,故R5/R6=I2+1。

　　由上式可知驅動電流I2與所加電壓無關,只要R5與R6不變,I2可保持穩定,不過由於偏壓的關係,Q8與Q10的集極電壓會比供應的電壓低2.8V以上,也就是說電壓擺幅(Vp-p)會被吃掉±2.8V,所以最理想的方式,可用兩組電源分別供應電壓級與輸出級(電壓級高出±5V DC),不過為了成本問題,還是採用原圖方式以R28 C9濾波電路擔任反交連來共用同一電源。

C: 偏壓部份

　　日立公司所提供的MOSFET偏壓方法如圖五所示,以一只可調電阻即可,但是MOSFET之輸入阻抗極高,可說驅動電流都流過電阻P,以本機而言為30mA,這麼大的電流流過電阻P,其壽命絕對不會很長,容易接觸不良和碳粉變質產生雜訊,所以本機採用了電晶體的偏壓方式,讓晶體去吃電流好了。半可調電阻P(500Ω)使用金屬皮膜型。原圖R27為220Ω,但靜態電流調整範圍不寬,最低只能調到120mA左右。Q11 hfe之值在100以上,Ic有100mA即可。

D: 電壓增益部份

　　全機交流增益 G=(R22//R23+R21)/R21=21倍或26.4dB,本機額定功率60W,Vp-p值應有±31V,所以21倍的增益稍嫌過低,一般而言前級輸出1Vp-p時就能使後級達滿額輸出,故將R23改為3.48K,使增益提高至G=(22Kx3.48K+0.1K)/0.1K=31倍或29.8dB,較符合實際需要。

零件選擇

A: 晶體

　　電壓級部份包括Q7與Q9可採用MPS 8099(NPN)與MPS 8599(PNP)或BC 546B(NPN)與BC 556B(PNP),兩者之hfe與耐壓值都能滿足需要,不過BC546與BC556B之hfe值較前者高些,為簡化起見,Q1~Q6及Q7 Q9全部使用BC 546B/BC 556B。Q8與Q9為中功率晶體,使用2SC2238與2SA968,耐壓160V、Ic 1.5A、fT:100MHz,與RET 75W後級相同,由於驅動電流高達30mA,此兩只驅動晶體必須裝上散熱片。

B: 電阻與電容

　　所有電阻都用金屬皮膜電阻,其阻值均易購得。C1與C5使用無極性為佳,不過價錢可不低且體積也太大

,比算比算,C1以兩只10uF鉭質電容極性相反串聯,C5以兩只1000uF普通極性電容相反串聯取代,原PC板上已預留了位置,甚為方便,C2使用PS質,其他小電容則勿須要求嚴格。

組裝

　　按一般步驟,先裝電阻電容,謹慎起見還是以電表逐一檢查後再裝,尤其是電晶體更是非量不可。建議先裝可變電阻P而後以電表量取兩端阻值將其調至最低(零歐姆)。輸出級以前部份依一般要領行之應該就沒什麼問題了,最重要的是MOSFET功率晶體,因其輸入阻抗極高,可不能像一般雙極性晶體一樣可亂摸亂碰,尤其是閘極,可能因人體所帶之靜電而將之燒毀。將MOSFET固定在散熱片上時,建議先把鞋子脫掉,光著腳踩在地板上,正常MOSFET的包裝應插在導電海綿上,不然閘、洩極也應套上保護環。首先將保護環拔掉,抓住MOSFET鐵殼部份,而後塞進散熱片的PIN孔內,用另一隻手再把保護環套上,注意先套洩極後套閘極。再用螺絲將MOSFET固定,當然別忘了先墊上雲母片與塗上散熱油,如此MOSFET應該就沒有什麼問題了,這時可以把鞋子穿上了。MOSFET詳細接腳如圖六,G D S接線須以三種不同顏色區分,R33與R34直接和在閘極上,再以熱縮套管包死,由PC板至MOSFET之連線需安排整齊而且接線愈短愈佳,最好不超過10公分,尤其閘極連線能在5公分以內更好。

連線接好後,將保護還剪斷拿掉。C12一端焊在Q12之洩極上,在Q12附近另打一個洞,將C12另一端鎖上。最好以電表最高檔(x10K)檢查MOSFET與散熱片是否絕緣良好。電感L以原文方法將漆包線直接繞在R31上,注意原PC板有3個地方需以跳線連接。如欲重繪PC板,可將R31、L、R32與C11移至喇叭輸出端子上,以節省空間。

　　電源部分,綠波電容為兩只15600uF/75V與巨型橋式整流器(電流20A),均為舊貨,接線如圖七,因電容容量很大,開機之瞬間電流很高,所以變壓器初級之保險絲將之換成3A,次級為36-0-36,可得DC±51V,一切就緒後,依音技所提供的方法,正負電壓先串上33Ω之限流電阻接到PC板上,以數位電表量取33Ω上之電壓,調整P使得電壓為4.96V,即可得全機之靜態電流150mA。

接上保險絲F1與F2,得兩聲道之中點電壓各為17.5mV與18mV,相當理想(差動級晶體均購自佑昇,號稱電腦匹配過,可見沒騙人)。筆者亦發現,本機之靜態電流極穩定,只要一開機馬上就達設定值,長時間的開機也不會改變,不像一般雙極性晶體後級,開機時總會比設定值低些,然後再隨時間的增加而上升,此乃MOSFET發揮負溫度效應的成果。