场效应晶体管的特性及制作单端甲类功率放大器的全过程
场效应晶体管既有普通晶体管和电子管的优点，又有两者都缺乏的优点。FET具有双向对称性，即FET的源极和漏极可以互换(无阻尼)，这对于普通晶体管来说不容易，对于电子管来说不可能。所谓双向对称，对于普通晶体管来说，就是发射极和集电极的互换，对于电子管来说，就是阴极和阳极的互换。
一、场效应晶体管的特点
与普通晶体管相比，场效应晶体管具有输入阻抗高、噪声系数低、热稳定性好、动态范围大等优点。它是一种压控器件，传输特性类似于电子管，因此在高保真设备和集成电路中得到了广泛的应用。其特点如下。
高输入阻抗容易驱动，输入阻抗随频率的变化比较小。输入结电容小(反馈电容)，输出负载的变化对输入影响小，因此负载驱动能力强，功率利用率高。
FET的噪声很低，噪声系数可以在1dB以下。目前大部分FET的噪声系数在0.5dB左右，普通晶体管和电子管很难达到。
FET具有更好的热稳定性和更大的动态范围。
FET的输出是输入的二次函数，失真低于晶体管，略大于胆管。FET的失真多为偶次谐波失真，听觉好，高、中、低频能量分布恰当，声音密度大，低频下潜深，声场稳定，透明度适中，层次感、分辨率、定位表现好，声场空间描述能力强，音乐细节表现好。
普通晶体管工作时，由于输入端(发射极结)正向偏置，输入电阻很低。场效应晶体管的输入端(栅极和源极之间)工作时，可以施加负偏置，即反向偏置，或正向偏置，增加了电路设计的灵活性和多样性。通常施加反向偏置时，其输入电阻较高，可达100 mω以上。FET的这种特性在某些方面弥补了普通晶体管和电子管的不足。
场效应晶体管的辐射防护能力比普通晶体管高10倍左右。
转换速率快，高频特性好。
场效应管的电压电流特性曲线与五极电子管的输出特性曲线非常相似。
场效应晶体管有很多种，一般可分为结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管，又有N沟道(电流沟道)和P沟道两种，每种又有增强和耗尽四种。
绝缘栅场效应晶体管又称金属(M)氧化物(O)半导体(S)场效应晶体管，简称MOS晶体管。按其内部结构可分为一般的VMOS晶体管和vmosfet两种，每种又有N沟道和P沟道两种，增强型和耗尽型四种。
VMOS场效应晶体管，又称V型槽MOS场效应晶体管，是在普通MOS场效应晶体管基础上发展起来的一种新型高效功率开关器件。它不仅继承了MOS FET的高输入阻抗(大于100 mω)和低驱动电流(约0.1uA)，还具有高耐压(高达1200V)、高工作电流(1.5 ~ 100A)和高输出功率。目前已广泛应用于高速开关、电压放大(电压放大可达数千倍)、射频功率放大器、开关电源和逆变电路中。由于兼具电子管和晶体管的优点，用其制成的高清音频功率放大器音质温暖甜美而不失力度，深受爱好者的青睐，因而在音频领域有着广阔的应用前景。Vmosfet和普通MOS晶体管一样，也可以分为N型沟道和P型沟道两种，增强型和耗尽型四种，分类特性和普通MOS晶体管一样。VMOS场效应管还具有以下特点。
高输入阻抗。由于栅源之间有SiO2层，所以栅源之间的DC电阻基本为SiO2绝缘电阻，一般约为100 mω，交流输入阻抗基本为输入电容的容抗。
驱动电流很小。由于输入阻抗较高，vmosfet是压控器件，可以用电压驱动，所需驱动电流极小。
跨导的线性度很好。它具有很大的线性放大区域，这与电子管的传输特性非常相似。更好的线性度意味着更低的失真，尤其是负的电流-温度系数(即在栅源电压不变的情况下，导通电流会随着管温的升高而降低)，所以不存在二次击穿造成的管损伤。因此，vmosfet的并联得到了广泛的应用。
结电容没有变容二极管效应。vmosfet的结电容不随结电压变化，不存在普通晶体管结电容的变容二极管效应，因此可以避免变容二极管效应引起的失真。
良好的频率特性。VMOS场效应管的多数载流子运动属于漂移运动，漂移距离只有1 ~ 1.5 um，不受晶体管那样的少数载流子基极跃迁时间的限制，所以功率增益随频率变化很小，具有良好的频率特性。
切换速度快。由于没有少数载流子的存储延迟时间，VMOS场效应管的开关速度很快，可以在20ns内导通或关断几十个A的电流。
二、场效应管的主要参数及选择
为了正确、安全地使用场效应管，防止场效应管因静电、误操作或存放不当而损坏，有必要了解和掌握场效应管的主要参数。FET的参数有几十个。表1列出了主要参数和含义，以供参考。
在选择FET时应注意以下几点。
场效应晶体管ID的参数是根据电路要求选择的，可以满足功耗要求，并留有微小余量。不要以为越大越好，ID越大CGS越大，对电路的高频响应和失真都是不利的。例如，内径为2A的电子管的CGS约为80pF。对于内径为10A的管道，CGS约为1000pF。合理的散热设计可以保证使用的可靠性。
vmosfet的源漏耐压BVDSS不要太高，满足要求即可。因为BVDSS大的管道饱和压降也大，会影响效率。结型场效应晶体管要尽量高，因为不高，一般BVDSS是30 ~ 50 V，BVGGSS是20 V。
Vmosfet的BVGSS应该尽可能的高，因为VMOS管的栅极比较脆弱，容易被击穿。储存或操作时应小心，防止静电物体接触引脚。存放时，引出脚应短路并用金属盒屏蔽，防止栅极被外部感应电位击穿，特别是管子不要放在塑料盒或塑料袋中。为了防止电网感应击穿，要求所有仪表、烙铁、电路板和人体在安装调试时都有良好的接地效果。管道接入电路前，管道的所有引脚必须保持短路状态，焊接后才能去除短路的材料。
配对的管子要求是同厂同批号，这样参数就一致了。尽量选择孪生成对管，使管的夹断电压和跨导尽可能一致，匹配误差分别小于3%和5%。
尽可能选择专用的音频管，更适合音频放大电路的要求。
安装场效应管时，位置应避免靠近发热元件。为了防止管道振动，管道应该被紧固。弯曲时，引脚引线应弯曲到比根部大5mm的距离，以防止引脚在弯曲过程中断裂或造成漏气，损坏管道。为了有良好的散热条件，管道必须配备足够的散热器，保证管道温度不超过额定值，保证长期稳定可靠工作。
三、音频放大器的艺术魅力及评价
音频放大器可分为电子管放大器、晶体管放大器、集成电路放大器、场效应晶体管放大器和由上述两种或两种以上器件组成的混合放大器。使用的各种放大电路和元件也是五花八门，千变万化，对音源的播放音质有着自己的特点。以偏概全，势不可挡，很难说哪个放大器能成为万能放大器。
由于空间电荷传输的时间延迟，电子管放大器的放音音色温暖柔和，尤其是弦乐声，圆润通透，耐人寻味。晶体管和集成电路放大器具有敏锐的解析力、宽广的频率响应和强大的动态性，充满活力和鼓舞人心的感染力。场效应晶体管放大器和混合器件放大器试图结合电子管和晶体管的音频特性，创造出非凡的光彩，使音乐更加生动，音色更加完美。
近年来，随着计算机技术的不断发展，各种电子合成器、各种音效和胆效软件、虚拟音箱技术层出不穷。这使得音频功放硬件的发展和普及远远跟不上软件的速度，硬件在精度上往往赶不上软件。比如电脑模拟3D效果的逼真度大大超过真实的3D效果，不受听音室空间和音源合成的限制，同时节省了硬件投入的成本。
绿色音响，双发烧——电脑音响很可能成为未来音响的主流，硬件不能是软件，实行软硬兼施，功能强大，集中体现了高效、便捷、神奇、经济的特点。如果在电脑中安装了虚拟光驱，就不需要每次播放音乐都启动物理光驱，既减少了等待音乐的时间和物理光驱的磨损，又消除了物理光驱的噪音，实现了高保真播放。再比如，胆管功放播放柔和，耐听，制作成本不薄，获得优美声音的元素很多。而通过胆囊音效装置的软件，我们可以在电脑中创建一个“软胆囊”，模拟胆囊机的音色。目前电脑多媒体音频处于高级时期，与电视搭建了沟通的桥梁，前景十分光明诱人！不惜时间和精力积极探索追求音质的特殊方面的电脑和音频爱好者，将继续肩负起一个爱乐人的责任。生活中多一首甜美的歌，就会少一场痛苦的争执。无论是普通音频还是电脑多媒体音频，功率放大器仍然是音频能量扩展促进扬声器发声不可或缺的终端，各种放大器都能很好的实现这一功能。但现代人对声音的要求越来越高(主要是技术因素，如频响、失真、信噪比等。)和音乐(主要是艺术魅力，比如声音底子是否醇厚，厅堂声音是否丰富，听感是否悦耳等。).很多“金耳朵”能听到歌手的咬牙切齿、口角以及身临其境、接近现场的感觉，因此也对音频放大器再现音色提出了更大的要求。
各种音频放大器都有各自的优点和属性，但也有各自的缺点。主流的FET放大器既有晶体管和电子管的优点，也有两者都没有的优点。在电路方案中，大量实践证明，单端甲类功放是以效率换取音质的典范，具有无与伦比的音乐魅力。很多发烧友从单纯追求音质出发，反复做功放，反复比较听，最后被A类打动，似乎没有A类的音乐就像孤独的音乐。
四、单端甲类放大器性能刍议
放大器根据工作条件的不同，一般可分为三类:①甲类放大器，也称甲类放大器；②甲乙类放大器，也称甲乙类放大器；③乙类放大器，又称乙类放大器。在这三类放大器中，A类放大器的线性度最好，音色也最优美，而单端A类放大器与推挽式放大器的设计区别在于用一个放大器来放大整个音乐波形。推挽式设计使用两个放大器件分别放大信号的正负半周，包括一些推挽式A类放大器。单端甲类放大与推挽放大的一个显著区别是，放大后的音乐波形是一个与输入波形非常相似的完整波形，没有推挽放大正负波形的交叉失真。虽然推挽放大采用匹配精度高达2%甚至更低的双管，但这只是片面的数字描述。实际上正负波形并不能很好的交接，电路元件非线性导致的相移是存在的。交叉失真将进一步增加。当然，失真和音色在一定程度上并不是对立的，这取决于设计功放的目的和目标。推挽放大不止于此。而且由于推挽式放大器中多谐波的存在，虽然原有的正负波形没有很好的交接，谐波交接不能否认，但是很难和单端波形竞争。
笔者并不完全同意推挽放大的谐波尤其是偶次谐波会相互抵消的说法，只有180或360的相移失真等谐波成分才会相互抵消。比如推挽功率放大器中DC高压中的交流纹波被推挽变压器的中心抽头分成两路，由于两臂线圈极性相反，交流纹波几乎完全抵消，相差180。
单端甲类功放的音乐性最自然，其不对称性类似于空气压缩和膨胀的特性。因为空气中含量最多的是非极性分子氮(N2)，约占78%，空气是一种压力非常高的“单端无电极”介质，使得单端A类音乐最为生动醇厚。
五、VMOS FET单端甲类功率放大器生产
设计放大器有两个基本原则:一是简单，二是线性。最简单的放大器电路是单端A类。简单不是单端A类放大的唯一原因，因为单端A类的音乐感最迷人。在A类、B类、AB类电路方案中，A类线性度最好，但缺点是效率最低，20%左右，是效率变音质的典范。
单端A类放大器电路中使用的放大器也需要注意。晶体管输入阻抗太低，电子管输入阻抗高，但输出阻抗也比较高。原则上电子管不适合做功放输出管，只能选择场效应管。场效应晶体管具有很高的输入阻抗和跨导，还可以输出大电流，非常适合单端甲类放大器。在众多场效应晶体管中，由VMOS场效应晶体管制成的单端甲类放大器更具吸引力和独特性。高端的钛膜音，中频饱满细腻顺滑的磁音，弹性震撼的低频炸音，有一种霸气的气势。
在一般的设计中，FET的特长没有得到充分发挥，甚至声音又冷又暗，这都不是FET的原因。它的声音不好，一方面是人们用它直接代替晶体管，晶体管的电路发挥不出场效应晶体管的特性；另一方面，这些电路通常使用AB类偏置。根据场效应晶体管的传输特性，它在低偏压下具有严重的非线性，带来严重的失真。解决方法是使其工作在A类状态，尤其是单端A类，瞬态特性优秀，音质纯正，偶次谐波丰富，音质愉悦，电子管音质醇厚。
1.电路原理
10W单端A类FET功率放大器电路
单端A类FET功放电路种类繁多，各有特点。局部电路如附图所示。为了获得优美的音色，简洁的原则是最高的，多一个分量，多一条线，失真就多一分。简要介绍了电路原理，以引起更多的注意。其主要特点如下。
(1)为了避免普通音量电位器操作带来的传输失真、接触电阻不稳定、摩擦噪音、疲劳等问题，本机采用音频型极低噪声VMOS场效应晶体管IRFD113进行手指触摸音量控制。与键控音量电路相比，减少了一些元器件，屏蔽掉了一些元器件，使音量控制部分的噪声系数在1dB以下(VMOS场效应晶体管的噪声系数约为0.5dB)，敢于与高档真空步进电位器或无源变压器电位器抗衡，感觉更加贴切和人性化。
VMOS场效应管内阻高，属于压控器件。充电电容器连接在栅极和源极之间。由于栅极漏电流极小，电容电压基本可以长时间保持不变。当电子管工作在可调电阻区时，其漏源电阻将由栅源电压，即电容的电压来控制。这时，电子管就相当于一个压控可变电阻。当手指开关S1闭合时，电容充电，当手指开关S2闭合时，电容放电，通过电压控制漏源电阻。把它按进音频设备来调节音量。S1和S2可用薄银片或薄铜片制作，间距约2mm。经过调试，确定音量增减设置在2dB左右。
(2)电压经IRF510放大，放大后的音频电压直接耦合到上臂管IRF150进行电流放大和源输出。下臂管IRF150构成恒流源，DC为通路，交流为开路，使交流信号通过输出电容驱动扬声器。
(3)由于VMOS场效应管具有负的电流温度系数，即在栅源电压不变的情况下，导通电流会随着管温的升高而降低，从而避免了管的二次击穿。但是，管温的变化与电流的变化率相差甚远。为了防止负温度系数惯性延迟影响工作状态，本机在IRF510阴极连接一个阻值合适的正温度系数补偿电阻(100ω/2W)起到缓冲作用。其原理是在没有阴极电阻时，IRF510的栅源电压是一个恒定的固定偏置，与管电流的变化无关。当增加阴极电阻时，当管电流降低时，源电位也降低。与栅极相比，栅极电位增加，所以栅源电压增加，此时管电流增加，从而抵消负温度系数引起的电流陡坡现象。阴极电阻的阻值决定了这种影响的大小，从而起到适当的缓冲作用。这个电阻不是电流负反馈电阻。
(4)经过考虑，本机没有使用OCL，即没有输出电容电路。一是为了扬声器安全，二是考虑到零偏置电压，尤其是动态时，会在扬声器音圈上产生DC偏置位移，直接影响扬声器性能，从而恶化音质。因为大容量输出电容多为电解电容，一般认为噪声大，其实是信噪比的问题。关键是用在什么电路里。例如，在动态拾波放大器电路中不适合使用电解电容。动态拾音器的信号只有2mV左右，这就要求放大电路有很高的信噪比，而使用电解电容时信噪比较低。但是在功放的最后输出端使用电解电容的情况就不一样了，信噪比会比低电平电路有很大的提高。另一方面，电解电容最好在使用前通电老化，挑选最好的，使用后再全面修机，降低噪声系数。没有无噪声元件。关键是合理使用它们，并采取措施达到必要的目标。为了减少输出电解电容由于电感对高频的影响，本机采用三个电解电容并联来降低电感，将扬声器的负极连接到电解电容的负极，来箝位电解电容漏电流引起的音圈磁偏位移。
(5)本地FET的偏置电压由电源模块LM7812提供，功放不采用稳压电源供电，避免限制音乐的低频强度和动态，即为了电流降低电压，为了音质降低功率。
2.生产和调试
制作该机时，两个通道应采用独立电源供电，以提高隔离度，减少干扰，增强各通道的工作稳定性。由于本机后级采用直接耦合电路，工作点会相互牵制，需要多次调试才能完成。IRF510工作电流约20mA，上下IRF150(成对)管工作电流约1.5A，栅源电压约3.8V反复调节这两级的偏置电阻使中点电压l8V。不同产地不同批次的管材会有所不同，数据仅供参考。最好用示波器把它们调整到A类的最佳工作状态。否则，由于管道的离散性，即使按照说明书或特性曲线给出的参数调整工作点，也不一定能工作在最佳的A类状态。该机可替代的场效应管有很多，不同管的参数、特性、音色也不同。表2列出了几个常见的管道参数供参考。该机其他部件的选型请参考相关资料，在此不再赘述。
表2几种常用场效应晶体管的主要参数
单端电路是耗电大户。这台机器输出管的热损失约为30W。提高工作电压也能提高输出功率，但热损耗也相应增加。因此，必须将管道安装在热阻不大于1kω/W、规格不小于200mm×200mm×6mm的散热器上，并在涂上硅脂后将管道紧固在适当的位置。
3.参数指示器
实测技术指标见表3。
表3实测技术指标
4.评估试听
该机器的评估和试听设备如下:
(1)飞利浦)LHH-500顶级CD机；(2)自制直热管3A5前级；
③意大利语青叶鸫卡斯语者；
(4)美国音乐丝带Superflat线缆音箱线缆；(5)高风Ortofon AC-5000 8N无氧铜信号线；(6)日立4N单铜3×3.5mm硅橡胶电源线；(7) G&W TW-05D音响电源净化器。
场效应晶体管STD45N10F7参数
制造商:意法半导体
产品类别:MOSFET
RoHS:？详细信息
技术:Si
安装方式:SMD/SMT
包装/装箱数:TO-252-3
通道数:1个通道
晶体管极性:N沟道
Vds-漏极和源极击穿电压:100 V。
Id-连续漏极电流:45 A
Rds导通-漏极-源极导通电阻:18兆欧。
Vgs第栅极-源极阈值电压:4.5 v。
vgs-栅极-源极电压:20 V
Qg-栅极电荷:25 nC
最低工作温度:-55摄氏度。
最高工作温度:+175°c。
配置:单个
Pd-功耗:60 W
商标名称:STripFET
包装:切割胶带
封装:鼠标卷轴
包装:卷轴
系列:STD45N10F7
晶体管类型:1 N沟道
商标:意法半导体
CNHTS: 8541290000
下降时间:8 ns
HTS代码:8541290095
MXHTS: 85412999
产品类型:MOSFET
上升时间:17 ns
工厂装箱数量:2500个
子类别:MOSFETs
塔里克:8541290000
典型关闭延迟时间:24 ns
典型开启延迟时间:15 ns
单个重量:4克