从功率器件的过渡特性看功放的动指标。

lyticast

谈这个话题前，先简单介绍下器件的过渡参数的含义，这也是为了接下来的深层次的剖析器件在功放里的应有表现。
目前来说，功放常用的器件有电子管，晶体管和场效应管3种，其中功率场效应管还要再细分，这留在后面的篇幅介绍。
电子管来说，本人也不太熟悉，仅知道它是电压控制器件，输出是平方率特性，若是无负反馈，则必定会有比较大的偶次谐波失真。至于交越失真，由于电子管的速度实在是太快，快到几乎来不及产生失真就已经过渡完成。因此无反馈或浅反馈的电子管放大器会多出来一些有益的音染。（据说偶次谐波失真比较悦耳）
晶体管大家都比较熟悉它的静态指标，比如说Icm，V（BRceo)，HFE等等。但是本帖要讨论的是动态特性，于是必须要深究一下动态参数。首先是：贮存时间tstg

图示是三肯的三重扩散NPN大功率管2SC2922的参数，如图可见2SC2922的tstg=1.3us，Tf=0.45us。这表示饱和状态下，令Ib=0，Ic将继续维持1.3us的拖尾时间，再经过0.45us方能降到10%Ic。请注意，2SC2922是三重扩散NPN大功率管，已经属于开关管的范畴，其速度是极快的。（开通时间一般远小于关断时间，所以略去不计）而一般的大功率管，这个时间从2~10us不等。这个拖尾时间，在开关电源应用上是采用负压来抽取基区电流的方式来加速关断，但是晶体管的极限能力放在那里了，也就是2us。为了不至产生过大的开关损耗，所以晶体管开关电源的工作频率都在20KHz以下。
请注意晶体管的截止频率Ft和贮存时间tstg之间并没有直接的对应关系，并不是说Ft=100MHz的管子，其tstg就一定比Ft=20MHz的开关管要低，这个和晶体管的制造工艺是息息相关的。所以要求速度，就必须采用开关管开做输出。
另一个和速度息息相关的参数是米勒电容Cob，图示2SC2922的Cob是250PF。这里就牵涉到开通和关闭晶体管时，驱动电路（推动级）除了要供给Ic/HFE的Ib外，还要额外的对这个电容进行充放电。所需的电量为“Cob*（Vcc2-Vcc1），其中（Vcc2-Vcc1）为集电极电压变化的增量。不过对于晶体管来说，米勒电容所需要的能量比起Ib所需要的能量是个零头，可以略去不计。
这里就可以解释为何同样标称20Hz~20KHz的功放，听感（主要是清晰度）会有很大的差别。对于单一正弦波频率测试来说，确实是无差别的，因为这时候晶体管工作于线性区，频率特性由FT决定。但是当输入的是高低频混合的音乐信号时，就会产生很大的差别。一般低频信号的幅度是很大的，对于叠加于低频信号上的高频信号（细节）来说，贮存时间将是致命的缺点。它会将细节做一些平滑，使得细节损失，于是听感就变暗。一个典型的例子就是末级管采用低速的东芝管的功放，听感就是温暖，实际上就是丢失了细节。采用三肯管做输出的功放，声音就会比较清晰。这就是tstg带来的差异。
注意：tstg带来的等效模型并不是电容，而是电池！
所以功放的指标缺少一个：关断失真。（开通失真非常小，小到可以忽略不计。）
电子管功放没有这些失真，只是电子管功放被输出变压器拖累了。玩胆机的都知道，胆机的关键就是输出变压器。

[ 本帖最后由 lyticast 于 2010-4-21 16:59 编辑 ]

今夜星光

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坐沙发，等下文。

jjyfoot

技术好帖。
深入全面研究器件的手册和特性，是一个严肃的开发者必须做的功课。
很多时候，不是器件不好，是设计的人不会用。有关声音的一切，实际上都是可以有科学解释的，指标看起来很好的设备不好声，是因为有很多没有标出的指标不合格。

lyticast

接下来看看场效应管的动态参数。功放常用的场管有平面场效应管LDMOS，以K1058，J162为代表。和VDMOS，以IRF为代表。特性有些差别，主要静态特性的差别在于跨导的线性，LDMOS具有全范围的平方率特性的跨导，也就是说LDMOS的线性其实是不好的。VDMOS除了起始段的平方率特性外，越过此范围就是高度线性化的跨导。
很多人都误认为场效应管是电压控制的器件，其实准确的说，应该是”电荷控制型“的器件。因此在计算动态参数的时候，并不是计算Vgs等于几伏，而是计算栅荷（Qg）的
我们先看看常用的两种场管的参数对比。
IRFP240

2SK1058


[ 本帖最后由 lyticast 于 2010-4-21 16:27 编辑 ]

灰色的天空

Tstg应该是存储温度吧，也就是晶体管允许存放的温度，和运行参数无关的，楼主搞错了吧？

灰色的天空

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请看单位是温度。。。

lyticast

请注意，场效应管没有tstg这个参数，这意味着Vgs小于开启电压，管子就立刻关断。对于IRFP240来说，典型的关断过渡时间是20ps。20ps是什么概念？相当于50GHz的频率！
根据列出的参数，很容易就可以计算给定电源电压和负载阻抗下说需要的栅荷，根据栅荷的数据和驱动能力，就可以计算出上升和下降的时间来。我们以实例来计算。
Vcc=+/-50V，RL=8欧，管子饱和压降忽略不计。分别计算一下2SK1058和IRFP240所需要的Qg。根据给定条件可知最大的电流是Id=6.25A，漏极电压最高变化率是Vds增量=50V。
2SK1058，Gfs=1S，Ciss=600pf，Crss=10pf。
Vgs增量是Id/Gfs=6.25V，那么Qg=Qiss+Qrss=Ciss*Vgs增量+Crss*Vds增量=3.75nc+0.5nc=4.25nc
IRFP240，Gfs=6.9S，Ciss=1300pf,Crss=130pf
Vgs增量是0.906V，Qg=1.27nc+6.5nc=7.77nc
粗看IRFP240需要比2SK1058多一倍的Qg，其实不然，因为IRFP240的输出能力2.5倍于2SK1058，所以如果带动4欧负载，结果就会一样的。
这样，其上升下降所需时间只需用Qg/Ig就可以求出。就算是电压级直接驱动MOSFET，电压级的静态电流5mA是很常见的，算起来这个时间也是短至1us的量级了。由数据可知，场管的速度比晶体管要快一个数量级以上。因此场管制作的功放，其参数就比较客观真实。

[ 本帖最后由 lyticast 于 2010-4-21 17:00 编辑 ]

wishwatch

顶技术贴, 坐等看下文!

lyticast

原帖由 灰色的天空 于 2010-4-21 16:46 发表
Tstg应该是存储温度吧，也就是晶体管允许存放的温度，和运行参数无关的，楼主搞错了吧？

应该是小写的ttsg，我主要是不想编辑字体，偷懒罢了。但是注释是贮存时间。tstg=storage time

上海老娘舅

严重的关注

灰色的天空

原帖由 lyticast 于 2010-4-21 16:52 发表

应该是小写的ttsg，我主要是不想编辑字体，偷懒罢了。但是注释是贮存时间。tstg=storage time

呵呵，这也能偷懒？小写才省力呢。

灰色的天空

原帖由 lyticast 于 2010-4-21 16:11 发表
在开关电源应用上是采用负压来抽取基区电流的方式来加速关断，但是晶体管的极限能力放在那里了，也就是2us。为了不至产生过大的开关损耗，所以晶体管开关电源的工作频率都在20KHz以下。

现在100KHz的晶体管开关电源也很多的。[s:97] [s:97]

lyticast

原帖由 灰色的天空 于 2010-4-21 16:57 发表

现在100KHz的晶体管开关电源也很多的。[s:97] [s:97]

100KHz的开关电源基本都是场效应管的，晶体管的可能仅有微小功率的才会应用。反正大功率的100KHz开关电源没见过用晶体管的。

灰色的天空

原帖由 lyticast 于 2010-4-21 17:02 发表

100KHz的开关电源基本都是场效应管的，晶体管的可能仅有微小功率的才会应用。反正大功率的100KHz开关电源没见过用晶体管的。

呵呵，没见过不等于没有。

灰色的天空

还有，现在的音频功率放大器绝大多数不是工作于开关状态的，所以那个关断失真其实没有的，倒是由于采用推挽电路而产生的交越失真问题大些。