ZEN9——如何提高JFET放大器的性能

zgmfx10akira

【《电子制作》杂志专供稿件】在ZEN8中，我们尝试使用功率型JFET来设计放大器。ZV8是一部简单的单级增益放大器，电路的核心由一只Lovoltech（现已更名为Qspeed）生产的LU1014D场效应管构成。在本文中，我们将对这个电路提出四个改进方案，以此来大幅度提高ZV8的性能。在ZEN的世界中，凡事都存在相互制约的两个方面，这也注定了性能与简单两者不可兼顾。Pass断言，ZEN9的性能将好过之前任何一个版本的ZEN，而其电路的复杂程度在ZEN中也是首屈一指的。在下面的四个改进方案中，我们将以ZEN8中提出的电路为基础，根据LU1014D的特性，对其负载线和漏源(VDS）电压曲线进行优化，以达到进一步降低失真的目的。首先我们来回顾一下ZEN8的电路设计，见图1。

无反馈结构的ZEN8

　　改进方案1 滤波电源和有源恒流
　　在ZEN8中，我们使用一对白炽灯泡并联，等效电阻约为11Ω，给增益级JFET提供约2.2A的偏置电流。这种方式归纳起来有三个不容忽视的缺点：
　　1）电路的效率比较低，只有50%。这意味着电源电压值必须高出放大器的峰值输出电压的一倍。
　　2）灯泡的阻抗映射到放大器的负载上，使一个8Ω负载看起来像是4.6Ω，加重了增益级的负担，增加了失真。
　　3）电源抑制比低，电源噪声会通过灯泡影响到放大器的输出信号。
　　针对上述问题，我们有两个改进方法。首先增加一个滤波电源，以减少电源噪声和降低放大器在开关机时的冲击。其次，使用2A有源恒流源替换掉两只白炽灯泡。这将使放大器的偏置电流略微降低一些，电压利用率提高大约50%，并具有较低的失真和噪声。

滤波电源和有源恒流

　　图2所示为方案1的电路。VT4，C3和R8构成电容倍增器形式的滤波电路，阻容时间常数设置为5S，以获得最小纹波和最低的开机冲击。C2和C6接在场效应管VT3的漏极上，起到退偶作用。在VT4滤波电路中，输入端至输出端的压降约为4V，使用50V的非稳压电源给放大器供电，VT3漏极将获得约46V的电压。在以下的几个方案中，放大器的电源电压将遵循同样的标准。为了获得更好的稳压效果，可以在C3两端并联一只稳压管，但是此举会降低电源平滑启动的效果，产生开机冲击等不利因素。最后，我们采用有源恒流源给放大器提供稳定偏置电流的方式，来抑制电源纹波。恒流源电路由N沟道场效应管VT3和NPN型晶体管VT5组成。我们根据PN结的物理特性，使VT5的基极-发射极电压作为参考电压，在电阻R4至R6两端产生一个约0.66V的压降，确保恒流源始终保持在稳定的2A电流。R13至R10的回路设置了VT5的工作点。对比图1中的电路，这里还有一些其他的变化。比如从发烧的角度出发，在输出电容上并联了一只小容量的旁路电容。此外Pass针对JFET场效应管的特性，对其源极电阻也进行了调整，以达到优化性能的目的。在图2的电路中，我们使用可调电阻P1来设定JEFT场效应管的VDS电压，使放大级的电压为电源电压的一半。当VT3的漏极电压为46V时，VT2漏极上的电压为23V。通过适当的选择R3的阻值（实测约为2Ω），可使放大器达到最小的失真，此时VT1的漏源电压约为2～3V，管子上的耗散功率约为4～6W。方案1的电路，可以等效为一个跨导放大器。作为一个电流源，电路的输出阻抗主要取决于接在输出端的100Ω电阻，R7的阻值。我们将在后续的方案中使用负反馈来降低放大器的输出阻抗。

灯泡恒流源与有源恒流源对比曲线

　　图3所示为放大器改进前后的性能对比曲线，上方曲线为图1电路，下方曲线为图2电路。从图中可以看出改进后的失真减少了一半左右。灯泡版本在10W输出时失真在10%左右，相同情形下，有源恒流源版本可以达到20W输出。

　　改进方案2 级联调制
　　在ZEN8中，我们花了一些篇幅来讨**率型JEFT场效应管在低压下类似真空电子三极管的特性，以及管子的跨导和VDS电压曲线特点。通过精心选择管子的负载线，可以有效的消除由增益与电压变化导致的失真，大幅度提高放大器的性能。在方案2中我们将把JEFT的这种特性加以利用。在众多成熟的放大器电路设计中，为了使管子始终工作在理想的漏源电压与漏源电流条件下，往往要依赖更复杂的电路，这将有悖ZEN的设计理念。Pass在这里利用了简单的欧姆定律，因为恒流源的作用，JFET源极电流始终为恒定的2A。我们只需按照管子最佳的自给偏压，选择对应的源极电阻，R1～R3就可以了。在图2电路中，C5的作用是使VT2源极上的交流电压跟随着VT1源极的电压变化而变化，使VT1漏源极上的直流电压始终保持在一个相对稳定的范围。这是一种典型的级联操作。实际情形是，仅仅依靠稳定的漏源电压并不能确保JFET始终工作在最优的负载线下，我们还要想办法消除管子的非线性特性。这里采用的方式是在VT1的VDS直流电压上，附加一个-600mV/A的交流电压。这个数值是Pass经过测试放大器在1W输出时的性能而确定的。

级联调制

恒定模式与级联调制模式对比曲线

　　图4为改进后的电路，我们通过一个非常简单的方法，把C5的一端由JEFT的源极移至电源地来实现。图5显示的是改动前后的对比，下方曲线为级联调制模式。

　　改进方案3 负反馈
　　前两个方案有效的提高了放大器在小功率输出（1W）时的性能，此时的ZEN可以等效成一个电流源。从这个角度来看，效果已经很不错了。如果你想让放大器有一个阻尼系数，可以通过加入负反馈来实现。改进后的电路如图6。

负反馈

反馈与无反馈性能对比

　　在图6中，R16、R17和C8形成一个负反馈回路。与之前的ZEN一样，ZEN9在这里也是通过负反馈来降低输出阻抗。简单说，R16与R17的比值确定了放大器的增益，R16决定了输入阻抗。按照图中给定的数值，我们使用了10dB的反馈获得了3个阻尼系数，失真降低了一半左右。C8为补偿电容，加入它可以改善放大器的方波信号。图7显示了加入反馈前后的曲线对比。

　　改进方案4  ALEPH恒流源
　　制作过ZEN4放大器的音响爱好者，对电流可变恒流源一定不会陌生。这种特殊结构的恒流源被广泛运用在Pass的商业级放大器中。Pass为此给这项技术注册了专利（美国专利局编号＃5710522）。在ZEN2和ZEN4章节，Pass非常详尽的描述了这种恒流源的工作原理及其在ZEN中的实际应用。图8为加入了ALEPH恒流源的最终版ZEN9放大器。在这个电路中，C9、R18和R19用来设定动态电流，使其随着放大器输出电流的变化而变化，变化范围约为恒流源直流成分的50％左右。此时恒流源的负阻抗等效于双倍的负载阻抗，对于一个接在放大器输出端阻抗为8Ω的负载来说，ZV9的增益级相当于在驱动一个16Ω的负载。ALEPH恒流源的作用是通过提高负载阻抗，在减轻VT1负荷的同时确保它对输出信号的良好控制，从而达到降低失真的目的。在电子管放大器中，也有一些类似电路，比如SRPP或SEPP输出等。放大器在1W输出时，效率和性能提高了约5倍，在10W时约为10倍。ALEPH恒流源的加入使放大器的开环增益增加了大约6dB，阻尼系数也跃升到6，不失真输出功率也相应的提高了。由于开环增益仍然有限，放大器的实际输入阻抗要比输入电阻R16的阻值略高一些，约为10k。电路在-3dB的带宽大约为1Hz～80kHz。

恒流源方案

直流恒流源与电流可变恒流源对比曲线

　　图9显示两种恒流源的性能对比。从曲线中可以看出，加了两只电阻一只电容以后，输出功率增加了大约50％。制作要点通过适当调整R3的阻值，可以获得最低的失真。我们需要准备一只5Ω的大功率可调电阻和一台失真分析仪。首先调整P1使放大器输出直流电压达到最低值。然后缓慢微调R3，同时借助失真分析仪查看信号失真，最好的情况可以把放大器1W输出时的失真控制在0.003％左右。
　　考虑到很多音响爱好者都没有失真分析仪，PASS还提出另一种方法。借助如图10所示的电路，在LU1014的VGS值的基础上确定R3的阻值。使用一台3V直流电源，要求电源的输出电流不小于1A，在JFET管壳保持在室温的条件下，测量管子的VGS。这个电压值通常在1.0～1.1V，通过管子的特性曲线可以估算出R3的最佳值通常在1～3Ω。如果你不想单独测试每个JFET，还有一个更简单的方法。调整R3，使JFET的VDS电压值在2.5V左右，此时放大器的直流输出电压约为23V。在这个情况下，电路工作在最佳状态。ZEN9放大器的耗散功率约为100W，这意味着需要给它配备上不小于0.25C/W的散热片。VT1上的耗散功率约为4～6W，应给LU1014D采取良好的散热措施。VT2和VT3上消耗的功率较大，建议使用云母片与导热硅脂把这两只管子固定在足够大的散热片上，使它们工作稳定可靠。
　　半导体电路普遍存在温飘的问题，尤其是在发热巨大的甲类放大器中,性能受温度的影响会更大。对于电路的调整，这也是一个不容忽视的因素，我们通常要给放大器一个预热的时间（1小时左右），当电路进入稳定状态以后，再进行相应的调整。除非特别指定，电路中所有的电阻均为0.25W金属膜，电容耐压均为50V。

　　结论
　　从Pass提出ZEN的理念，发表出他的第一版设计，至今已经过了12年。ZEN也从一个有点实验性质的DIY项目，衍生出众多的版本和五花八门的电路拓扑结构，启发了众多音响爱好者对功率放大器的设计和制作更深一层的思考。译者认为，ZEN的成功在于它的切入点选的非常好。单级增益放大器的魅力是多方面的：其结构简单，非常适合作为一个典型案例加以细致分析；从业余爱好者的角度来看，简单电路更具亲和力，鼓舞了初学者拿起烙铁的信心。
　　抛开结构和审美等这些非技术因素，单级放大器最大的挑战是如何以精简的电路，通过有限的几只元件，对声音进行原汁原味的放大，使其既不丢失细节，又不会增加音染。

　　可喜的是，经过了九个版本的不断演化，我们已经取得了实实在在的进展。对比ZEN1放大器在1W时0.6%的谐波失真，ZEN9降低了大致100倍的样子。根据Pass的观点，越简单的电路，指标和听感之间的联系就越密切。由此可不可以认为ZEN9的声音同样比ZEN1好过100倍呢？不用说，答案当然是否定的。Pass的结论是，ZEN9的声音起**比ZEN1好过10倍。