- 場效應管在音響電路中的應用
- 提升電壓補償MOS管的損耗
- 補償揚聲器在低頻時阻抗驟跌
- MOSFET輸出級效率的提高
場效應晶體管在音響數字化的今天應用范圍越來越廣。其原理、優點和使用常識在一些工具書及報刊上已有不少論述，在此不再贅述。本文通過兩個容易被發燒友特別是初學者所忽略的要點來說明場效應管的合理應用。目前，應用于音響領域的場效應管包括結型管(JFET)和絕緣柵場效應管(MOsFET)，而后者又分為LDMOS、VMOS及近年出現的UHC、IGBT等，并且至今仍在不斷發展與完善之中。
JFET缺少配對容差內的互補管
當今雙極晶體管制造工藝的成熟已使NPN與PNP互補三極管的配對誤差縮小到被廣大專業廠商和音響發燒友所能普遍接受的程度。相比之下，場效應管的選配就困難得多，而作為放大器輸入級用管的JFET更是缺少符合要求的互補對(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效應管(DualFET)K389／Jl09的主要特性數據比較。由附表可知，K389與J109的差異有VCC和NF，其中C和C兩項數值，N溝與P溝的差值要達5倍之巨。筆者有一次購買過8對K389／J109，但是在裝機前測試的結果卻頗令人失望：①所謂孿生管只是同一管殼內的兩只管子性能一致，而同時購買的8對管中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，實際的波形測試也不對稱。
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輸入級之用(以往選用雙極孿生管時總是不難把同極性管的誤差控制在1％，異極性管的配對誤差也不會大于3％)。通過以上的數據比較和實際測試可以得到如下啟示：JFET用于互補輸入級時，其V和I一的離散性會使電路的靜態工作點產生較大的偏移，從而令電路的穩定性變差；gm、Cis,Cis的固有差異更影響著整個推挽級的上下波形對稱和瞬態響應速度等動態指標。關于這一點，國外的一些知名廠商其實早就形成共識，如天龍、馬蘭士等的產品中常可見到K389等做成的場效應差動輸入級，但總是難以見到J109的影子，也許K389／J109本來就是“拉郎配”。
與JFET相比，MOS管的耐壓、功耗和跨導等都容易做得較高。另外，放大器中除了輸入級以外的部分(如推動級、輸出級)，其互補配對要求可相對放寬，而且一些配對的缺陷也可通過電路的仔細設計加以克服。因此，MOS管在功放末級的應用并無什么大礙。MOS管用于功放輸出級的問題不在于互補配對，關鍵是效率低。
MOSFET輸出極效率較低
MOS管輸出級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，以補償MOS管的損耗。然而，實際制作證明其遠不止這么簡單。
音響常用場效應管的參數如下表：
從附表中可以了解到幾種頗具代表性的MOS管的主要特性數據?，F以日立公司的老牌LDMOS管K135／J50為例加以說明。K135／J50的柵一源開啟電壓閾值為一0．15～一1．45V。實測當Io=10mA時VO．25V，而當I~=100mA典型值時V增加到0,6～0、85V。可見場效應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(相對于這一點，雙極晶體管的V幾乎恒為0．7V)。MOS管的內部損耗主要取決于漏源導通電阻R、的大小。K135／J50的參數中沒有直接給出RDs1這一項，但是通過漏源導通電壓VDs(sat)：12V和ID7A兩個數據，利用公式RDs(oN)=UDs)／ID可計算出K135／J50的R、約為1．7Q。這相當于把一個1．7Q的電阻與負載串聯，對于標準的8Q負載而言其損失的功率已接近20％。
如果考慮到揚聲器在低頻時阻抗驟跌及場效應管的負溫度電壓一電流特性(即溫度上升時電流下降，也就是這時R增大)，那么MOS管的實際內部損耗將更大。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Ic=7A時V、=2V。如果輸出為二級射隨器，那么加上末前級的損耗(<1V)，總的V。(sat)<3V。這與K135／J50的VDs(sat)=12V相比，孰優孰劣自然不言而喻。
NOS功車管的線住輸出電流
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功率輸出級獲得與雙極管等同的功率。我們往往對MOS管實際工作時的動態損耗估計不足。設一個100W的后級，當負載為8歐姆時，對雙極管而言電源電壓為V_Gc(8P。×RL)+2×[VcE(sat)+I()×RE 如這時的IcM=5A、vc。1．5V、RE=0．22Q，那么VC85．2V(±43V)。對MOS管而言，同樣可以算出V?=99．2V(±50V)。當然，這是理論上的且是最大功率下的值，實際中使用非穩壓電源時的空載電壓顯然還要高。
事實上，100W／8Q雙極晶體管功放的交流二次側供電值大約是AC33V×2。當按通常作法用AC38V×2為MOS功放供電時P只能達到70～80W，而且日立MOS管的高R是依靠功放NFB網絡來改善總體內阻的，因此實際大輸出時的聽感缺乏力度(當功放設計為無反饋時更加不妙)。于是便產生了對MOS管的種種誤解，如MOS管大電流時線性不佳就是其中之一。
其實與雙極晶體管相比，MOS管除了高頻特性優良、失真以偶次諧波為主外，由于無二次擊穿現象，因此日立公司給出K135／J50等MOS管的應用電流可接近推薦的極限。VMOS管的線性電流可達數十安培，UHC—MOS管的脈沖電流更是高達300A以上。那么MOS音響管為什么會被誤解為大電流線性差呢?其根本原因還是對MOS管內阻所引起的功率損耗沒有足夠的認識以及相應的對策。VMOS、UHC-MOS管的內阻雖然很小，但是大電流下的V卻高達5V以上，所以同樣應予以重視。
MOSFET輸出級效率的提高
MOS功率輸出級的損耗總是比雙極晶體管的大，這是其固有特性所決定的。這里所說的提高其實應該是如何減少MOSFET輸出級的功率損耗。
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輸出級的電源電壓應比用雙極管時高±10V以上。當要減少MOS管損耗時，可采取電壓級與電流級分別供電的方式。這時，電流級和電壓級分Nl：k,雙極管輸出級高±5V和±10V。
②運用多管并聯輸出級。多管并聯是為了降低MOS功率管的等效通態電阻，而不是所謂的為了改善MOS管大電流線性不佳。多個MOS管并聯除了能增加電流驅動力外，還可大大減少功率損失，并且改善開環內當K135／J504組并聯時，等效內阻降為單管的1／4即0．4Q以下，對8歐負載功率損耗也相應地由20％減至5％)。另外，MOS管的并聯參數誤差可比雙極管適當放寬，即并聯管誤差稍大也不至于使聽感變劣。
③采用共源輸出級，即雙極管的集電極輸出形式。該輸出方式對VMOS管更為適用，這是因為VMOS管的電流大、內阻小，電路設計合理時可兼顧良好的效率、很低的失真和低輸出阻抗。這時的電源電壓只要比雙極管電路高±3～±5V即可。
筆者用運放OPA604~DVMOS管IRF540／9540~1作了一個共源輸出級放大器，規格是v為±40V，Po為60W／8Q、100W／4Q。實際的試聽效果表明其驅動力不弱，發熱量也不見得比雙極管大。作為音響發燒友，筆者當然希望能在不久的將來用上全面達到當今雙極管配對要求甚至超越雙極管的互~+FET、耐高壓的UHC-MOS互補功率管。這對于瞬息萬變的今天來說不是什么幻想，但有一點，希望到時候那些“補品”的價格不要太高了。
