場(chǎng)效應管在音響電路中的合理應用

　場(chǎng)效應晶體管在音響數字化的今天應用范圍越來(lái)越廣。其原理、優(yōu)點(diǎn)和使用常識在一些工具書(shū)及報刊上已有不少論述，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)效應管的合理應用。目前，應用于音響領(lǐng)域的場(chǎng)效應管包括結型管(JFET)和絕緣柵場(chǎng)效應管(MOsFET)，而后者又分為L(cháng)DMOS、VMOS及近年出現的UHC、IGBT等，并且至今仍在不斷發(fā)展與完善之中。

1．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(zhuān)業(yè)廠(chǎng)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(chǎng)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(mǎi)過(guò)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(shí)購買(mǎi)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(shí)際的波形測試也不對稱(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％，異極性管的配對誤差也不會(huì )大于3％)。通過(guò)以上的數據比較和實(shí)際測試可以得到如下啟示：JFET用于互補輸入級時(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，從而令電路的穩定性變差；gm、Cis,Cis的固有差異更影響著(zhù)整個(gè)推挽級的上下波形對稱(chēng)和瞬態(tài)響應速度等動(dòng)態(tài)指標。關(guān)于這一點(diǎn)，國外的一些知名廠(chǎng)商其實(shí)早就形成共識，如天龍、馬蘭士等的產(chǎn)品中?？梢?jiàn)到K389等做成的場(chǎng)效應差動(dòng)輸入級，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(dòng)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(guò)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(wú)什么大礙。MOS管用于功放輸出級的問(wèn)題不在于互補配對，關(guān)鍵是效率低。

2、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(shí)際制作證明其遠不止這么簡(jiǎn)單。

音響常用場(chǎng)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(shuō)明。K135／J50的柵一源開(kāi)啟電壓閾值為一0．15～一1．45V。實(shí)測當Io=10mA時(shí)VO．25V，而當I~=100mA典型值時(shí)V增加到0,6～0、85V?？梢?jiàn)場(chǎng)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(diǎn)，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(méi)有直接給出RDs1這一項，但是通過(guò)漏源導通電壓VDs(sat)：12V和ID7A兩個(gè)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(gè)1．7Q的電阻與負載串聯(lián)，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(shí)阻抗驟跌及場(chǎng)效應管的負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(shí)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(yōu)孰劣自然不言而喻。

(2)NOS功車(chē)管的線(xiàn)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(shí)際工作時(shí)的動(dòng)態(tài)損耗估計不足。設一個(gè)100W的后級，當負載為8歐姆時(shí)，對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(shí)際中使用非穩壓電源時(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供電值大約是AC33V×2。當按通常作法用AC38V×2為MOS功放供電時(shí)P只能達到70～80W，而且日立MOS管的高R是依靠功放NFB網(wǎng)絡(luò )來(lái)改善總體內阻的，因此實(shí)際大輸出時(shí)的聽(tīng)感缺乏力度(當功放設計為無(wú)反饋時(shí)更加不妙)。于是便產(chǎn)生了對MOS管的種種誤解，如MOS管大電流時(shí)線(xiàn)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(xiàn)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(huì )被誤解為大電流線(xiàn)性差呢?其根本原因還是對MOS管內阻所引起的功率損耗沒(méi)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。

3、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(shuō)的提高其實(shí)應該是如何減少MOSFET輸出級的功率損耗。

　?、偃缫谕入娐废氯〉门c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(shí)高±10V以上。當要減少MOS管損耗時(shí)，可采取電壓級與電流級分別供電的方式。這時(shí)，電流級和電壓級分Nl：k,雙極管輸出級高±5V和±10V。

　?、谶\用多管并聯(lián)輸出級。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(xiàn)性不佳。多個(gè)MOS管并聯(lián)除了能增加電流驅動(dòng)力外，還可大大減少功率損失，并且改善開(kāi)環(huán)內當K135／J504組并聯(lián)時(shí)，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(lián)參數誤差可比雙極管適當放寬，即并聯(lián)管誤差稍大也不至于使聽(tīng)感變劣。

　?、鄄捎霉苍摧敵黾?，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(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。

　　筆者用運放OPA604~DVMOS管IRF540／9540~1作了一個(gè)共源輸出級放大器，規格是v為±40V，Po為60W／8Q、100W／4Q。實(shí)際的試聽(tīng)效果表明其驅動(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，筆者當然希望能在不久的將來(lái)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(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“補品”的價(jià)格不要太高了。