功率放大器设计经验
功率放大器设计经验
在功放的调试中，一个不可避免的问题就是功放的自激振荡的问题。自激对功放的危害是很严重的，甚至烧毁管子。引起自激振荡的原因是多种的，基本的原理就是形成了局部正反馈。自激分低频和高频自激：
高频大功率场效应管在低频的增益很高，若不采取适当措施，则会产生几兆赫以下的低频振荡，瞬间就能毁坏场效应管，或使高频信号的增益，效率降低。其产生的主要原因和措施如下：
1．由于散热不良，可能导致低频自激。随着温度的升高，功放管的内部性能变差，极有可能产生与频率相关的热回授。引起低频自激，故必须加强散热。
2．馈电不当有可能引起低频自激。（1）漏极直流馈电电感（扼流圈），既起到直流馈电作用，同时又起到电抗的加载作用。但若其电感量选取不合适，将会由于加载不当造成自激。即当其电感量太大时，将会与漏极的杂散电容（包括场效应管等效的输出并联电容或串连电容）形成串连和并联谐振，造成自激。当电感量很小时，对低频仍有很高阻抗。故其电感量应选小些，一般使其成为电路参数的一部分，谐振于工作频率。但其电感量过小会使放大器增益降低，故一般选取其在工作频率时的感抗值为电路阻抗的（2~20）倍。当选定的电感量小时，为了更好地抑制高频信号从馈电窜出，可在此后加接Π或Γ型去藕电路。(2)在漏极实行电导和电抗同时加载。减小扼流圈的电感量，降低其Q值，将使电路的低频增益大大降低。为使漏极馈电不受影响，可以在漏极馈电电感上并联一个电阻，可以消除低频自激。但这将会损耗信号功率。（3）栅极的馈电电感（扼流圈），也同时起到了直流馈电和对输入端进行电抗加载作用。电感量也应该选取合适，太大将与场效应管的等效并联电容产生并联谐振。太小可能会与周围的分布电容产生串连或并联谐振。一般选取其在工作频率时的感抗值为输入端电路阻抗值的（20～400）倍。（4）对场效应管输入端进行电导和电抗同时加载。即在栅极的馈电电感上并联一个小电阻，或直接使用电阻加载，以降低Q值，使其不易起振，也可以串连小电阻。
3．加强各级功率放大器馈电支路的去藕和各级馈电支路之间的去藕，以防止通过电源反馈产生自激振荡。
4．选择适当的旁路电容（包括电容的种类和容量）。例如要旁路高，低频不同频带，可选用两种不同容量，不同频率特性的电容并联作为旁路电容。
5. 适当的负反馈可以增强功率放大器的稳定性．
引起高频振荡的原因很多，采取的措施也是很复杂的，下面是笔者根据实践总结出的一些
可能的方面。
1．恰当选取漏极和栅极的馈电电感量，降低他们的Q值，防止自激，同时应当注意输入输出电路的其它寄生参数振荡。
2．仔细调整输入，输出，级间的匹配电路，防止因电路严重失配，导致功率来回反射，从而形成振荡。失配导致的振荡一般为强振荡，如果失配严重，很有可能使功放性能变得很差，此时在频谱仪上可以看到频谱非常杂乱，严重的时候甚至击穿功放管。
3．分布参数引起的振荡，这一点十分复杂。设计到功放的诸多方面，实践说明应当注意以下几点：
（1） 公共接地端引线要短，到地电流路径阻抗要低
（2） 注意元件布置，各线圈以及各引线分布电感之间地耦合要小。
（3） 正确选择电路常数。
（4）功率放大器地输入，输出电路形式，是否与分布参数结合后发生严重变形。
（5）印制电路应以减小分布参数和反馈地原则排版。为了减小分布参数，印制电路在设计中要遵循一些原则：（1）公共地线应布置在最边缘，便于与机壳相连；电源，滤波，控制，低频，直流，导线等元件应靠边布置；射频元件布置在印制板中间；不要求屏蔽的部分的地线应杜绝伸入射频电路区域，以减小射频电路部分对地或机壳地分布电容。（2）射频引线要短而直，因为印制板上的布线，在大功率射频的时候，即可能成为发射天线，也可能成为接收天线。外加地引线尽量采用适当宽地扁带状线。由于是功率合成功放，电路布置尽量对称。（3）合理选用与电性能要求相符合的板材，如选用射频时介电常数小地板材，且板材的厚度也尽可能的厚，既降低分布电容的数值，也防止板子被击穿。（4）实践中，导线的宽度也应该根据分布电感，分布电容和功率，采用恰当的线宽。
一张地线布线正确的PCB
这张PCB中，大小信号地严格分开，同时采用了一些其他降噪手段，信噪比例很高，输入端开路时，实测输出端残留噪音不高于0.3mV，夜深人静时耳朵贴在扬声器单元上也没有任何噪声。为看图方便，仅画出一声道的地线做示范。C9、R1、C10及信号输入插座接地端是小信号地，通过红色地线接至总接地点，左侧地线是扬声器及zobel网络地，右侧地线是退耦电容的电源地，三条地线在主滤波电容C4的1脚汇合，实现真正意义上的“一点接地”。
三、机械杂音及热噪声
（一）机械噪声
有源音箱将音箱与放大器集成在一起，因此有部分噪声是特有的。
最常见的机械噪音来源是电源变压器。前面说过，电源变压器工作过程是“电—磁—电”转换的过程，电磁转换过程中，除产生磁泄露外，交变磁场会引起铁芯震动
。老式镇流器日光灯工作时镇流器会发出嗡嗡声，使用日久后声音还会增大，就是因为铁芯受交变磁场吸斥而引发震动。
制作精良的变压器，铁芯压的很紧，同时在下线前要经过真空浸漆工艺处理，交变磁场引起的铁芯震动很小；如变压器铁芯松动、未压实，通电时引起的振动会比较强（想象一下理发店的电推子）。许多低价变压器为节约工时仅做“蘸”漆而未做“真空浸漆”处理，铁芯振动更严重。音箱箱体有一定的助声腔作用，变压器振动引起的空气扰动传导到扬声器振膜上，听起来与电磁干扰引起的噪音非常相似。年前修理一套交流声严重的有源音箱，遍查电路找不到原因，无意中将扬声器连线碰断，噪音几乎未降低，最终确认是变压器作怪。
这种情况在有源音箱上是普遍存在的，变压器品质高低只对最终引起的振幅大小有影响，即使价格非常昂贵的电源变压器也存在振动，因此绝大多数有源音箱主箱噪音水平逊于副箱。
电源变压器导致的机械杂音防治措施比较简单，可根据实际情况以下几点作为参考：
1.选择品质较好、工艺严谨的变压器，降低变压器自身振动，这也是最有效的措施
2.在变压器与固定板之间增加减震层，选用弹性的软性材料如橡胶、泡棉等，切断变压器与箱体之间的震动耦合通道。
3.选择有一定功率裕量的变压器，变压器工作越接近额定上限，震动越大。功率裕量大的变压器不易出现磁饱和，长期工作稳定性好，发热量相对较小。
还有种常见的机械噪声来源于电位器。市售有源音箱绝大多数使用旋转式碳膜电位器，随使用时间的推移，电位器金属刷与膜片之间会因灰尘沉积、膜片磨损产生接触不良，在转动电位器时会有很大的噪音产生，磨损严重的电位器甚至在不转动时也会有噪声。
还有些较特殊的动态杂音需简述一下：部分有源音箱箱板之间接合不牢靠，或是用家自行拆箱后未压紧安装螺丝，在播放动态稍大的音乐时有杂音产生；或是由于加工手段不完善，箱体存在不同程度的漏气；倒相管两端未做双R或指数型开口，大动态时气流在此急剧压缩、膨胀产生噪声。
（二）热噪声
有源音箱电路部分由电阻、电容等无源器件和IC、晶体管等有源器件组成，电子元件在正常工作状态下必然会产生属于元件自身特有的“本底噪声”，也就是常说的热噪声。热噪声属广谱热噪声，主要集中在中高频，反映在听感上一般多是高音单元中发出的“嘶嘶”声。
无源器件导电部分存在大量的游离态电子，游离态电子数量与温度有直接关系，温度越
高，数量也越多。游离态电子运动可视为无序运动，与正常有序的信号电流相比而言可视为杂波。IC等有源器件游离态电子数量远大于无源器件，有源器件具有放大作用，因此有源器件热噪声要高于无源器件。
热噪声同样是无法根治的，防治手段主要是更换元件以及降低元件工作负荷。更换元件是指采用低噪声元件，如金属膜电阻热噪声要低于碳膜电阻，碳膜电阻热噪声低于碳质电阻，低噪声、低温漂IC热噪声好过通用IC等。另外，加强散热措施、降低工作温度也是降低热噪声、增强工作稳定性的有效手段，一般甲类功放噪声及零漂逊于甲乙类功放。工作温度过高不仅仅是噪声增加，对于有源器件来说，还意味着漏电流、增益的不稳定，对功放的长期稳定工作不利。