音頻功率放大器是一個技術已經(jīng)相當成熟的領域,幾十年來,人們?yōu)橹冻隽瞬恍傅呐?無論從線路技術還是元器件方面,乃至于思想認識上都取得了長足的進步.回顧一下功率放大器的發(fā)展歷程,對我們廣大音響愛好者來說也許是一件饒有趣味的事情.

一、早期的晶體管功放   半導體技術的進步使晶體管放大器向前邁進了一大步.自從有了晶體管,人們就開始用它制造功率放大器.早期的放大器幾乎全用鍺管來制作,但由于鍺管工藝上的一些原因,使得放大器中所用的晶體管,尤其是功放管性能指標不易做得很高,例如,共發(fā)射極截止頻率fh的典型值為4kHz,大電流管的耐壓值一般在30V一40V左右.這樣,放大器的頻率響應也就很狹窄,其3dB截止頻率通常在10kHz左右,大大影響了音樂中高頻信號的重現(xiàn).再加上功放管的耐壓、電流和功耗三個指標相互制約,制作較大功率的 OTL或OCL放大器不易尋到三個指標都滿足要求的管于,所以不得不采用變壓器耦合輸出.變壓器的相移又使電路中加深度負反饋變得很困難,諧波失真得不到充分的抑制,因此這一時期的晶體管放大器音質(zhì)是很差的.“還是膽機規(guī)聲”,這種看法的確事出有因.
二、晶體管功放的發(fā)展和互調(diào)失真   隨著半導體工藝的逐漸成熟,大電流、高耐壓的晶體管品種日益增加,越來越多的功率放大器采用了無輸出變壓器的 OCL電路或 OTL電路(圖一). 最初的大功率 PNP管是鍺管,而 NPN管是硅管,兩者的特性差別非常顯著,電路的 對稱性很差,人們更多采用的是圖二所示的準互補電路,通過小功率硅管 Q1與一只大功率的 NPN硅管 Q2復合,得到一只極性與PNP管類似的大功率管,降低了電路因?qū)ΨQ性差而招至的失真. 到了六十年代末,大功率的 PNP硅管商品化的時候,互補對稱電路才得到廣泛的應用.元器件的進步使晶體管功率放大器的技術指標產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍,在主觀音質(zhì)評價方面,也改變了過去人們對晶體管功放的看法,無論是在廳堂擴音、電臺節(jié)目制作還是家庭重放,晶體管功放都被大量地采用,首次在數(shù)量上以壓倒性的優(yōu)勢超過了電子管功放.在商品化的晶體管擴音機中,相繼出現(xiàn)了一些摧琛奪目的名機,如 JBL的 SA600, Marantz互補對稱電路MOdel15等等.    盡管電子管的擁護者仍大量存在,人們畢竟能夠比較公正地看待晶體管放大器了,認為晶體管機頻響寬闊,層次細膩,與電子管機比較起來有一種獨特的艙力,而不是簡單的誰取代誰的問題.    瞬態(tài)互調(diào)失真的提出是認識上的一次飛躍七十年代,功率放大器的發(fā)展史中出現(xiàn)了一件最引人注目的事情,這就是瞬態(tài)互調(diào)失真 (Transient lntermodulation)及其測量方法的提出.1963年,芬蘭 Helvar工廠的一名工程師在制作一臺晶體管擴音機時,由于接線失誤,使電路的負反饋量減少了,后來卻意外地發(fā)現(xiàn)負反饋量減少后的音質(zhì)非常好,客觀技術指標較差,而更正錯誤以后的線路盡管技術指標提高了,音質(zhì)反而比誤接時明顯下降. 這一現(xiàn)象引起了當時同一工廠的 Mr.Otala的重視,之后,他對此進行了悉心研究,于1970年首先發(fā)表丁關于晶體管功率放大器瞬態(tài)互調(diào)失真(TIM)的論文.至 1971年,Otala博士及其研究小組就 TIM失真理論發(fā)表的論文已經(jīng)超過20篇,引起了電聲界準互補電路人士的廣泛反響.    瞬態(tài)互調(diào)失真的大意是這樣的:    在直接耦合的晶體管放大電路中,為了得到很小的諧波失真度和寬闊平坦的頻率響應,通常對整體電路施加深達40dB一60dB的負反饋,倘若在加負反饋前放大器的開環(huán)失真為10%,那么加上40dB的負反饋后,失真即可降低至0．1%,這是電子管功效難以做到的. 晶體管功放由于要施加40dB.60dB的負反饋,所以對一臺增益要求為26dB的放大器,它的開環(huán)增益就要達到66、86dB. 如此高的增益之下引入深度負反饋,電路勢必會產(chǎn)生自激振蕩,因而需要進行相位補償,一般是在推動級晶體管的集電極——基極之間接接一個小電容 C,破壞自激振蕩的相位條件,形成所謂“滯后補償”,    當放大器輸入端輸入持續(xù)時間非常短的過渡性脈沖時,由于電容 C需要充電時間,所以推動管集電極電壓要經(jīng)過一段時間延遲方能達到最大值,見圖四.顯然,在電容 C充、放電期間,輸出電壓 V.將達不到應有的電壓值,輸入級也不可能得到應有的反饋電壓 Vf,因而,在過渡脈沖通過輸入級的瞬間,輸入級將處于負．反饋失控狀態(tài),致使輸入級嚴重過載,輸出將嚴重削波(圖三 a點),引起過渡脈沖瞬時失真(圖五).如果過渡脈沖波形上還疊加有正弦信號,輸出端還會得到很多輸入信號頻譜不存在的互調(diào)頻率成份,這就是 TIM失真.    TIM失真和音樂信號也有密切關系,音量大、頻率高的節(jié)目信號容易誘發(fā) TIM失真.嚴重的 TIM失真反映在聽感上類似高頻交選失真,而較弱的 TIM失真給人以“金屬聲”的不快感覺,導致音質(zhì)劣化.至今,音響界對于 TIM失真都還有爭議,但這畢竟是人們認識的深化,它使后來放大器的設計思想發(fā)生了根本性的變化,即更加注重放大器的動態(tài)性能而不是僅僅滿足于靜態(tài)技術指標的提高.

    三、功放輸入級——差動與共射-共基    對稱和平衡是電路發(fā)展的方向?qū)ΨQ和平衡也許是世上事物完美的標志之一.音樂講究各聲部之間的乎衡與統(tǒng)一,美術以色彩搭配均衡、和諧為美,在服裝設計中,常常采取看似不對稱的設計,其實質(zhì)也是為了取得視覺上的均衡.上面所說的都是藝術,對稱和平衡給人一種安定、完美的感覺.有意思的是,在功率放大器中,對稱和平衡也有類似的效果.    最初采用對稱設計的例子要算互補對稱電路了,一上一下的兩只異極性晶體管作推挽輸出,不僅可以免除笨重的輸出變壓器,而且電路的偶次諧波失真在推挽的過程中被抵消了,保真度有了很大提高.稍后,人們從運算放大器的設計中得到啟迪,將左右對稱的差動式電路用于功率放木器的輸入級,電路的穩(wěn)定性和線性都得到改善,這時的電路結構如圖六所示,這一結構直至今天都還有人采用. 如果以現(xiàn)代的眼光來審評,這一電路是顯得過時了一點.電路的主要缺陷在于電壓推動級,因為 Q1承擔了提供電壓增益的主要任務,必然是開環(huán)失真很大,頻帶狹窄.此圖六 典型的 OCL放大器外,單管放大的過載能力也很差,這一系列的缺點是不利于電路的動態(tài)性能的.圍繞著改進電壓推動級的性能,人們相繼提出了多種結構,共射——共基電路就是一個典型的例子.    共射——共基電路又叫“猩爾曼”電路,它原先是高頻電路中廣為采用的結構,但用于音頻電路中同樣可以發(fā)揮出色的性能.首先是它的寬頻響,由于共基放大管 Qs非常低的輸入阻抗,使 Q,喪失了電壓增益,彌勒效應的影響就非常微弱. 寬頻響的推動級拉開了與輸入級極點的距離,相位補償變得很’容易,而且電容 C的容量可以大大減小,這對于改善 TIM失真是很有利的. 第二個優(yōu)點是電路的高度線性:共基極電路的輸出特性也可以清楚地顯示出這一點,有人作過測試,共射一共基電路的失真度比單管共射電路要低一個數(shù)量級.    依然是一種不平衡的設計,這一限制來源于輸入級.如果把輸入級變動一下,從互補推挽的 Q:和Qg的集電極輸出信號,那么電壓推動級就可以在圖七的基礎上再增加一組 NPN管構成的共射一共基電路,做到推挽輸出,這時電路也就非常對稱平衡了,幾乎達到了完美的程度.    當今許多最先進的功率放大器采用的也是這種電路結構.圖八是另一種電壓推動級的形式,其輸入信號來自圖六中的 Ql和 Qs,當然此時 Qz必須加上集電極負載電阻.電壓推動級也采用對稱的差動放大,這不僅可以改善輸入級的平衡性,提高放大能力和共模抑制比,而且同樣可以降低推動級的失真,因為差動式放大電路當輸入在一定的范圍內(nèi)時具有線性的傳輸特性,有的電路還在 Qn、 Qz的發(fā)射極串人負反饋反阻,更加擴大了線性范圍. Q2和Qd構成鏡像電流源,把 Q,的集電極電流轉移到 Qz上,所以盡管是單端輸出,電流推動能力卻比原來增大了一倍. PIONEER的M22K功率放大器就是采用的這種電路結構,取得了非常好的效果.對稱和平衡不僅體現(xiàn)在電路的結構上,還表現(xiàn)于元器件的參數(shù)上.差動電路是集成運放中廣泛采用的結構,其性能是建立在兩只差分管 Hrs和 Vss精確匹配的基礎之上.同樣,推挽電路中,如果兩只異極性的晶體管特性不一致時,對波形的兩個半周就不能做到一視同仁地放大,這將增力D電路的失真度.    隨著節(jié)目源的變化,音樂中包含大量瞬變、高能量的成份,要完美地重現(xiàn)這些細節(jié),就要求放大器具有良好的動態(tài)響應,對晶體管配對的要求就不僅是靜態(tài)的 HrR和 VBE匹配,而且在動態(tài)時也要高度匹配,這無疑對元器件參數(shù)的平衡提出了更苛刻的要求. 幸運的是,半導體技術的進步為我們提供了這種可能,各種各樣的差分對管、晶體管陣列陳出不窮,單個的晶體管一致性也得到較大提高.正是這些優(yōu)質(zhì)的元器件,讓對稱電路設計的優(yōu)點得以充分體現(xiàn),今天看到一臺全無負反饋的電路也不會覺得驚訝,因為已經(jīng)有足夠好的開環(huán)性能了,又何必為了幾個儀器上的數(shù)據(jù)去犧牲放大電路的動態(tài)響應呢?