支持国产 虫版“分立狂”耳机放大器设计报告
本帖最後由 虫虫小林 於 2011-12-3 05:38 編輯小弟之前一直在内地论坛活动
今天第一次在港台地区的论坛正式发帖
请大家多多指教
另外 为了方便大家交流 希望大家尽量说普通话 - - 有些方言看起来比较困难
好了 言归正传
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虫版“分立狂”耳机放大器设计报告
在很多发烧友中 存在这一些误区 而这些误区传来传去很可能就会被当成真理 影响着大家的价值观
比如 有些人喜欢用发烧零件 不管零件什么作用 也不管是不是真的适合这样做 就盲目的认为发烧零件好
比如 有些人喜欢买贵的 只要价格贵 用好料 就一定认为声音好 声音的走向是电路 参数 布线决定的 用料只是硬件设置 不能代表实际性能
比如 有些人过分追求指标的提升 只要用了指标好的集成电路 就会觉的声音好 而指标和听感是两码事
比如 有些人崇拜国外线路 只要有人仿制 不管效果好坏都人了追捧 要知道就算线路一样 不同的零件不同的布线 不同的环境 声音也是不一样的 如果是参考国外线路加以优化和改进 也无可厚非 但是很多都是用原图直接照搬 然后随便布线做出来的
中国并非是山寨的国家 国产的东西一样有很多不错的 只是很多人看不起 只是很多人不愿意去关注
身为中国人 我们自己都看不起自己的话 怎么让别人看得起我们呢？
所以 我决定设计一个电路来适当扭转一下部分人群错误的观念 这个电路取名为“分立狂”耳机放大器
首先介绍一下设计思路和设计理念
耳放定位为电池耳放 相比于台式机 取消了市电供电部分 改用电池供电 方便随身携带
电路分为 放大电路 升压电路 充电电路 指示电路4部分
放大电路主要功能是把信号放大 用于推动耳机 放大电路供电9V充电电池供电
充电电路用于给9V电池充电 功能上包括横流充电 充满自停
升压电路是给充电电路供电的 为了让充电更方便 准备采用USB充电的方案 USB供电只有5V 而9V电压比较高 所以要想用USB给9V电池充电必须将5V升高 所以升压电路是必须的
指示电路分两部分 一个是电源指示灯 一个是充电状态指示灯 充电指示灯主要显示充电状态 用来区分 充电中和以充满两个状态 电源指示灯 除了开机之后亮起之外 还会显示电池状态 电池缺电的时候会提示充电 以免使用中由于电池没电忽然断电
由于设计初衷是为了用过产低价好声的作品扭转一部分人的错误观念 所以在设计之前必须明确设计理念
具体包括以下几点
1 电路完全由本人自己设计 不仿照任何一个国外线路 同样也不会起一些山寨的仿照国外的电路的名字
2 电路才用纯分立的结构 不使用一个集成电路 整个电路只有电阻电容二极管三极管等几种基本原件 不使用一个IC
3 为证明国产便宜零件也能出好声 电路暂时不使用任何发烧原件 完全使用国产零件 并在电路设计和调试上下功夫
4 尽量降低材料成本 并通过一次次完善 提升耳放的音质 也就是说最后成品机的大部分价值在于技术 以及本身的性能 而不是材料
下面主要介绍设计电路的过程
去年7月份 便开始了分立结构放大电路的设计 并在那时决定了电路主要的结构
2010年7月24日 最初电路基本结构
设计了最初的电路结构 并且搭出来进行了实际测
是一个非常基础的结构 甚至经常出现在 各种教科书之中 电路结构非常简单
Q3为一个共射极放大电路 将输入信号放大并传递给后一级
Q1 Q2 为末级输出管 R3 R4 提供末级偏置电流 D1 D2提供末级偏置电压
R1 R2提供末级管局部反馈 稳定电流 R5 R6为大环路反馈 稳定整体电路增益
计算出合理的参数之后 马上做了一个进行实际测试
通电之后无任何异常 接上信号 连上8欧纸喇叭 正常发声 用示波器检测输出波形 之后我震惊了
没想到如此简单的线路也能放大 不但能推动8欧的喇叭还可以输出比较好的波形 可以说从波形上看看不出明显的变形
于是继续调整示波器 把波形放大仔细观察
放大后没发现交越失真 这个电路算是比较满意的了
当然 可能很多人会认为正弦波不能说明什么问题 要看电路性能 需要用方波测试
的确 要检测电路方波是更好一些 但是 目前这个线路只是为了证明此类电路的可行性及可塑性
对于性能方面的调整会在后面改善电路之后进行 请耐心往下看
基础部分电路的测试到这里告一段落
2011年4月4日 改进后电路结构
经过将近1年的调整 终于将电路结构调整到了比较完善的程度
目前的电路结构可以看出 在上一版本电路结构的基础上上有了极大的改进
为Q1提供偏置电流的电阻换成R3 R7串联的结构 并增加自举电容C2 输出电压提升时 C2可以通过R3放电 从而得到相对稳定的偏置电流
在电压放大管Q3前 增加一级输入管 主要作用为 增大整体电路开环增益 以及稳定放大倍数
R5提供输入管的工作电流 并与R6分压稳定整体电路增益 在R6上串联电容C4 使其形成交流反馈结构
R11 R12 将电源电压按比例分割 提供输入端电位 用于稳定输出直流电位
输出端增加隔直电容C3 并对地并联R8为其放电
此时 电路各部分大致也已经完整了 结构大致已经基本定型了
整体看一下酷似国内外知名的电路1969 但这个电路并非是1969
对比一下不难发现 图中电压放大管的位置在1969里面确是在两个三极管之间的 而并非再一侧
从工作形式上看 1969属于一端横流 一端输出的甲类结构 而本机是两管同时动作的 小电流下勉强算甲类 大电流下则是甲乙类输出 相比之下功耗更小 更适合做电池耳放
此电路与1969也有一些共同点 比如工作结构都是基本的共射级放大 与现在放大器普遍采用的差分结构相比 虽然失真 共模抑制等指标上不如差分结构 但是听感上却有明显的优势~~
电路结构设计完后 一样做出了测试板 这次由于电路结构比较复杂 原件比较多 设计出了PCB 并做出了测试板
一方面是为了美观另一方面是想看看在尽力压缩尺寸的前提下 这部分电路最小能做到多大。。
测试板打算用9V供电 也是为了和最终的成品供电电压统一 按照9V供电计算好参数后直接安装好
看尺寸放大部分仅比9V电池稍大一点 看来尺寸控制的非常到位
接下来正弦波测试无任何异常
电路功能完好 继续下一步测试
空载测试 将信号输入接地 输出悬空状态下测试了一下输出波纹 有0.06MV的噪声电压
看噪声波形应该是三极管内产生的噪声 这是任何半导体原件都会出现的状况
负载测试 接上炮灰耳机 开机没有人和状况 于是换上 森海塞尔的HD595
信号输入接地时听不到任何噪音 就跟没有开机一样
把音乐打开 听了几首歌 整体感觉还算不错 低频柔软 高频明亮不刺耳 但是略显毛躁 应该是有高频振铃
推力很大 三极管微热 测试结束后 9V电池只有5.463V电压了 - - 可见电路相当耗电
又上点测试了一下 静态耗电居然有80MA左右 看来耗电问题也是一个需要解决的问题
2011年5月9日 调整补偿电容
一直说要测试一个电路的性能 光看正弦波波形是不够的
于是 那天心血来潮用方波测试了一下 没想到这一测试收获还不小
最开始先用20KHZ的方波信号进行测试 由于人耳的听力范围是20HZ~20KHZ 所以最先想到的是上限20KHZ
其实20KHZ中含有的大量奇次谐波成分已经已经不止20KHZ 了
虽然形状不是很理想 但是至少也算是方波了
增大频率 增加到200KHZ
增加信号频率之后并没有什么有价值的发现 猜想可能是因为压摆过大 造成电路削顶 所以不容易发现问题
于是降低频率至20KHZ 同时降低了输入信号的振幅
修改信号之后 问题已经很容易发现了 高频有振铃
于是 继续将波形拉长
如此以来验证了之前的猜想 主要问题就是高频振铃
其解决办法就是在电压放大管上增加滞后补偿电容
增加C5并反复调整C5大小到合适的参数后 问题算是完美的解决了
最后测试了一下个频率方波 感觉表现还不错(为做对比 上面波形为输入信号 下面波形为放大后输出信号)
200HZ
2KHZ
20KHZ
200KHZ
一直到200K测试结果都比较满意后来干脆直接加到1MHZ
1M
这时候 方波已经有点圆滑了 但是信号发生器的能力也有限
经过输入输出对比 也不知是信号源造成的变形还是放大器造成的变形
总之测试结果还是比较让我满意的
放大部分结构设计基本结束 接下来要考虑剩下的部分了 本帖最後由 虫虫小林 於 2011-12-3 05:41 編輯
2011年6月28日 测试版整体电路设计
放大电路部分设计好之后就考虑设计其他部分了
升压部分
想到直流升压线路 第一反应便是Boost电路 很多升压芯片都是采用这个方案实现升压的
该电路有很多好处 比如 可以简单的通过改变反馈参数改变输出电压 而不需要再点路上做较大修改 不论输入有多大波动 输出都会比较稳定 等等
用于开关电源的脉宽控制芯片有很多 但是 本着这次的设计理念 是必须用分立结构的
于是画了下面的电路
电路左边是一个可控制的震荡电路
Q3 Q4 Q5 以及R4 R5 R6 R7 R8 组成类似差分放大器的结构
当Q5集电极输出高电平(近似VCC)时 Q4基极电位为三分之二VCC
并通过R9给Q3充电 当Q3基极电位超过Q4基极电位时 Q5关闭 Q5集电极被R10下拉 输出低电平(近似接地)
此时Q4基极电位为三分之一VCC C1通过R9放电 当Q3基极电位小于Q4基极电位时 Q5再次开启 这样循环往复 Q5集电极便可以输出方波信号 信号的频率可以通过R9 C1的大小进行调整
L Q6 D1 C4 组成基本的Boost结构 方波信号通过R11传递给Q6 使之处于开关状态 L自感放电并通过D给C4充电 使C4电压逐渐提高
R1 R2 R3 Q1 Q2是反馈部分 三极管开启电压为0.6V左右 当R1通过R2分得的电压超过0.6V时Q1打开 并开启Q2 使Q3基极处于高电平状态
并以此关闭Q6 停止Boost电路继续给C4充电 如此动态稳定输出电压
实际测试输入5V 输出15V可输出80MA左右电流 给9V镍氢电池充电是足够了~~
LED指示部分
这部分主要有两部分 一部分是充电指示 另一部分是电池缺电提示
这两部分电路结构大致一样 所以放在一起说
所谓提示 主要通过LED的三种状态提示 1亮 2不亮 3闪
亮和不亮很好控制 只需要控制供电即可 但是闪烁的话 就稍微麻烦点了
最简便的方案 就是使用多谐振荡电路
除了Q3 和LED之外的原件组成多谐振荡电路 提供电源后 Q1 Q2 可以交替导通 在R4上串联LED后 便可以在Q2开启时点亮LED 在Q2 关闭时 熄灭LED 以便实现LED闪烁
在Q2上面夸了一个同样的三极管Q3是为了对LED状态进行控制 当K端输入高电平打开Q3时使LED长亮
这样便可以对LED三种状态进行随意的控制了
缺电控制电路 当初想的比较简单 用电阻分压实现
R5 R6 对电源进行分压 当R5上分得的电压小于0.6V Q3不开启 LED闪烁 当Q5上分得的电压大于0.6V时 Q3开启 LED长亮 把整体并联在开关后面的电源上 在调整R5 R6 参数便可以使耳放开机后 当电压降低到一定程度的时候进行闪烁提示 但是这种电路存在一个比较大的问题 别着急 下文会提到。。
充电部分的指示 也是一样的 在充电电路中留出一个状态输出端 连接至K端即可
充电电路
充电电路主要有3个功能需要实现 1 横流充电 2 充满自停 3状态指示
电路
D1 D2 Q1 R3 组成恒流源 R5给两个二极管提供静态电流 R4用于开启Q3 使R5另一端接地 Bt端 接电池
充电状态下 恒流源工作 进行恒流充电 R1 R2为分压电阻 用于限制输出最大电压 分得电压大于0.6V时Q2开启 Q3关闭 恒流源关闭 充电结束 Q3 Q4发射结是并联的 Q3开启时 Q4也是开启的 使得K段输出低电平 当Q3关闭后 K端便可以输出高电平用于驱动充电指示电路 使LED长亮
（当然关于分压开启的观念是错误的 虽然目前电路可以满足要求 但是还存在问题 后面调试时候会提到 当初是这么设计的 所以也就先这么介绍 下文中会详细介绍调试和修改的过程）
充电电流限制为25MA 最高电压限制为9.8V
电路设计好后将充电电路 升压电路 和充电指示用零件搭出来进行测试
测试好证明可以正常工作后 开始下一步工作~~
既然电路已经设计好了 马上打开Dxp 建立工程 并以最快的速度把PCB画出来了
由于电路结构是全分立结构 所以要想实现比较完整的功能 零件会比较多 - - 在布线的时候已经把可以立起来安装的零件都立起来了 - - 并拼命的提高整体结构的紧凑度 比较悲剧的是 体积依然控制不下来 ~~
本身就这么多东西 不然能怎么办呢 - - 也只有这样了
PCB设计好后图纸送厂家 接下来是等板子做好的阶段 。。。。
2011年8月24日收到板子。。
收到板子后一阵兴奋 马上装了起来
装好之后 正常开声 但是。。。 但是还是发现很多问题
最先发现的问题是闪烁指示灯还有些问题
以前认为三极管到达0.6V开启的观念是错误的 其实三极管并非是电压控制原件
而是电流控制原件 也就是说 当基极有点流的时候三极管才会打开
所以 如果用简单的分压控制三极管 最后的效果只能是随着电压降低逐渐变暗 而不是忽然关断
了解了以上信息之后 继续修改电路
最直接的解决办法就是使用稳压二极管
将原先R6的位置换位稳压二极管 这样当电压超过Dz的击穿电压时便可以使电流流过Dz直接开启Q3
R5为三极管下拉电阻 用于吸收一部分微弱的电流 R7用于限制三极管基极电流 调整好参数后 整体电路便可以实现根据不同电压切换闪烁和长亮两种状态的功能~
当然 充电电路以及升压电路中相关电路的此类问题 也要用稳压二极管来解决 升压部分的图就不上了 接下来说说充电电路的问题
除了刚刚说道的三极管问题之外 充电电路还有一个问题 就是漏电比较严重
什么意思呢 就是说充电电压检测的两个分压电阻在不充电而且不开机的状态下还会损耗一部分电流 - -
所以充电电路电压检测部分也需要修改
最终充电电路的电路 就是这样的~
在原有基础上将R2换成稳压二极管 并在Q2基极串联电阻~
为防止充电后电流回流 在充电线路上增加Q5 并在电源上取电通过R9驱动Q5
这样当充电时Q5导通 不充电时Q5将处于关闭状态 - -
2011年8月26日 将初步修改的电路改好
由于打板单价比较贵 所以打了不少的板子 电路问题也是在板子上直接修改的 - -
测试工作正常 此阶段每声道输出管静态电流达到12MA 已经算比较大了
300欧负载下输出功率达到30MW也仍然是甲类状态 ~ 其他负载下 输出电流峰值小于12MA 也都可以算作甲类 如果超过12MA 则会工作于甲乙类状态 不需要担心功率不足~
但是做为一款 电池耳放 耗电过大并不是什么好事
再加上放大部分目前仅仅是可以出声的级别 好声还算不上 所以 放大电路的参数还需要调整 本帖最後由 虫虫小林 於 2011-12-3 05:53 編輯
2011年9月2日 波形测试
测试之前已经修改了部分放大电路的参数 将50MA左右的耗电降低到20MA左右
首先测试方波
之前已经发现了振铃的问题 并说明可以通过增加补偿电容来解决此问题
重新布线之后 继续测试
100KHZ方波
就波形来看 方波还是有冲过 也就是说高频增益还是过高 还需要继续加大补偿电容
增加补偿电容后 问题解决了 感觉上升和下降还是有点斜 不过这个不是问题 由于方波可以认为是无数奇次谐波组成的
所以在100KHZ情况下这样的斜率其频率响应可以达到1MHZ以上
另外 100KHZ 已经远远超过了人儿的听力上限 所以 把频率调整到人耳听力范围的上限 看看效果如何
经过测试20KHZ波形十分完美 现在性能方面已经没有什么问题了 接下来测试输出压摆~~
输出压摆用三角波来测试 因为如果因电压不够造成销顶现象 三角波会很容易发现
供电用8.4V镍氢电池 信号用100K三角波 调整好波形
这是空载情况下的波形 用光标测量了一下 最大值和最小值之间相差6.4V
也就是说 可以输出3.2V最大值的交流信号 换算成有效值 是2.3V
然后负载测试 由于不同型号而耳机阻抗也不同 低阻吃电流 高阻吃电压 如果用低阻测试 损耗不大 那么高阻也没什么问题
大部分低阻耳机是32欧的 所以 先用33欧电阻测试
相比空载 电压幅度减小了一点点 不仔细看是看不出来的
继续减小负载电阻 用22欧~
相比之前又减小了一点点 大致一看是一样的 但是仔细对比还是有区别的~~
总的来说负载能力还是可以的 而且输出压摆也可以应付大部分耳机
之前说到输出压摆有效值是2.3V
2.3V是什么概念呢
32欧耳机可以输出165MW
50欧耳机可以输出105MW
64欧耳机可以输出82MW
100欧耳机可以输出53MW
120欧耳机可以输出43MW
300欧耳机可以输出18MW
正常耳机的灵敏度 在1MW下都能输出百dB以上的声压 只要耳机不是很难推 一般都没什么问题的
使用镍氢电池的话续航能力大约3~4小时~~
2011年9月3日
对电源线处理方面做了改进
因为电线直接焊接在电路板上经常玩去很容易断 所以在电源孔旁边又打了两个孔 将电源线反串过去 便可以解决这个问题
在电路板的背面可以看到很多修改Bug的痕迹 - -
接下来是对电路的进一步调整和完善 以及外壳定制~
2011年10月14日
已经定做好铝型材外壳 并且定做好了面板
面板用5MM铝板 数控雕刻机加工 表面拉丝氧化
机身用铝型材 黑色喷砂氧化
由于面板过厚 为了兼容一些比较粗的插头（比如6.35转3.5）只能在插孔地方沉槽下去
整体只有一个logo 也是本人所有作品都会打上的标志
正面
拿在手里感觉稍稍有些大
屁股是充电口和充电指示灯
充电口用的最常见的外5.5内2.1插座 输入5V直流进行充电
2011年10月14日 使用锂电池组~
由于镍氢电池的电量比较低 综合来说续航能力比较有限 所以 考虑使用锂电
最一开始使用的是所谓的9V锂电池 此类电池容量较高 可以达到500MAH左右
电压是6~8.4V 实际上就是2串电池组
因为9V形状的锂电池受到尺寸限制 容量做不大
所以 到后来干脆直接用锂离子电池组了
而先前设计的25MA的充电电流的确也有点小了 所以 还需要增加充电电流 - - 之前设计电路本身就留有余量
直接 修改横流电路中的检测电阻R3 将充电电流增加至60MA左右
除此之外还有充满自停功能 由于2串锂电池组的充满电压是8.4V 而且内置保护功能 所以这部分不需要修改 充满会自动断电的
使用600MAH锂离子电池组 续航能力大大增加 ~~实测超过30小时的续航能力 让人震惊~ 但是充电时间也让人长的震惊 - - 所以有必要考虑降低电池容量了 - -
2011年11月8日凌晨
终于把声音部分参数都调整好了
而且参数以及风格整体上是适用于所有耳机的 相对来说比较通吃
这部分估计是说明中最少的部分 但实际上 是我们付出心血最多的一部分
在此感谢给与我帮助 以及提供调试成果的朋友~~
在整个调试过程中不少朋友都陆续听过测试板 也就是最终版之前不完善的版本 整体反映还算不错~~~
2011年11月25日
由于机器是金属材料的 比较硬 而且前面板相比机身要突出 所以专门弄了可以粘贴的垫脚
增加垫脚 避免与桌面硬碰硬 而且可以增大与桌面件的摩擦力 而且可以让机器完全平放
上几个图片 宣告报告完成 - -哦也~~
几个图片仅供参考 未来还有可能继续更新
请关注我的个人主页 以及我在各大论坛发布的文章
最一开始是准备做一个随身设备的
但是由于纯分立结构零件比较多 用的又都是直插零件
体积已经压缩到极限 包括电阻 二极管都立起来了 但还是不能压缩到可以装入口袋的大小
所以我现在也不敢说这是一个严格意义的随身耳放
但是体积相比台式机已经小了不少 且使用电池供电 脱离了电源线的束缚 几十小时的续航时间又够长
所以也可以说是一台微型台式电池耳放 当然也是可移动的 - -
不管怎么说 这个机器的尺寸 要比居于随身耳放之巅的LISA3小很多 续航时间也要强很多
所以 我就不解释了 - -大家都懂 - -
接下来就是请各路神仙测试汇报结果了 - - ~~
希望大家能给出客观 准确的评价 - - 身为中国人 我们自己都看不起自己的话 怎么让别人看得起我们呢？
虫虫小林 發表於 2011-12-3 05:36 http://www.post76.com/discuss/images/common/back.gif
單是這一句已經值得欣賞！ 單是這一句已經值得欣賞！
kenneth_obee 發表於 2011-12-3 06:34 http://www.post76.com/discuss/images/common/back.gif
谢谢{:1_259:} 回復 5# 虫虫小林
雖然電子學上的原理和用語小弟都看不懂，但是也很感謝虫虫小林師兄的分享！{:6_193:}
小弟沒有像師兄般的電子知識，只能從師兄的文章中看到師兄是有心去追求更完美的耳擴。因為工師有點事忙，暫時只看了頭兩個制作。一會兒待工作做完再繼續！ 支持国貨{:1_326:} 什么时候正式开卖成品？ 中國人有你的心態.日後不怕十面圍城. 小林兄的作品個人一向十分留意，不單是電路設計，還有背後的理念，都值得大家支持。
來吧！不要再做品牌奴！！