纯甲类晶体管与电子管功放对比，晶体管单端甲类功放电路

1. 原因

20世纪80年代初期，晶体管功放完全取代了电子管功放，掀起了前所未有的DIY音频放大器热潮，当时有一本名为《音响技术》的杂志将这一趋势推向了顶峰。说到DIY音响，即使你没有能力，也需要找人给你设置一下，才能成为潮流。

那时我还不知道什么是晶体管，什么是欧姆定律，更不知道DIY所必需的电路分析能力，但由于我有良好的DIY环境，所以我能够进入DIY，没有任何问题。完全实现我的愿望。当年肯定是非常友好的，软件是《音响技术》，这个杂志还在继续提供技术指导和安装分享。至于硬件，当时有很多半成品套件可供使用，如果你按照图纸制作，几乎总是成功的。

我仍然记得买了一些套件并DIY了一些扬声器。当时觉得还不错，发出声音了，安装成功时的喜悦之情初步体验，解决了DIY难以逾越的墙。然而，这种廉价的成就感很快就消失了，取而代之的是晋升到更高水平、能够分析和设计电路的渴望。这种激发出来的渴望得到了杂志《音响技术》的滋润和滋润，所以我希望有一天能够自己设计一款DIY纯甲类功放，享受传奇甲类功放浓郁饱满的韵味。

这个志向使我对电产生了浓厚的兴趣，这对我后来的学**和工作产生了很大的影响。之后，我开始忙于工作和家庭，很难找到时间DIY音响，但这个想法伴随了我几十年，追求音响知识和技术，学**电学相关知识也一直延续着。之后我开始网上工作，订购了一本《Designing Audio Power AMPlifiers》，根据目前积累的电气基础知识进行系统学**，一路上积累了足够的DIY能量。而且，随着PC在20世纪90年代开始流行并持续增长，DIY音频热潮像一阵水流般迅速消退，一夜之间PC电源晶体和散热器开始流行，再也没有人关心大电容了。许多曾经热衷于DIY扬声器的人最终将他们的音频部件扔进了垃圾桶。我对DIY 音频如此沉迷，无法自拔。我利用这个山谷收集了大量的动力晶体、散热片和大电容。我一直希望有一天我能够实现这些目标。非常方便，让我终生的DIY音响梦想成真。

几十年过去了，我已经老了，收集的零件都成了稀有的古董，但我最初DIY音响的愿望并没有减弱，这种热情甚至在我盖了房子之后仍然给了我机会。非常感谢。我们过去学过如何在年轻时实现DIY 音频梦想。经历了人生的不同阶段，我已经意识到，这个世界上没有什么是完美的、永恒的。因此，DIY注重的是应用和探索所学知识的过程，而不是无休止地追求极致。放大器。因此，我不会去追求最新最好的发烧零件，而是会尽力消化我过去收集到的零件，并发挥它们最大的潜力。

2.思考秋天的美丽和硕果累累

当我整理装备并准备重新开始DIY 时，我的心情非常复杂。另一方面，几十年过去了，事情已经发生了变化，我们现有的旧零件、设备和设备已不再符合当前更快、更小、更强大、更多功能的趋势。对此感到难过效率极高，与潮流形成鲜明对比。这种情况让我想起马致远的《天净沙，思秋》中一匹瘦马在西风吹拂下沿着古道奔跑的场景。这给我留下了深刻的印象，仿佛我是一个在电子世界里流浪多年的DIY流浪者。在这暮色中，我面对着时间的流淌，面对着年少时的梦想，有一种淡淡的无助感，因为我在浪费时间，有一种年轻时的梦想即将被抹去的感觉。世界的趋势，有。时代。

另一方面，我这几十年所学到的东西，我已经抛开一切功利、竞争、为了生存而报仇，在生活中自由运用，去实现我年轻时的梦想。我充满了感激之情。为这个DIY项目的成功做出贡献，在你的生活中享受中秋丰收的美丽。

3、对甲类功放的挑战

A类放大器不是复杂的放大器，效率很低，成本很高，而且体积很大。然而，放大产生的泛音据说最接近实际乐器产生的泛音，并且具有其他扩音器无法超越的优点，比如更自然、更容易听，这就是为什么它们一直被用了这么久了。还有。人气。小时候，我长期被音响厂商洗脑，梦想自己DIY一台纯粹的甲类功放，享受传说中的甲类功放的浓郁味道。我知道这可能是我人生最后的机会，但我还是要奋力拼搏，尽管一遍遍感到无助和迷茫，电阻上的色标无法区分，焊点也分不清。当我戴着头戴式放大镜走近电路板时，焊料的松木香味萦绕在我的脑海中。

4. 放大器简史

1956年，MR.H.C.IN在RCA研究所推出了LIN拓扑音频放大器。该放大器的架构经过60-70 年的完善和发展，包括输入级、电压放大级和输出架构。这种架构在近几十年来几乎没有变化，并且一直是现代音频的主导架构，即使半导体技术取得了巨大进步，放大器也永远不会放弃这种架构。晶体管放大器架构。

主要架构没有太大变化，但各种失真讨论引入了电流镜、级联堆栈、恒流源、偏置电路、驱动级、废弃输出电容器、并行输出、稳定和保护电路等，正在逐渐演变。随着级别的提高，电路变得越来越复杂、详细、全面，当然也更加具有表现力和可口性。

5、单端输出和推挽输出

在设想架构时，我们发现单端和推挽输出各有优点和缺点，并且各有自己的偏好和追随者。所谓单端输出是指单极性NPN晶体管，或PNP晶体管，在输出端输出完整的波形。输出时切换没有问题。推挽输出使用两个不同极性的晶体管。每个负责一个半周期波形。一推一拉交替工作。最受诟病的问题是两组晶体管交替工作时出现的失真和失准。由于PNP管数量较少，有些放大器采用全NPN，将输出分成两组：一组用于正半周，一组用于负半周。

我应该使用什么建筑？既然我必须消化现有的部分，我自然要看看我有什么材料并决定如何处理它们。我手头有大约十几对2N3055和MJ2955功率管。这种铁壳功率管在30年前非常流行。 DIY 音频爱好者手头上总是有几对。现在人们把热量扔掉了。当垃圾。这些古董功率管还能用吗？我仔细检查了它的技术规格，发现它的带宽对于音频放大器来说仍然足够。毕竟，在过去的几十年里，人耳并没有进化那么多。几十年前引起热潮的组件今天仍然令人印象深刻。 ”

为了提前了解这些功率管的特性并增添DIY的感觉，我们利用当地的炼钢方法模拟了晶体曲线示踪剂的功能，并轻松测量了几对的值。 2N3055和MJ2955功率管。一般来说，PNP 束的 值几乎是NPN 束的两倍。因此，我们不得不重新评估是使用NPN还是PNP垂直对称推挽输出架构。在整体线性放大架构中，NPN和PNP之间的差异通过反馈进行补偿，输出信号根据反馈比例收敛到原始信号。对于一般的功率放大器来说，用示波器几乎无法分辨输入和输出信号的差异。不过，这并不意味着PNP和NPN的区别不会影响放大器的性能，大多数人仍然有这样的感觉，尤其是长时间聆听时。

反馈电路的校正过程会产生谐波，而NPN和PNP推挽开关也会产生令人不快的谐波，因此我们放弃了推挽架构，选择了单端模式。

6. 扩音器也是乐器，为什么我们要过分担心效率呢？

A 类单端输出架构的最大缺点是它的效率只有推挽式的一半，但这并没有使它变得不那么有趣。我越了解功放的原理和有源元件的特性，就越发现这个世界上并不存在所谓的原声再现功放。无论使用何种架构和组件，放大过程都会引入各种失真，并且还会通过添加谐波相互作用来合成新的噪声信号。利用当今的组件和技术，大多数放大器可以产生与原始信号非常相似的输出信号。也许放大器之间的真正区别在于相同的声源。根据放大器创建失真或添加材料的机制，您仍然可以享受乐趣。印象深刻。有些放大器的放大结构让人感到乏味、难以忍受。因此，我个人认为放大器也是一种乐器。对于使用输入信号演奏的乐器来说，单端输出架构的效率较低，但效率并不是对乐器的主要要求。重要的是它舒适且耐用。能够打动人心。

7. 解释单端输出和推挽输出的效率差异

推挽输出的输出效率是单端输出的2倍，因此要获得相同的输出功率，单端输出的静态电流是推挽输出的静态电流的2倍。这也意味着更大的散热器和功率管。以下电路图显示了单端输出和推挽输出之间的差异、工作模式和效率。

8.原装甲类功放

在单端输出架构中，著名的NELSON PASS 1977 提出的架构引起了我的注意。这是典型的传统单端输出甲类放大器。他提出了架构并完成了设计。有兴趣的读者可以访问官方网站。

该建筑自1977 年在NELSON PASS 发表以来已经过去了近40 年，但当然它是一个古董级别的建筑，所以我们不能接受一切原样，但基于建筑材料，我们添加了一些看起来令人赏心悦目的元素。耳朵。我会添加更多。利用您拥有的信息并根据需要进行调整和改进。

9.它的功率有多大？A类虽小，但它是鱼和熊掌吗？

最初的想法是设计一款精致、小巧、美观、输出功率约10W的纯甲类放大器，以取代电脑中常用的放大器。当我实际实现时我意识到，没有空间容纳一个小而漂亮的甲类放大器，尤其是单端输出，实际效率只有1/10左右，而且散热器巨大。另外，我试听的时候，发现手头上有一个12-0-12/5A的变压器，经过整流、滤波、加载后，得到了15V的直流电压，并将静态电流调整为1.6A。输入正弦波时，8负载测得最大输出峰值电压约为12.5V，折算为9.76W，最大功率接近10W。

知道自己的音乐素养有限，第一次考试就听了自己熟悉的音乐，发现是A级的，很有味道。心情好了一段时间后，我决定寻找一首音域更广的交响曲，找到了贝多芬的C小调第五交响曲。这首歌轻柔地流淌，时而如水滴落。有时音乐同时奏响，如万马奔腾。当用安装在视听室的示波器进行监听时，我们发现这个功率的动态范围有点小，而且在高音量时会出现所谓的削波现象，即输入信号突然变得平坦。

最终，我根据现有资源和需求，将工作电压提高到+-20V，静态电流提高到2A，扣除一些损耗，得到8欧负载14W输出。 V 为15V，而原始电压为12.5V。 V虽然没有太大的提升，但对于我来说，这个功率满足我客厅或者书房的听音空间绰绰有余。除了测试机器之外，它还会在高音量收听时屏蔽声音以获得可接受的高音量。

A类单端输出静态电流必须为最大输出的1/2。这是提前计划好的。否则，最大输出电流将超过静态电流，并且在负半周期将发生削波。对于同样的情况，采用推挽输出架构，只是从A类变为AB类，并没有削波现象，这也是单端输出的缺点，好在这个缺点很容易预测和发现避免。

朋友给我带来了20年前瑞丰音响生产的L18/5.3欧姆音箱，最高可承受300W的功率。起初我还担心它无法通过，因为我找不到任何与之匹配的规格，但没想到即使在半功率收听的情况下也能获得足够的音量。 200m单间，会对邻居造成滋扰。

扬声器从8 欧姆变为5.3 欧姆。应重新考虑静态电流以避免削波。为了在5.3欧姆和8欧姆下获得14W的输出功率，输出峰值电压必须达到12.2V，静态电流必须至少从2A增加到2.3A。从计算值评估目前情况，静态电流没有变化，扬声器阻抗减小，输出减小，但听音时静态电流保持在5.3、2A，音量也没有增大。声压还是一样，更弱，但现在更强大了。通常，扬声器仍以8 欧姆为主，因此静态电流保持在2A。经过长时间的讨论，最终的规格是：工作电压+_20V，静态电流2A，最大输出功率8欧姆/14W或5.3欧姆/10W。

10. 设计概述

本单元的架构采用NELSON PASS 1977提出的单端架构，输入级采用OP-AMP，其设计特别考虑了晶体管的非线性特性、发射极电阻、恒流源采用晶振BE并联电阻等。对晶体管的各级都加入了改进措施，以减少晶体管非线性不完美特性的影响，并且在整个结构完成后发现发生热失控，因此安装了有效的温度补偿电路。下面简要解释一下。

A. 切割输入级以适合鞋子。

输入级通常使用两个晶体管进行差分放大。一端是输入信号，另一端是输出端反馈的信号。胖端信号产生误差信号，用于驱动后续的电压放大。生成收敛到端到端平等所需的修改的阶段。

为了克服晶体管的非线性不完美特性，现代输入级电路通常在发射极增加恒流源，在集电极增加电流镜，或采用CB配置，形成串联放大，以改善非线性特性。这些电路都不难，但挑战在于找到理想的晶体管对。整体反馈最终会补偿，因此电路无需配对即可正常工作，但如前所述，这种不对称会引入不需要的谐波，这可能会令人不快。

输入级采用低噪声、匹配良好的小信号晶体管，但由于数量较少，在实际中很难找到。我手头正好有几块OP/AD847，还记得当时这些IC每个都卖近百块钱，如果我不好好利用它们，我可能会被无知的后辈当作垃圾。社会，我不知道。一些年。在这种情况下，将差分级更改为运算放大器将使您能够充分利用一切并保持电路简单和干净。 AD847 的性能也非常出色，具有300V/US 的高转换速率。实际使用效果良好，无信号输出的中点电压始终保持稳定在零电位。当我实际聆听贝多芬的C小调第五交响曲时，我发现乐曲中突然停顿的音符都清晰地表达出来，没有任何杂乱，所有乐器齐声共鸣的爆发力着实令人震惊。在。

b. 发射极电阻是最后的接触点，而不是额外的。

晶体管AC模型有一个与放大倍数相关的重要参数RE，但遗憾的是这个re参数不是固定值，而是re=VT/IC，而IC根据信号幅度而变化，当IC变化时，re也会随之变化。改变。最后，放大系数也受到影响和变化，这些变化改变了信号的瞬时放大系数，产生不需要的谐波并影响音质。在电路中加入发射极电阻RE会产生RERE，因此当用re+RE计算放大系数时，可以忽略re的变化，并且可以用稳定的RE计算总增益。这是通过牺牲增益来换取相对稳定的放大倍数来实现的，为了达到这个目的，本机所有的晶体管，包括电压放大级，都配备了发射极电阻。

c. 与信号分辨率相关的恒流源

本机采用单端放大方式，输入级采用运算放大器IC，因此从电压放大级到各级均级联恒流源。理想恒流源的阻抗被认为是无穷大，但当然无穷大只是一个概念，现实中仍然存在限制。阻抗越大，电流流过时的压降越大，压降越大，驱动响应越强。如果恒流源的阻抗高，小的变化就会产生大的变化。电路分析能力得到提升，可以更准确地表达声源的微妙变化。

原来的NELSON PASS受到一系列组合的影响：连接输入级、电压放大级和驱动级恒流源，并将驱动级连接到输出级限流器。由于全身运动的影响，输出级的限流器会因温度和信号的变化而不断地ON和OFF。个人觉得这样会影响输入级和电压放大级恒流源的稳定性，所以设计时将驱动级恒流源分开，决定采用常用的固定电压源。采用恒流法。恒流模式的分压器代替了原来简单的电阻。

d.晶体管BE的并联电阻不可忽略

晶体管BE之间有布线电容、极间电容、米勒等效电容。这些电容在放大期间引起充电和放电。一般来说，电路可以提供快速充电的路径，但不能提供放电的路径。功率管BE电极之间的电容不容忽视，特别是在没有提供适当放电的情况下。在NELSON PASS的原作中，所有功率管都是NPN型，并且在BE处加了一个并联电阻，但在本作中，我们使用手头的MJ2955，将部分NPN管改为PNP，使其有效。添加电阻以确保放电路径。它还被添加在BE之间以加快系统响应速度。

设计完成后，我使用古董级示波器用200KHZ方波进行测试，得到大约SLEW RATE=21.5/US:

按正弦波100KHZ/满功率15V计算，所需SLEW RAT=2**频率*峰值电压

转换率=2**vp/t=9.4/US

人耳的可听极限约为20KZ，根据本机SR=21.5V/US的测试值，系统的收敛时间约为2US，可放大人耳能听到的各种音乐能感觉到，足够做。回想起来，NELSON PASS 公布的SR 数据是30V/US，这可能是因为它使用了简单的电路和独特的零件，但NELSON PASS 确实值得评估。值得。

e. 无缝温度补偿电路

A类功放效率较低，大部分输入功率都以热量的形式消耗掉，所以安装后第一次听时，发现温度上升，电流漂移严重。听之前我把静态值调到了1.8A，但是听了大约30分钟后，电流表上的电流逐渐增加到2.6A，散热器变得很烫，我摸了一下。又听了一小时，电流读数为3A。这是我的供电极限。磁铁找到了一个温度计并将其放在散热器顶部。测得的温度大约为80度，实际上应该更高。此时，漏热已经确定，继续玩的话电源外壳就会开始发热烧毁。

仔细分析NELSON PASS的结构后，我们发现电路中几乎没有提及温升补偿部分，并假设通过加强散热来解决温升问题。我不希望散热器再大，无论多大，都会让后续机箱搬运变得困难，我不想加风扇，噪音大，而且没有NELSON PASS那么凉爽，这使得机器成为煎蛋卷。

NELSON PASS电路有一个限流器来调节静态电流，但为什么它不起作用呢？为了研究这个问题，我们连接了两个电表，观察如下图所示的变化，发现V2随着温度升高而增大，这是因为电流随着温度升高而增大，V1表示不动。这时我们突然意识到V1被之前的偏置电流和限流电路钳位了。 VBE+vre=固定值

随着温度升高和VBE 降低，IB 由于热效应而增加。当IC 变为正值时，电阻器两端的压降会增加，以补偿VBE 的压降，最终将VBE + VRE 保持在恒定值。结果，最初设定的静态电流随着温度的升高而增加。

为了解决系统无法承受温度的问题，我决定开始一种新的方法，获得不受温度影响的独立参考电压，消除对原有电路的报复。该电压通过恒流源的发射极电阻，比较压降，输出补偿信号，将静态电流维持在设定值。为了检测小漂移并实现100%补偿，电路中使用了增益值为22000的两级OP放大器。流经恒流源发射极电阻的电流会随着音乐信号而发生微小的变化，而这种变化会导致温度补偿电路不断产生校正补偿信号，所以避免影响音乐信号是很重要的。因此，在两级之间添加积分器来累积和捕获真实的漂移误差信号并逐级校正以进行补偿。

该电路的效果非常立竿见影，长期的聆听测试证明，该温度补偿电路可以几乎无缝地校正和补偿温度漂移。散热器温度达到60度时停止上升，数字电流表上的数值始终保持2A，呈现缓慢的脉冲，用示波器监测波形时，发现对波形没有影响。

11、电源电路及嗡嗡声

在试听阶段，我继续使用电源进行测试，当我最终确定电源电压为20V时，我开始寻找变压器，但由于没有现成的产品，我不得不定制它。环形型和EI型都有更大的定制空间。环形变压器最大的优点就是效率高，但同时它似乎也有很多缺点，以我个人使用传统EI变压器的经验来看，硅钢片的质量不是很好，铁损也很大。高，容易发热，其他都可以忍受。老年人的思维方式比较保守，要想使用EI变压器，前提是要找到使用优质硅钢片的变压器厂家，但如果你上网查一下，你会发现他们用的是优质硅钢片。日本进口硅钢片，我找到一家变压器厂家，声称有。为了满足我们的综合需求，经过一番沟通，我们订购了定制产品。

关于变压器规格的计算，由于A类单端输出的结构，如果在确定输出功率时不设定负载、静态电流、输出电压，即使单方面提高电压，也只会增加。这是一个需要提前注意的区域，因为可能会发生晶体管损耗并且可能无法通电。

考虑到A类放大器的效率较低，除了前端运放稳压之外，没有计划添加任何稳压电路。由于肯定是一个大型工程，所以没有必要提前安装稳压电路。稳压电路，损耗约5V。所需直流电压为+-20V，换算后变压器二次侧规格为AC :16-0-16V/5A，整流后峰值电压估算为22.5V，负载后压降估算为1.2五、应接近设计值。

几天后，两台变压器到了，我用电子秤称了一下，重量为10.5*8.5*10.5，即3.5公斤，看起来很扎实。连接好整流电路，在正负电源上加22000UF滤波电容，立即开始测试。空载：16.7-0-16.7，满载16.2-0-16.2，加成3%，整流后的直流电压空载23.3V，满载20.4V，与运行时的计算值非常接近。定制。经过2个小时的全功率假负载正弦波测试，变压器摸起来只是稍微有些温热，一扫我之前在负载下会很热的印象，到目前为止我很满意。我是。

我取下了假负载，并用拉起岸代替它，在添加信号之前，我听到了一声响亮的嗡嗡声。原来的电源没有这个问题。研究的问题应该是在电源滤波电路上。使用示波器验证120HZ 电源纹波约为0.36V 峰峰值。这是嗡嗡声的原因吗？我手头上有一些10000UF 电容器，找到了两个0.22 欧姆电阻，并将它们焊接到一个简单的RC 滤波器上。再试一次，嗡嗡声太低了，只有靠近扬声器才能听到。这时，你还可以听到高音扬声器发出的嘶嘶声，但由于距离扬声器很近，你听不到。一开始我会注意，但除非你靠近扬声器，否则很难注意到它们，并且当音乐播放时你会在正确的时间遇到它们，所以短暂的休息不会破坏平静的气氛。

随后的底盘和结果

截至撰写本文时，放大器的结构和含义已大致确定。最后的挑战是如何找到合适的底盘。所有现成的机箱都设计有集成散热器，但我们已经有足够大的散热器并安装了功率管来完成测试。如果您要转换为现成的机箱，则需要丢弃并重新安装这些散热器。闲置20多年的散热片就算是闲置了，或许也难逃资源回收的命运，但它们的本来用途还能被回收吗？此外，我对拆卸和重新安装所有功率管的重复任务并不真正感兴趣。似乎找到一个足够大且坚固的箱子来安装我的怪物放大器并不容易。

通过DIY，您可以享受逐个计算和组装每个电阻的乐趣。

验证的喜悦和克服困难所带来的成就感，确实是人生中难得而美好的过程。患有风疹的儿童最好独自生活。毕竟，声音的质量是非常主观的。我只能说，30年努力的价值是巨大的。结果确实令人陶醉。人生的秋收之美处处恰到好处。在此，我要感谢我亲爱的家人几十年来的支持，并希望尽快完成包装，有机会会继续分享。