目前產生放大作用的主動元件,不外有真空管、電晶體及FET三種,早前在音響上的使用以真空管最普遍,現在則以電晶體佔絕大多數,而你也會經常發現FET運用在低頻放大的前級,或在調諧器的說明書經常會有FET前端部份等字眼,FET的高阻抗輸入、低噪聲、低失真特性帶給前端唱頭、麥克風和調諧器的放大級,增家很大得改進,但是FET一直停留在小訊號及高週波放大上,並沒有用在功率的輸出放大上,這是由於以往FET的輸出電力條件不夠充分,不能達成耐高壓、大電流的程度,因此遇到高消耗功率的線路,FET只好捨棄不用。但近來由於晶體製造科技的發展,由日本SONY及YAMAHA公司極力推展FET之下,才將以上這些種種製造技術的困難加以解決,使之得以實用。
新開發成功的電力用FET,係採用垂直場效應晶體管(Vertical FET)或簡稱 V-FET,最近已有好些高級音響常常標榜所謂V-FET垂直式場效應晶體擴大機的出現,宣稱他們新穎的固態設計,是將真空管與電晶體的優點集於一身,同時他們在產品上所列的優點不外包括: (1)電壓控制優於電流控制。(2)極短的方波上升和下降時間(即脈衝響應極佳)。(3)高輸入和低輸出阻抗特性。(4)結構為單一載流子(單極晶體)僅有電子或僅有電洞,故工作過程中無「儲積時間」的相位延遲,可避免回授時所產生之高頻振盪。(5)一般晶體之工作溫度超過臨界溫度時,功率輸出減低,且易於燒毀,V-FET為負溫度特性,與一般晶體相反; 因此V-FET即使溫度高到發燙時,仍能繼續正常工作,無燒毀之虞。(6)工作點趨向A類放大,失真率較低。以上這些說明到底是怎麼回事?如果不加以解釋恐怕難於明白,為使讀者了解起見,以下我們將一一提出來給予說明。
V-FET 的衍生
其實V-FET的基本理論,早在一九六四年首先由法國人S. Teszener氏發表出來,後來延至一九六九年由日本Tohoku大學研究所的西澤潤一教授加以研究,發明出第一個V-FET的成型樣本,FET的特殊製造法即根據此而製定,從此,日本廠家便致力於V-FET元件的發展,直至一九七三年十月間由日本Sony公司終於完成V-FET的獨特製造法,並在該公司所生產的擴大機中首次運用,使音頻放大在技術上又進入另一個新的歷程,而V-FET實際上特性較近於真空管,有其獨特的性能,因此日本電氣公司(NEC)也參入製造V-FET的行列,連同Sony公司提供JVC、Toshiba、Pioneer、Kenwood及Matushita等公司V-FET元件,目前製造出來的功率V-FET有TO-3的功率晶體包裝,(參閱照片一)和TO-39型,另外運用在高週波上的則以陶瓷包裝,通常這些電利用FET大都可運用在25W、2A的狀況下工作,而目前有些公司出品的V-FET擴大機,用3個N通道和3個P通道V-FET的設計,使得每聲道的輸出已能達到100瓦的高功率輸出(8Ω負載時),所以相信在不久的將來,更高額定消耗功率的V-FET就會源源不斷而出。
V-FET 的構造
製造V-FET的技術是先由瞭解MOS和雙極性電晶體(Bipolar Transistor)的製造過程而發展出來的,首先是對通道(Channel)和源極區域(Source region)進行擴散(diffusion),其方法就類似對雙極電晶體的基極及射極進行擴散一樣,然後在通道和源極區域蝕刻(etch)出一V型槽結構,接著在V型槽內必須成長一層Si O2的氧化層,負加上一層金屬鋁作為閘極(GATE),其構造可完全對照圖一所示,
由圖的斷面可知,V-FET總共由n+、p、n-和n+四個層面採垂直結購所組成,臨界面都經過精密的擴散過程處理,而傳統的FET採用橫向結購,係由n+、p和n+三個區域所組成,並由圖一顯示,V-FET藉以改變所施於柵狀閘極層的激勵電壓,使電流的大小得以變化,載流子的移動恰好發生於垂直方向,垂直通過V-FET的四個層面(n+、p、n-和n+)與傳統的FET載流子的水平方向移動剛好相反,
圖二顯示傳統FET的結購和工作方式,她的電流是橫向流動的,因此電流受到侷限性的影響; 而V-FET具有高電流密度的特性,部份是由於短的通道空間所造成,大約只有1.5微米,而傳統的FET卻有5維米左右,除此,由於單一閘極(Single gate finger)內有兩個電流徑路,所以電流流量可以大增,還有其他的因素,主要的就是由於洩極裝置在基片(Chip)的背面,因而充分有效地運用到矽晶體的面積,這也是造成高電流流通的主因。由圖所示,N通道V-FET的離子化閘極P是擴散在n+和n-區上,如將N和P區域互調就成為P通道的V-FET,這也就是P通道和N通道FET不同的地方。
V-FET 的特性
我們知道一般電晶體都以電流控制少數載流子來工作的,由此導致的缺點,即對被傳輸的訊號產生一種失真或延遲的作用,這是由於一般電晶體內物理學的有限儲積期所引起的儲積效應所致,儲積效應降低了高頻輸出功率,增加了高頻失真率,所以它是我們所要消除的對象之一。
由圖三我們可以看出一般電晶體的方波響應,二道波形中,上圖代表訊號輸入,而下圖是訊號輸出,當輸入訊號達到0值狀態時,輸出訊號還停留一段時間,造成明顯得落後延遲,這段落後時間就是指儲積電荷所造成的效應。但應用V槽型結構製成的FET,係為電壓控制多數主載流子(Majority Carrer)的裝置,它具有單方向的帶電體流動特性,所以電荷儲積在V-FET中並不顯著,也就不會發生儲積問題,由此而產生的訊號失真或延遲現象亦不會出現,所以它優良的暫態響應和一直延伸至超音波範圍的功率頻寬是它主要的特徵之一。
圖四顯示改用V-FET後的方波響應,當上圖輸入訊號趨於0值之同時,幾乎輸出訊號也立即達到0值,由比較圖三和圖四我們即可顯見它們之間的不同。
此外,製造V-FET時,由於額外加入了n區域,使得V-FET具有高崩潰電壓和低回授容量的特性,主要在於這個區域所滲入的雜質濃度很低,通道和洩極的空乏區域(depletion region)可以擴展至源極,從而降低了接面上的峯值電場,將崩潰電壓提高,同時空乏區域的緩衝效應(The Buffering Effect)亦將V-FET的閘極至洩極電容降低; 因此,造成V-FET另一個特性,為洩極電流閘極電壓之間存有一種線性的關係,一般傳統的FET其洩極和閘極電壓具有平方律(Square-Law)的函數,即洩極電流是比率於閘極電壓的平方,然而在V-FET則採用長度較短的通道,這種改進促使載流子迅速飽和,使得洩即電流和閘極電壓關係較線性化,這種特性可參閱圖五所繪出的曲線。
既然V-FET比電晶體的特性還要線性,所以當V-FET做A類或AB類推挽放大時,V-FET帶來的高次奇數諧波失真比電晶體來得小,所以將此特性運用在功率擴大機上就具有優點了。雖然一般電晶體輸出端可提供深度的負回授已降低失真,但是具有像V-FET這種特性的裝置,不需要回授即能在失真方面比雙極性電晶體強得多,由圖六(A)及(B)的波形所示,我們可以比較由晶體管所構成的擴大機和由V-FET所構成的擴大機之間,在都沒有回授的情況下,比較其諧波失真頻譜,圖六(A)所顯示出來的為電晶體擴大機所造成的失真,三次諧波以後的失真仍是很大,造成重播時刺耳的音調。反過來採用FET情況就好了,如圖六(B)所示,第5次諧波以後的失真就微不足道了。
V-FET 在音頻電力上的運用
最近幾年來,Hi-Fi在進展中最令人感到興趣的,也許就是V-FET運用在基本功率擴大機上的新電路設計了。
一般V-FET所製成的功率擴大機,基本方塊結構圖可用圖七的方式表達出來,仍脫離不了傳統的電路結構,但設計方式將有所不同,由於V-FET受電壓控制,一般情況下V-FET向著非導電區域激勵,雙極電晶體則向導電區域激勵,由此可知雙極電晶體在沒有基極偏壓時是不導通的──在OFF狀況,而V-FET在沒有閘極電壓時是導通的──在ON狀況,所以V-FET必須往截流方向偏壓,才能使它在適當的工作點上操作,所以一般V-FET構成的互補源極輸出電路中,在P通道型V-FET的閘極,便因被施以正性的激勵電壓,比較典型的輸出線路圖請參見圖八所示。
該線路為毎聲道80W的擴大機,採用了6個VMP12作推挽式的放大,總諧波失真小於0.04%,而一般雙極電晶體要達到這樣的程度,則需要採用40dB的負回授才可。其失真情況可參考圖八上方THD對頻率失真曲線圖。同時對於不同的閉路(Closed Loop)和開路(Open Loop)試驗,或者有無高頻濾波(RF Filter)作用,也針對它的失真程度作了比較,這種比較仍可從圖八看出來。
此外,V-FET功率放大時,可工作於較大的靜止電流(通常有400~500mA值),在雙極電晶體的情況下,由於它是有正的溫度係數,所以熱穩定度相當糟,不容易在較大的靜止電流下操作; V-FET具有負的溫度係數(Negative Temperature Coeffcient),這種元件沒有熱穩定度問題,因此就是當工作溫度劇烈增加時,流過V-FET的電流也是微小的,所以V-FET作為功率擴大機的好處,就是它在本身自然有限制洩極電流的保護作用,可免除因二次崩潰(Secondary Breakdown)和熱奔逸(Thermal Runaway)所產生的損害。
V-FET雖然為固態晶體的一種,但它的特性與三極真空管相近,與一般電晶體比較,根據測試所知由V-FET構成的擴大機其輸出阻抗比一般晶體擴大機低,即在實際的電路構成中,輸出阻抗約可低至0.04Ω的程度,而通常以1KHz的訊號輸入,負載8Ω時,所測得的阻尼因數可達於200以上。這樣低的輸出阻抗運用於驅動阻抗隨頻率而變化的揚聲系統,則饋送到揚聲系統上的電壓將接近於定電壓驅動的狀況,通常雙極性電晶體擴大機要想達到這個程度就必須充分的利用負回授來達成,而V-FET不用深度回授即能工作情況良好。
還有V-FET的轉移特性很好,從400mA~2A都呈線性輸出,它不僅在大功率輸出,而且在小功率輸出時,它的非線性失真率遠比雙極電晶體後級擴大機來得小,這是線性擴大機必備的條件,它帶來的種種優點,使得音響工程師在設計線路時更能匠心獨運,不必受到太多的困擾及不便。
V-FET 的特殊運用
這種特殊的運用在音頻功率放大及開關電路中幾乎是相同的,例如耐1A電流的V-FET必須運用在有2A電流流通的電路裡,此時可把兩個或兩個以上1A的V-FET並聯使用達成,其接法可參考圖九,
圖九顯示三個V-FET並接的線路,三個單一的2A晶體並聯運用不需加接任何其他零件,即可達6A耐流的目的,運用時不必考慮特性匹配問題,也不需採取任何防範措施,即可保證負載電流平均分配於各個V-FET,因為V-FET的負溫度係數特性,即能有效地達成限流作用,反之,雙極電晶體當溫度上升時其內阻隨之降低,因此並聯運用時,溫度最高的晶體也是電流分配率最大的一個,由於連鎖效應的作用,結果必使晶體因Thermal Runaway燒毀。
當工作電壓高於單一晶體所能承受的最高電壓時,同樣地可以把數個功率FET串接起來運用,這樣的運用例可參考圖十所示,
圖中將兩個VMP 1串聯在一起,即提高了原有VMP 1所承受的耐壓數值。
V-FET 在其他方面的應用
寄然V-FET比傳統FET更具高崩潰電壓,高電流容量同時亦能運用在高頻率運用,顯然V-FET在其他方面的應用亦將更為優越,V-FET在固態開關(SolidStae Switching)用途方面,可以在4nS秒內開關1A的電流,她的開關速度是同樣規格的達靈頓雙極性電晶體的200倍,同時由於V-FET在0V輸入時會使它截流(turn off,洩極電流低於0.5uA)但當閘極電壓為10V時,即將會有1A的洩極──源極電流(IDS)出現,此時導通電阻(YDS)約為2Ω,一般對於雙極性電晶體而言,要想在1uS內導通,則至少需要有200mA的電流來推動,而如欲截流時,則必須使用負壓來使它迅速動作。但V-FET就不同,由於它具有非常高的輸入阻抗,所以當作開關用途時,只要數uA的驅動電流來對輸入電容(約40pF)充電,即可使它在1uS內動作。同時利用V-FET來取代雙極性電晶體開關電路,也大大降低了零件使用數量,因此線路的可靠性也相對提高。
此外,把V-FET運用在高頻帶功率輸出方面也很普遍,由於V-FET在製造時,採用比較厚的二氧化矽(Si O2)膜,作為閘極──源極層的分隔,所以V-FET具有很小的輸入電容,輸入阻抗較高,同時訊號源的內阻也可以提高,由這些特性的影響,使V-FET的工作頻率可以高達75KHz,而小訊號放大的V-FET工作頻率幾可達20MHz左右,例如VMP4就是用在於高頻方面的V-FET,把它運用在如圖十一的寬頻帶VHF放大器中,將產生15dB的功率增益,頻率響應從40~180MHz都維持很平直的輸出,上下在±1dB範圍內,要達到同等的性能,這是一般電晶體無法媲美的。
同時該線路在50歐姆的負載下,可供給10~12W的功率輸出(其輸出大小由輸入大小控制),其間的關係並在圖十二表示出來,雖然該曲線是在160MHz工作頻率下繪出來的,但實際上它亦是任何高頻寬頻帶放大器的標準形式。
V-FET 的展望
V-FET用在各方面的優點固然很多,可以取代許多原有的雙極性電晶體電路,同時我們也會發限V-FET在實際運用上,將帶給我們無限的便利和滿足,但我們不能武斷的說,凡是使用V-FET的擴大機全都是優秀的,主要在擴大的主動元件特性好、設計優良才是最好,由這一觀點上看來,V-FET本身特性優秀,如再在電路設計上求改進,製造成本再降低,相信V-FET擴大機的前途是有展望的。
(選材自Electronics/June 24, 1976)
轉載音響技術第19期 JULY. 1977 V-FET 應用在電力輸出級的主動元件/丁 琳
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