本刊72期曾介紹了一個以RET為功率晶體的後級放大器,引起了讀者相當熱烈的迴響。無疑地,RET堪稱是目前相當理想的放大元件,到底它較一般傳統TR有哪些優點呢?本文將就比較理論性的方面加以探討和介紹,讀者可藉以與實際的使用經驗加以驗證。
RET問世已有數年的歷史了,它是以射極的物理結構形狀而得名(RET=Ring Emitter Transistor,環形射極電晶體),其最大特點在於hFE值對Ic的變化,以及hFE值在高頻率動作下,都呈現極佳的線性,換句話說,它當使用在Ic變化很大的情況下也會引起hFE的大幅變化;在高頻率下動作hFE也不會減小。目前多種類似RET的構造而性能相近的電晶體,逐漸由日本各大半導體製造廠發展生產出來,並且以大量使用在音響放大器中,然而RET已經成為這類電晶體的通稱了。
音響工程師們多年來研究的結果,皆認為,要使擴大機的高頻響應獲得改善,唯有徹底改良功率電晶體的特性才能辦到,而其中影響擴大機高頻特性最大的是電晶體的fr(Transition Frequency),由於現代的音響放大器之頻率響應往往要求高達數百KHz,則所使用的電晶體(包括小訊號及功率晶體)之fr就要有30MHz才行,所以後級放大器要有真正高的傳真度,採用高fr電晶體是必要的條件之一。
到底RET在結構上有什麼奧秘,使得它成為一個理想的放大元件?眾所週知,小訊號電晶體的動作電流較小,可以製成高fT、開關速度快的特性,放大的線性範圍也較寬。而功率晶體往往因為要流過大電流而不得不犧牲速度方面的特性(半導體的固有特性使然),使得頻率響應難以伸延。RET的構成是為解決這項矛盾,以百枚以上的小訊號電晶體在製造程序中即予倂聯在同一晶片上,它既能保有小訊號晶體的高截止頻率,也能流通較大的電流。當然這與使用相同數量的獨立電晶體來併聯的效果是不同的(即使是相同,在體積上也不成比例),因為數以百計的半導體零件做在同一晶片上,不但彼此之間的特性會很相近,也能取得一致的溫度特性,這是獨立元件難以達成的。日本FUJITSU公司所製的RET構造如圖一所示,
這是晶片的一小部分之平面圖,它的集電極是一整塊的晶片,在這塊晶片上擴散出一個個的B極區和E極區(由於它的圓形構造而得名),每一個B極都相接在一起,而每個射極則是經電阻而相接的,其等效電路如圖二所示,射極電阻的加入是要使每個電晶體的IE平均化,而這個電阻更具有微量電流負回授的作用,使得失真更低而線性更佳。
TOSHIBA公司所製的RET結構如圖三所示,這是該公司所製的兩種RET中的一種,稱為「三重擴散型RET」。傳統電晶體的fT與耐壓是成反比關係,而三重擴散型可以在這方面獲得改善。從剖面圖所見位於P型埋層中有兩個N+的小塊稱為EGR(ter Guard Ring,射極防護環),它的作用除了增加其耐壓之外,還能增加基極的內阻,而三重擴散型製造法本身就具有高的集極內阻之特性,這兩個內阻的增加相當於電晶體本身具有自己限流的作用,使得IB-IC特性曲線群呈現較水平的傾向,這也就是它的hFE線性較佳的原因之一。此種構造的fT大約是20MHz左右。
東芝的另一種RET在構造上又有所改進,稱為Epitaxial型,結構如圖四所示,每個電晶體單元呈長方形,各電晶體間再以條狀半導體電極相連接,在剖面圖中可以看出每一個電晶體的射極電極到射極導體間都有一個電阻,此電阻稱為Balast電阻,較一般更趨一致,使密切關係著放大器失真的hFE線性獲得改善,而且fT也更能提高(NPN型可達60MHz,PNP型亦可達45MHz)在音頻放大器中能對高頻、高速訊號應付自如了。
功率放大器的高頻特性之關鍵
後級放大器動作在20KHz以上的頻率時,往往由於功率晶體的fT不夠高,引起熱走脫(Thermal Runawag)現象,大量電荷由於速度不足而聚集在電晶體內的PN接面附近,破壞了電晶體(這也就是為什麼後級放大器一起高頻振盪就燒電晶體的原因)。電晶體的fT與功率放大器的高頻特性之間有很密切的關係,以下將說明一些實驗的結果,圖五說明以不同fT大小的電晶體來放大1KHz與100KHz,其兩者之Icc變化量之比,在電晶體的fT高達50MHz(PNP)及70MHz(NPN)時,頻率從1KHz變至100KHz之下,Icc的變化才降為1.09倍,以低fT電晶體來動作時,竟會高達2.8倍。
圖六則說明欲放大某頻段的訊號時,在該頻段最高頻率下滿功率輸出時,若欲避免熱走脫現象之產生,功率晶體的fT值應在何值以上。
圖七則綜合了圖五和圖六的結果所繪成的曲線,縱軸是Icc值得大小,橫軸則是信號頻率,以A、B、C、D四種不同fT值的電晶體來試驗,從圖中的曲線可知一個現象,即當使用的功率電晶體之fT較小時,它在放大高頻訊號時會使Icc增加得很快,因而引起燒毀的現象。
fT不夠高的功率電晶體,在進行AB類或B類功率放大時,也會因而引起波形的失真,圖八說明了THD與功率晶體之fT間的關係,訊號頻率的升高固然會引起較大的失真,但只要晶體的fT夠高,失真成分是可以減低的。
圖九是放大電路中的實測波形,測試條件是Po=40W,R=8Ω,f=50KHz,圖九(a)的波形是功率電晶體的射極電流波形,下方為失真波形,圖中可見使用fT為5.3MHz(NPN)及7.8MHz(PNP)的功率晶體也難免引起Switching失真,圖九(b)則改用高達77/50MHz的晶體時失真率才降低一半。
應用電路範例
RET雖以fT很高為其主要特性之一,但此項優點必須仰賴正確的電路設計才能發揮,眾所週知,一個寬頻帶放大器如果負回授電路及頻率補償電路的相位處理不當,很容易引起高頻振盪,雖然RET不易因高頻振盪而燒毀,但卻不能使它的特長發揮殆盡,因此以適當的元件來配合RET,並且電路架構上也要盡量避免相移太大,才能成為一部優質的後級放大器。
圖十所示是一個200W的後級放大器,輸入採用FET的差動級,並且接成串疊放大電路,直流OFF-SET的調整加在非反相輸入端,與一般設置在射極電阻上的方式大異其趣。第二級電壓放大器亦是差動放大架構,並以恆流電路方式做動態負載同時產生靜態時所需的偏流大小。推動級為達靈頓A類推動法,以推動併聯的三個功率晶體,換句話說,輸出級的每一邊相當於使用了三百個小訊號電晶體相併聯的接法。全電路的性能亦列於下方可供參考。
結 語
半導體技術上的進步可謂一日千里,雖然新發展出的元件可能只再觀念上的變革(技術上的進步只成為實現該觀念的踏腳石),但每一個技術人相信都對新的元件感興趣,事實上許多新的東西從實際的接觸去了解,比先從理論再進入實際要容易多了。面對一日千里的電子技術,只要開始追總比停留觀望好吧!
轉載音響技術第76期APR. 1982 RET電晶體的理論與應用/莊 仲
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