- 場(chǎng)效應(yīng)管在音響電路中的應(yīng)用
- 提升電壓補(bǔ)償MOS管的損耗
- 補(bǔ)償揚(yáng)聲器在低頻時(shí)阻抗驟跌
- MOSFET輸出級(jí)效率的提高
場(chǎng)效應(yīng)晶體管在音響數(shù)字化的今天應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。其原理、優(yōu)點(diǎn)和使用常識(shí)在一些工具書(shū)及報(bào)刊上已有不少論述，在此不再贅述。本文通過(guò)兩個(gè)容易被發(fā)燒友特別是初學(xué)者所忽略的要點(diǎn)來(lái)說(shuō)明場(chǎng)效應(yīng)管的合理應(yīng)用。目前，應(yīng)用于音響領(lǐng)域的場(chǎng)效應(yīng)管包括結(jié)型管(JFET)和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(MOsFET)，而后者又分為L(zhǎng)DMOS、VMOS及近年出現(xiàn)的UHC、IGBT等，并且至今仍在不斷發(fā)展與完善之中。
JFET缺少配對(duì)容差內(nèi)的互補(bǔ)管
當(dāng)今雙極晶體管制造工藝的成熟已使NPN與PNP互補(bǔ)三極管的配對(duì)誤差縮小到被廣大專(zhuān)業(yè)廠商和音響發(fā)燒友所能普遍接受的程度。相比之下，場(chǎng)效應(yīng)管的選配就困難得多，而作為放大器輸入級(jí)用管的JFET更是缺少符合要求的互補(bǔ)對(duì)(這是目前的制造水平所決定的)。附表列出了東芝公司的孿生場(chǎng)效應(yīng)管(DualFET)K389／Jl09的主要特性數(shù)據(jù)比較。由附表可知，K389與J109的差異有VCC和NF，其中C和C兩項(xiàng)數(shù)值，N溝與P溝的差值要達(dá)5倍之巨。筆者有一次購(gòu)買(mǎi)過(guò)8對(duì)K389／J109，但是在裝機(jī)前測(cè)試的結(jié)果卻頗令人失望：①所謂孿生管只是同一管殼內(nèi)的兩只管子性能一致，而同時(shí)購(gòu)買(mǎi)的8對(duì)管中N溝之間的差別頗大，N溝與P溝的差別更大；②K389與J109的Idss、gm及Vgs各不相同，實(shí)際的波形測(cè)試也不對(duì)稱(chēng)。
最后，筆者只能從K389中選出兩只誤差為3．8％的管子作為單邊差動(dòng)輸入級(jí)之用(以往選用雙極孿生管時(shí)總是不難把同極性管的誤差控制在1％，異極性管的配對(duì)誤差也不會(huì)大于3％)。通過(guò)以上的數(shù)據(jù)比較和實(shí)際測(cè)試可以得到如下啟示：JFET用于互補(bǔ)輸入級(jí)時(shí)，其V和I一的離散性會(huì)使電路的靜態(tài)工作點(diǎn)產(chǎn)生較大的偏移，從而令電路的穩(wěn)定性變差；gm、Cis,Cis的固有差異更影響著整個(gè)推挽級(jí)的上下波形對(duì)稱(chēng)和瞬態(tài)響應(yīng)速度等動(dòng)態(tài)指標(biāo)。關(guān)于這一點(diǎn)，國(guó)外的一些知名廠商其實(shí)早就形成共識(shí)，如天龍、馬蘭士等的產(chǎn)品中常可見(jiàn)到K389等做成的場(chǎng)效應(yīng)差動(dòng)輸入級(jí)，但總是難以見(jiàn)到J109的影子，也許K389／J109本來(lái)就是“拉郎配”。
與JFET相比，MOS管的耐壓、功耗和跨導(dǎo)等都容易做得較高。另外，放大器中除了輸入級(jí)以外的部分(如推動(dòng)級(jí)、輸出級(jí))，其互補(bǔ)配對(duì)要求可相對(duì)放寬，而且一些配對(duì)的缺陷也可通過(guò)電路的仔細(xì)設(shè)計(jì)加以克服。因此，MOS管在功放末級(jí)的應(yīng)用并無(wú)什么大礙。MOS管用于功放輸出級(jí)的問(wèn)題不在于互補(bǔ)配對(duì)，關(guān)鍵是效率低。
MOSFET輸出極效率較低
MOS管輸出級(jí)的損耗比雙極晶體管大是眾所周知的。通常在相同的電路下，為了取得與雙極管一樣的輸出功率，采用的方法是將電源電壓升高±5V，以補(bǔ)償MOS管的損耗。然而，實(shí)際制作證明其遠(yuǎn)不止這么簡(jiǎn)單。
音響常用場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)如下表：
從附表中可以了解到幾種頗具代表性的MOS管的主要特性數(shù)據(jù)?，F(xiàn)以日立公司的老牌LDMOS管K135／J50為例加以說(shuō)明。K135／J50的柵一源開(kāi)啟電壓閾值為一0．15～一1．45V。實(shí)測(cè)當(dāng)Io=10mA時(shí)VO．25V，而當(dāng)I~=100mA典型值時(shí)V增加到0,6～0、85V。可見(jiàn)場(chǎng)效應(yīng)管的壓控特性決定了柵一源損耗電壓是隨漏極電流I增大而上升的(相對(duì)于這一點(diǎn)，雙極晶體管的V幾乎恒為0．7V)。MOS管的內(nèi)部損耗主要取決于漏源導(dǎo)通電阻R、的大小。K135／J50的參數(shù)中沒(méi)有直接給出RDs1這一項(xiàng)，但是通過(guò)漏源導(dǎo)通電壓VDs(sat)：12V和ID7A兩個(gè)數(shù)據(jù)，利用公式RDs(oN)=UDs)／ID可計(jì)算出K135／J50的R、約為1．7Q。這相當(dāng)于把一個(gè)1．7Q的電阻與負(fù)載串聯(lián)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的8Q負(fù)載而言其損失的功率已接近20％。
如果考慮到揚(yáng)聲器在低頻時(shí)阻抗驟跌及場(chǎng)效應(yīng)管的負(fù)溫度電壓一電流特性(即溫度上升時(shí)電流下降，也就是這時(shí)R增大)，那么MOS管的實(shí)際內(nèi)部損耗將更大。相比之下，雙極晶體管的情況就大不相同。例如，東芝的A1265／C3182，當(dāng)Ic=7A時(shí)V、=2V。如果輸出為二級(jí)射隨器，那么加上末前級(jí)的損耗(<1V)，總的V。(sat)<3V。這與K135／J50的VDs(sat)=12V相比，孰優(yōu)孰劣自然不言而喻。
NOS功車(chē)管的線住輸出電流
如前所述，在相同的電路條件下僅將電源電壓增加±5V左右并不能使MOS功率輸出級(jí)獲得與雙極管等同的功率。我們往往對(duì)MOS管實(shí)際工作時(shí)的動(dòng)態(tài)損耗估計(jì)不足。設(shè)一個(gè)100W的后級(jí)，當(dāng)負(fù)載為8歐姆時(shí)，對(duì)雙極管而言電源電壓為V_Gc(8P。×RL)+2×[VcE(sat)+I()×RE 如這時(shí)的IcM=5A、vc。1．5V、RE=0．22Q，那么VC85．2V(±43V)。對(duì)MOS管而言，同樣可以算出V?=99．2V(±50V)。當(dāng)然，這是理論上的且是最大功率下的值，實(shí)際中使用非穩(wěn)壓電源時(shí)的空載電壓顯然還要高。
事實(shí)上，100W／8Q雙極晶體管功放的交流二次側(cè)供電值大約是AC33V×2。當(dāng)按通常作法用AC38V×2為MOS功放供電時(shí)P只能達(dá)到70～80W，而且日立MOS管的高R是依靠功放NFB網(wǎng)絡(luò)來(lái)改善總體內(nèi)阻的，因此實(shí)際大輸出時(shí)的聽(tīng)感缺乏力度(當(dāng)功放設(shè)計(jì)為無(wú)反饋時(shí)更加不妙)。于是便產(chǎn)生了對(duì)MOS管的種種誤解，如MOS管大電流時(shí)線性不佳就是其中之一。
其實(shí)與雙極晶體管相比，MOS管除了高頻特性?xún)?yōu)良、失真以偶次諧波為主外，由于無(wú)二次擊穿現(xiàn)象，因此日立公司給出K135／J50等MOS管的應(yīng)用電流可接近推薦的極限。VMOS管的線性電流可達(dá)數(shù)十安培，UHC—MOS管的脈沖電流更是高達(dá)300A以上。那么MOS音響管為什么會(huì)被誤解為大電流線性差呢?其根本原因還是對(duì)MOS管內(nèi)阻所引起的功率損耗沒(méi)有足夠的認(rèn)識(shí)以及相應(yīng)的對(duì)策。VMOS、UHC-MOS管的內(nèi)阻雖然很小，但是大電流下的V卻高達(dá)5V以上，所以同樣應(yīng)予以重視。
MOSFET輸出級(jí)效率的提高
MOS功率輸出級(jí)的損耗總是比雙極晶體管的大，這是其固有特性所決定的。這里所說(shuō)的提高其實(shí)應(yīng)該是如何減少M(fèi)OSFET輸出級(jí)的功率損耗。
①如要在同等電路下取得與雙極晶體管相同的輸出功率，那么MOS輸出級(jí)的電源電壓應(yīng)比用雙極管時(shí)高±10V以上。當(dāng)要減少M(fèi)OS管損耗時(shí)，可采取電壓級(jí)與電流級(jí)分別供電的方式。這時(shí)，電流級(jí)和電壓級(jí)分Nl：k,雙極管輸出級(jí)高±5V和±10V。
②運(yùn)用多管并聯(lián)輸出級(jí)。多管并聯(lián)是為了降低MOS功率管的等效通態(tài)電阻，而不是所謂的為了改善MOS管大電流線性不佳。多個(gè)MOS管并聯(lián)除了能增加電流驅(qū)動(dòng)力外，還可大大減少功率損失，并且改善開(kāi)環(huán)內(nèi)當(dāng)K135／J504組并聯(lián)時(shí)，等效內(nèi)阻降為單管的1／4即0．4Q以下，對(duì)8歐負(fù)載功率損耗也相應(yīng)地由20％減至5％)。另外，MOS管的并聯(lián)參數(shù)誤差可比雙極管適當(dāng)放寬，即并聯(lián)管誤差稍大也不至于使聽(tīng)感變劣。
③采用共源輸出級(jí)，即雙極管的集電極輸出形式。該輸出方式對(duì)VMOS管更為適用，這是因?yàn)閂MOS管的電流大、內(nèi)阻小，電路設(shè)計(jì)合理時(shí)可兼顧良好的效率、很低的失真和低輸出阻抗。這時(shí)的電源電壓只要比雙極管電路高±3～±5V即可。
筆者用運(yùn)放OPA604~DVMOS管IRF540／9540~1作了一個(gè)共源輸出級(jí)放大器，規(guī)格是v為±40V，Po為60W／8Q、100W／4Q。實(shí)際的試聽(tīng)效果表明其驅(qū)動(dòng)力不弱，發(fā)熱量也不見(jiàn)得比雙極管大。作為音響發(fā)燒友，筆者當(dāng)然希望能在不久的將來(lái)用上全面達(dá)到當(dāng)今雙極管配對(duì)要求甚至超越雙極管的互~+FET、耐高壓的UHC-MOS互補(bǔ)功率管。這對(duì)于瞬息萬(wàn)變的今天來(lái)說(shuō)不是什么幻想，但有一點(diǎn)，希望到時(shí)候那些“補(bǔ)品”的價(jià)格不要太高了。
