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将简单的东西做得更好——聊聊一款经典线路耳放的设计与制作

梼昧狂客 PConline 达人

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    耳放是个很简单的东西,在十几年前甚至二十几年前模拟线路就已经发展到了高峰,我们目前看到的各类模拟放大器差不多都可以归纳到几种电路构架中,但是每家的产品又有自己独特的风格。所谓“运用之妙,存乎一心”在电路构架类似的情况下,通过调整一些细微之处就能有不同的效果,这也是为什么不少国外耳放看上去成本很低,但效果并不差的原因。

    耳放尤其是台式耳放,其实就是一个输出功率比较小负载阻抗比较高的功率放大器,线路上完全可以通用功放的线路,只不过细微之处需要加以调整。这种调整不是说把大功率输出管换成中功率输出管那么简单,而是针对不同类型的负载进行优化。以莱曼耳放的线路为例,这是个很简单也很经典的线路,运放OPA2134负责电压放大,一对小功率互补管BC550/560剖相并驱动另外一对中功率互补管BD139/140缓冲输出。就我们目前的普遍评价来看,这个耳放比较适合推HD650等中高阻抗的耳机,但是有时候我们会发现这个耳放的动态是不特别好,推低阻抗耳机也有些疲软。难道这个线路就不适合驱动低阻抗耳机吗?显然不是这样,如果你将供电电压提高到±18V甚至更高,用100Ω的电阻替换那个47Ω,此时推动管BC550/560的工作电流由原来的9.31ma降到9.00ma,但输出管BD139/140的工作电流却由43.76ma提高到90ma(注意此时最好给BD139/140增配更大尺寸的散热器)。较高的静态电流意味着可以提供更大的甲类输出功率,在应对低阻抗耳机是也就会有更好地表现。(电路图引用耳机大家坛 zst1982413,在此表示感谢。)



这种调整并不难,尤其是对于我们目前常见的那几个耳放电路,有点电路知识的朋友都能明白,但很多时候我们并没有在意它,而是纠结用什么高端运放去替换OPA2134,或者换上高速整流管和高品质电容。我不否认高品质器件的作用,但是明明两个电阻就能解决的问题,为什么非要用几十块钱甚至上百元去解决呢?这也是为什么我在标题中写——将简单的东西做得更好。

    在各类耳放中我比较倾向全分立晶体管甲类耳放,其具有线路灵活、制作简单等特点。尤其是我最常用的JFET单差分输入+单管甲类电压放大+互补管缓冲输出,这个线路构架非常经典,使用的器件也很少,但是通过器件的搭配调整,以及整个线路工作点的改变,可以适应各类耳机和音箱。对于这个线路我做过大概四五版不同的耳放,在不断地调整和制作中有一些个人的心得体会,在这里和大家分享一下。


电路设计
    目前全分立甲类耳放输入级主流设计是差分放大,当然这里有单差分、双差分的区别,也可以给输入级加上恒流源或使用沃尔曼线路,但是他们的本质都是差分放大。音乐传真喜欢BJT单差分带恒流源和电流镜(如下图,XA50的放大电路,疑为国内抄板,与原机有区别)



高文喜欢JFET孪生管带电流镜恒流源和沃尔曼线路(如下图,高文某前级的放大电路,可能存在国内改动的可能)



他们的共性是都是用了恒流源,这对于提高电路电压适应性有很大好处,但是在大动态时输入级输出电路会受到限制。但如果不用恒流源的话又会降低电路的为稳定性,因此曾有朋友设计出使用TL431控制偏置电压的双差分放大电路(如下图)



这种线路设计我十分喜欢,通过TL431控制输入级的偏置电压,只不过对于电源部分有一定的要求,最好给输入级做独立的稳压,而且由于需要调整偏压来控制输入级的电流,所以在调试方面要求也比较高,如果只做一两台机器,自然是没有问题,但对于大批量制作来说就比较麻烦了。

    理论上说输入级的工作电流取高一点比较好,但是对于BJT而言,较高的工作电流意味着比较大的噪音,因此不少上世纪80-90年代的产品输入级电流都很低,有的甚至不到1ma,这就严重影响了大动态时的表现。现在的功放和耳放输入电流往往要大一点,并通过使用JFET来减少工作电流对于噪音的影响。不过使用JFET异极性配对难度比较大,这个问题虽然可以通过使用孪生管来解决,但成本会提高很多,因此最终我还是采用JFET单差分电路作为输入级,工作电流设定为2.25ma。管子选择上建议选择音频JFET,常见的2SK30A、2SK170都是很不错的选择。

    电压放大级是传统的单管甲类放大带恒流源负载,甲类放大能有效的降低失真,使用恒流源可以提高电压适应范围保证工作稳定性。对于电压放大级的设计有三点要求,首先因为公用恒流源参考电压,所以此级的工作电流大体范围是确定的,不会超过5ma。其次要考虑级间匹配的问题,本机采用±25V供电,输出功率根据公式Po=(ηV)2/2RL(η为功率因数)计算,如果忽略一切损耗,那么在32Ω阻抗的负载上可以输出9.76W(此为甲乙类输出功率),此时需要输出管能够持续输出0.552A的电流。由于中大功率晶体管的β值都不是很高,因此先假定输出管β值为60(根据不同的管子有不同的β值,可根据实际情况调整),则电压放大级晶体管需要输出9.20ma以上才足以驱动输出管。这对于小功率晶体管来说,功耗未免有点太大,因此有必要增加一级缓冲放大或降低工作电压。我这款设计,早期主要是针对中低阻抗的耳机,对于电压输出摆幅要求不高,因此当时大多采用±15V或±18V供电,因此电压放大级工作电流设定为4.5ma是没有问题,但在提高工作电压之后,就必须增加一级电流放大。最后要注意的一点就是应选择结电容小的晶体管,过大的结电容会影响转换速率,常见的MPSA42或2N5551都是不错的选择。

    输出级由于工作电压的调整,因此从原来的一级放大扩展为二级放大,为了减小电压放大级的工作负担,使用一对小功率管与中功率管配合使用,同时增加的一级放大可以将反馈点提前,这样就可以不使用大环路负反馈,有效的提高耳放动态表现,缓冲级工作电流设定为10ma,输出级工作电流设定为80ma。此时推动各类阻抗负载(从32Ω到600Ω)基本都可以保证0.5W左右的纯甲类输出功率,对于高阻抗耳机来说,限制最大输出功率的是供电电压,而对于低阻抗耳机来说,限制最大输出功率的是输出级工作电流。这两个问题是没法兼顾的,除非使用大功率输出管和大功率高电压变压器,综合成本、效果等方面,±25V供电和80ma的工作电流是一个比较经济的选择。
 

最终电路图确定如下



与NAIM的某款机器线路比较类似
 



输入级工作电流2.25ma,电压放大级工作电流4.5ma,缓冲推动级工作电流10ma,输出级工作电流80ma。
 


制作过程
    我比较倾向模块化的设计思路,因此在制作过程中电位器、耳机插座等部分都独立制作线路板。在比较早的版本中,整机采用稳压电源,可以有效的提高电压适应性,同时稳定性也比较高。只不过由于整机工作电流比莱曼A1之类要大,因此稳压电源的成本也会高一些。早期设计的耳放需要将输出管固定在机壳上,通过机壳散热,这样做安装比较复杂,因此后期版本均将散热片直接固定在线路板上,稳压部分使用LM317与LM337配合。







    从第四版开始将电源部分与放大部分放在一块板子上,这样接线就比较少,同时尺寸也小了很多,从这一版开始为了提高动态,输出级不做稳压,每一通道的输入级和电压放大级均增加一个独立的稳压电路,虽然电路复杂了一些,但是由于输入级和电压放大级的工作电流都比较小,因此稳压部分并不复杂,但效果却有明显的提升。





    第五版也就是最新的版本是改动最大的版本,电源部分再次独立出来,但新设计的电源部分只有整流和滤波,同第四版一样,输出级不做稳压输入级单独设置一个稳压电路。电源部分独立出来是为了使用容量更大品质更优秀的滤波电容,放大部分增加了一个电流缓冲级,减小了电压放大级的工作负担,同时加入反馈选择和增益选择这两个功能可玩性更高。
 












    关于声音就不多说了,反正基本上是达到了我的要求,快速有力,细节丰富,输出功率充沛,无论是高阻还是低阻适应性都很好,如果追求韵味,可以在电容和晶体管的选择上加以调整。

    以上就是我制作这款台式甲类耳放的一点感受和经验,其实各位朋友在制作耳放的时候也不妨考虑一下这些问题,调整一下电路参数,更改一下器件配置,都能得到不同的感受,如果只是拿来一个套件焊接拼装起来,那和工厂里的焊接工又有什么区别呢?一千个人眼中有一千个哈姆雷特,一个不是很复杂或者很特殊的电路也许经过你的细心调教,就能成为一个最适合你的耳放。
 


END
已有 1 人评分 时间 评分 理由
铁皮屋 铁皮屋 2014-06-04 +10积分 想当年,在研究CMRR,共模抑制比,想当年,在玩NE5532那款经典的运放,现在,一切都还给老师了,那些熟悉的名词,仿佛又回到那个年代,能对着电路板反向测绘出电路图的年代。
总评分:10分
 
[本主题由女王大人于2014-06-04 12:00:07设为精华1,原因:专业]
[本帖最后由 梼昧狂客 于 2014-06-02 22:38:23 修改]

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楼主可以顺便便宜点儿卖点给大伙儿
 

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太专业了,这才是玩家级别。
 

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狂客兄好专业呀,这是如何炼成的?
 

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数码狂人 小学生 中队长 人品帝 活动控
很不错的布线  
工业板打得也很漂亮
工业板一次最少打10块吧?
 

梼昧狂客 PConline 达人

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一锋 发表于2014-06-03 21:43 4楼
狂客兄好专业呀,这是如何炼成的?
折腾了四五年了,这东西经验多了就好了
 

梼昧狂客 PConline 达人

梼昧狂客

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Stellari_星辉 发表于2014-06-03 22:29 5楼
很不错的布线  工业板打得也很漂亮工业板一次最少打10块吧?
有几个还算比较熟的PCB厂子,不过最少也都是10块起步,这次做的板子是2mm厚 2oz铜箔 镀金的,也就是几百块,不算贵
 

飞扬发髻 PConline 达人

飞扬发髻

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我勒个天啊!我完全是在看天书!膜拜膜拜···· 
 

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膜拜偶像!
 
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