耳放制作HIFI耳機放大器 PCB 電路圖 及全套設(shè)計資料.doc

對于47耳放的完美改進 制作高保真耳機放大器之前一直折騰功放聽桌面音箱，半年前忽然打算用用耳機了，于是入了森海的HD595。雖然50歐的阻抗不算高，但是要發(fā)揮出設(shè)備的實力耳放還是少不了的。所以，決定自己動手做一個耳放。這期間參考了大量關(guān)于耳放的資料，最終決定以47耳放電路為基礎(chǔ)并加以改進制作一個比較完美的耳機放大器。便動手做了起來。一、放大部分47耳放是一位外國人設(shè)計的電路，電路如圖。因為電路中有較多以47為參數(shù)的元件所以稱作47耳放。傳說中的47耳放結(jié)構(gòu)其實是很簡單的，第一級運放進行負反饋控制放大倍數(shù)進行比例放大，第二個運放進行電壓跟隨，降低放大器內(nèi)阻，增加了輸出電流，并做聲音修飾。兩個運放輸出經(jīng)過兩個47歐勻流電阻輸出致耳機。因為反饋取樣點在47電阻之后，所以不用考慮電阻帶來的損耗。曾經(jīng)在網(wǎng)上看過很多47耳放的PCB設(shè)計，雖然47耳放的電路十分簡單，但是很多PCB卻存在著或多或少的布線問題，有些抗干擾能力不是很強，甚至在淘寶上看到很多看似很漂亮的板子卻有很大的交流聲。所以自己決定做一個比較完美的47耳放以便把這個電路的能力發(fā)揮出來。于是，開工了。首先 線路圖電路沒有添加音量電位器，只做了放大部分。這樣一來功能比較獨立，方便以后的各種組合。47原設(shè)計使用的運放是OPA2132，這個運放是FET輸入型的，所以內(nèi)阻極高。而且在低電壓下可以正常工作，失調(diào)電壓與失調(diào)電流極小，算是比較高檔的運放了。當(dāng)然OPA2132的價格也是很高檔的。我作為0收入人士必然不能把這種高檔傳承下去，于是我選用了這年頭滿大街都是的NE5532。NE5532雖然指標相對于OPA2132較差，但是工作于+-15V時音色總體來說還是比較討人喜歡的。單片5532耗電相對較大，兩片并聯(lián)就更不用說了，雙15V下耗電可想而知。這就意味著這款耳放將要脫離便攜式耳放的范疇轉(zhuǎn)型向臺式耳放了。由于5532失調(diào)電壓較高而且又是NPN管輸入的，如果使用原設(shè)計必然會引來較大的輸出中點漂移，經(jīng)過測試最大有30多MV。所以我在反饋電阻的位置串聯(lián)了電容，也就是C03 C04兩個電容，將直流反饋變?yōu)榻涣鞣答仯@樣可以使輸出中點控制在1MV以下。換成其他運放如果沒有中點問題這個電容的位置可以直通。 反饋采樣部分依然從輸出取，并在R05 R06 上面并聯(lián)了C05 C06，作用是超前補償，不需要的話可以留空。電源部分增加了兩個退耦電解電容 C07 C08，并習(xí)慣性的在兩個電解上并聯(lián)了小電容 C09 C10。最后增加伏地電阻R。伏地可以吸收一部分地線的干擾信號讓信號地更加純凈。當(dāng)然還有一個作用，那就是在布線的時候可以在視覺上隔離信號地與電源地，為合理布線帶來方便。線路做好了，接下來的工作就是布線了。話說這個47耳放市面上賣的款式很多，但是在設(shè)計PCB的時候好像只注重外觀而忽略了對布線的要求，最終導(dǎo)致一些電路聲音不好，嚴重的甚至出現(xiàn)交流聲。吸取了別人的經(jīng)驗教訓(xùn)，所以在畫這個板子的時候就注意了很多。退耦電容兩兩一組，原則為電源經(jīng)過退耦電容再連接至IC，這樣可以有效吸收放大器工作時候產(chǎn)生的耦合信號，也可以避免由于電源線過長引起的干擾信號進入放大器。簡單說下地線。地線主要分為電源地和信號地，這兩個地也可能是連在一起的，但是作用不同。電源地主要提供大電流電源，一般功率輸出地都要接這根。信號地主要提供參考電位，電流很小，所以也比較容易受到干擾。一般說來越靠近電容引腳的地方電容對交流信號抑制作用越強，所以兩個并聯(lián)在電源上的電容的交點可以認為是比較穩(wěn)定的地，放大器輸出的地 一般從這里引出。而信號地上各點到電容地交點的途中是不能有大電流存在的，否則會將耦合信號注入信號地從而干擾基準的穩(wěn)定，造成聲音不耐聽甚至交流聲等嚴重后果。在地線處理上我將兩個退耦電容交點作為電源地，并采用1點接地處理。又從交點上引出一根地線經(jīng)過伏地電阻拉到前面作為信號地，使信號地與電源地徹底隔離提供穩(wěn)定的基準。輸出是兩個運放并聯(lián)的，每個運放又接有勻流電阻。反饋采樣避開兩個輸出電阻的線，直接從輸出端子引腳引出，這樣反饋取樣線上就不會出現(xiàn)較大電流了，保證了反饋取樣的準確性。整體布線采用酷似70年代手工布線風(fēng)格比較爽眼。之后的一段時間就是更換各種零件聽各種聲音了。要確定一個放大器比較合理的參數(shù)個人的實際聽感是少不了的。經(jīng)過4個整夜的試聽終于確定下來自己認為比較合理的參數(shù)了。下面說一下參數(shù)的選擇。4個勻流電阻 R07 R08 R09 R10 理論上電阻值越大，兩個運放輸出電流一致性越好，但是輸出電流能力也隨著下降。本人測試過10歐、22歐、33歐、47歐、100歐這樣的參數(shù)，聽感差距基本沒有，所以維持原設(shè)計用47歐電阻。反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻原設(shè)計為4.7K、10K，放大倍數(shù)為3倍多一點。實際測試感覺增益過高，后來改為33K(R03 R04) 47K(R05 R06) 倍數(shù)為2.4左右，雖然降低了然是依然能保證正常放大。C05 C06用10P環(huán)保瓷片電容，作用主要是針對高頻。如果不裝感覺也沒什么區(qū)別，穩(wěn)妥起見我還是裝上吧。C03 C04用22U ELNA無極電解電容，經(jīng)過計算此時截至頻率為0.22HZ。實測對低頻影響不大。由于此電容的存在將反饋模式變?yōu)榻涣鞣答?，所以中點可以穩(wěn)定在1MV以內(nèi)。不同IC對于中點表現(xiàn)也有不同，失調(diào)電壓低的運放即使使用直流反饋中點也會很接近0。輸入對地電阻R01 R02 參數(shù)與反饋電阻一致用47K，對于BJT輸入的運放可以使兩個輸入差分管偏置相同以便更好的穩(wěn)定中點。47K相比之前100K小了很多，同時也增強了抗干擾能力。輸入耦合電容使用10U ELNA無極電解。經(jīng)過計算低頻截至頻率為0.34HZ，對聲音也不會造成影響。最后，伏地電阻4.7歐，電源退藕用100U ELNA 電解 并聯(lián)飛利浦0.1U小電容。標好參數(shù)放大電路裝好后 拍了幾個照片二、電源部分47耳放設(shè)計為標準OCL放大器，自然也是需要雙電源供電的。最簡單的電源設(shè)備可以用雙電源變壓器直接經(jīng)過整流橋或者4個整流整流二極管，并在用兩個電解電容濾波得到雙電源。雖然這種電源結(jié)構(gòu)簡單并可以提供較大的瞬間電流，但是電源的穩(wěn)定性以及抗干擾能力較差。一般情況下大功率功放選用這種電源而功率比較小且對電源質(zhì)量比較嚴格的耳機放大器用這種電源就不太適合用這種了。而相對比較合適的就是線性穩(wěn)壓電路了。NE5532理想電壓為雙15V，對于+-15V電源有專用的三端穩(wěn)壓IC，使用起來非常方便，比如7815、7915系列?；痉€(wěn)壓電路雙15V變壓器三線經(jīng)過D1 D2 D3 D4 四個整流二極管和C05 C06兩個濾波電容形成基本的整流濾波電路結(jié)構(gòu)，在大電解上并聯(lián)小電容也是我的習(xí)慣，這樣做可以降低電容高頻內(nèi)阻減少電容溫升提高電容壽命，而且對瞬間放點電流也有提升。 此時，電容C05、C06兩端分別有大約21V的直流電壓，形成雙21V電源。接下來就是三端穩(wěn)壓管了。三端穩(wěn)壓管可以理解成一個具備分壓功能的可變電阻，這個神奇的電阻會根據(jù)參考端與輸出端之間的電壓對內(nèi)部分壓電阻進行動態(tài)調(diào)整，使得輸出與參考之間的電壓維持在一個定值。 7815與7915分別是+15V以及-15V的穩(wěn)壓管，將參考端接地輸入雙21V電源通過兩個IC便可以得到穩(wěn)定的雙15V電源。為了降低電源內(nèi)阻提高電源瞬態(tài)相應(yīng)，再輸出端分別并聯(lián)了兩個小電解，同樣在電解上也并聯(lián)了小電容。雖然用三端穩(wěn)壓構(gòu)成的穩(wěn)壓電源相對于直接整流濾波的電源要好很多，但是還是存在一些弊端。三端穩(wěn)壓雖然穩(wěn)定但是波紋抑制卻不是很出色，輸出電壓檢測靈敏度也不夠強。于是乎又做了一個用運放做伺服的穩(wěn)壓電路。第一步還是先對交流電進行整流濾波，交流電通過4個二極管形成的整流橋進行整流， 然后給濾波電容充電，不同的是在4個二極管上分別并聯(lián)有小電容。對于二極管來說類似旁路電容的電容，因為后面的濾波電容的存在，二極管是在前方交流電電壓值大于后面電容電壓值0.7V左右時開啟的。二極管波形類似方波，方波含有大量奇次諧波，而電容的作用就是過濾掉這些諧波。參數(shù)要求不是很嚴格，取102104均可 。后面的濾波電容同樣并聯(lián)有小電容。電容后面接三端穩(wěn)壓管，三端穩(wěn)壓管輸入輸出端根據(jù)電流方向接有反向的二極管，作用是消除電路中由于感性元件的存在產(chǎn)生的反向電動勢 。而穩(wěn)壓管的參考端并沒有接在公共地上，取而代之的是運放的輸出端。這個運放便是伺服電路的核心 。前面說到穩(wěn)壓管的功能是始終保證輸出與參考端電壓不變。但是在臨界狀態(tài)下輸出端快速而小幅度的變化IC本身并不能快度的所出反應(yīng)。這里用運放構(gòu)造了一個放大34倍左右的反向放大電路，參考點為地，輸入端經(jīng)過10U電容接到輸出電源上。這樣，在輸出端形成小范圍的微弱變化會被運算放大器經(jīng)過34被放大作用在三端穩(wěn)壓的參考端上，相當(dāng)于對誤差值進行了35倍放大，從而提高了對誤差信號檢測的靈敏度，也提高了整個電源電路對交流波紋的抑制，增加了電源的穩(wěn)定性。穩(wěn)壓管輸出依然和前面的電路一樣并聯(lián)小電解，同樣在電解上并聯(lián)上小電容。一個相對完整的伺服電源線路已經(jīng)完成了，接下來進行PCB布線。在PCB設(shè)計上主要注意地線和電容的接法就可以了，地線盡量做到“一點接地”就是根據(jù)地線的作用把不同功能的地點最終會聚到電容交點上，這樣可以盡可能的較少地線的干擾。 電容盡可能在引腳上做成法放射狀布線，這樣可以使電容的性能發(fā)揮到最佳狀態(tài)。 設(shè)計出來之后 同樣做了測試樣板4個整流管在PCB最前端，地線用跳線飛入并與整流管并排。整流管輸出直接接電容引腳最底端。地線由飛線分開，分別接入兩個電容接地點再從電容處引出在后面電路下方匯聚，這樣可以更好的過濾掉前面的波紋。整流管輸出一樣直接指向電容。電壓取樣、運放供電也是從電容單獨飛出，把每一個線盡可能的獨立開。在這里我承認我有些較真，雖然這種布線效果較好但是浪費了大量面積，增加了做圖難度，對于效果的改善卻比較小，如果大家自己做大可以隨意些 ，大電流的走線相對獨立就好了。PCB裝好后整流管用的最常用的4007 并聯(lián)在整流管上的電容。我用的0.1U的CBB，看外形疑似松下電容。做伺服的運放用的手里比較多的飛利浦5532。實際上電源對這個運放要求比較高，要求帶寬以及轉(zhuǎn)換速率都比較高且輸入阻抗較大的運放。輸入阻抗大當(dāng)然需要FET輸入的運放，而我手里最多的就是5532，其他型號運放比較少，所以就用上了。當(dāng)然在這里使用 NE5532并不合適，如果有機會再做我會選用LF353，目前為了測試就不更換了。濾波電解電容用的國產(chǎn)電容，畢竟對這個電解要求不是很高。而輸出端我選用松下FC系列高頻電解，并聯(lián)飛利浦0.1U CBB電容。上個電路反面焊接點的照片。做好后的電源準備上電測試。變壓器用的音響拆下來的變壓器里面的雙14.8V副電源上電后測量正負電源電壓，確保電路可以穩(wěn)定工作。本人用的萬用表不算精確但是測量電壓沒有太大出入就能說明電源穩(wěn)定工作了。經(jīng)測量正電壓14.89V負電壓14.92 V 。測試合格，電源部分完工。三、耳機保護電路47耳放原設(shè)計使用供電電壓較低的運放OPA2132，用電池供電，主要作為便攜式耳放使用。 而我這次做的耳放選用供電電壓較高且耗電較大的運放，而且使用雙15V穩(wěn)壓電源，相比之下比電池供電的耳放危險不少。由于電壓較高所以使用起來也是提心吊膽，擔(dān)心耳機會因為電路出問題而犧牲 。所以像功放一樣，作為一款功能完善的耳放也是需要耳機保護電路的。于是做了耳機保護電路。耳機保護電路主要是保護耳機的安全。其功能通過一個繼電器實現(xiàn)，并在可能威脅到耳機安全的時候迅速斷開耳機與電路的連接，起到保護耳機的目的。這一點與喇叭保護電路類似。主要的功能有三項，開機延時、關(guān)機瞬斷、中點檢測。開機延時功能就是在剛剛開機的一段時間之后接通耳機與電路，目的是跳過放大器剛開起時產(chǎn)生的沖擊，以便保護耳機的安全。關(guān)機瞬斷功能與開機延時類似。由于放大器濾波電容的存在，在切斷電源之后還會繼續(xù)工作一段時間，而隨著電容的放電供電電壓越來越低，到最后也會產(chǎn)生一定的沖擊。而關(guān)機瞬斷也是為了在沖擊產(chǎn)生之前切斷耳機與電路之間的連接從而起到保護耳機的目的。中點檢測功能并不像前兩項功能每次開關(guān)機都會啟動，只有在放大器輸出直流的時候才會啟動保護。我們知道，耳機放大器輸出信號是交流的，而輸出端對地直流電壓要盡可能接近0。如果耳機放大器輸出直流電壓則會對耳機造成一定的傷害，如果放大器輸出管發(fā)生損壞、短路或者斷路都會使輸出端產(chǎn)生近似于電源電壓的直流電。對于雙15V供電的47耳放來說出現(xiàn)這樣的問題無疑對耳機是毀滅性的破壞。所以一個相對全面的保護器需要具備中點檢測功能。 保護器主要是通過繼電器實現(xiàn)的，在繼電器對地端加了三極管用于控制繼電器的開關(guān)。首先要想到的就是延時啟動的控制，延時通過電容充電實現(xiàn)。具備延時功能的保護器基本結(jié)構(gòu)電源通過電阻給電容充電，電容剛開始充電時視為短路，當(dāng)電容電壓提升至足以開啟三極管的時候三極管導(dǎo)通使繼電器吸和從而實現(xiàn)延時啟動功能。但是該電路僅僅是最簡單的原理圖還不夠完善存在很多問題，于是作了進一步修改在上圖的基礎(chǔ)上增加了一個三極管并與前管構(gòu)成達林頓結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以增大整體電流放大倍數(shù)從而降低開關(guān)的驅(qū)動電流使繼電器更容易被控制 。在C5上并聯(lián)R4 ，在充電過程中與R3分壓使得C5電壓不會一直升高，確保Q5基極電壓不至于過高而擊穿三極管發(fā)射結(jié)。在保護器斷電期間R4也可以放掉C5上的電荷保證下一次延時啟動的穩(wěn)定工作 。繼電器線圈的兩個腳根據(jù)電壓的方向并聯(lián)了反向的二極管，這個二極管是非常必要的，因為繼電器線圈本身就是一個大電感，二極管可以吸收線圈斷電瞬間產(chǎn)生的比較大的反向電流保證電路工作穩(wěn)定。而Q5的基極也被用于保護電路控制信號的接受點，當(dāng)這點電壓降低至小于兩個三極管開啟電壓時保護電路工作，繼電器斷開。關(guān)機瞬斷功能是通過保護器供電瞬間切斷實現(xiàn)的。放大器使用的穩(wěn)壓電源濾波電容較大，關(guān)機后還會提供一段時間的電源，但是此時變壓器已經(jīng)不工作，如果變壓器有另一個繞組給保護器供電而濾波電容較小的話，保護器會提前關(guān)斷起到瞬斷作用。 增加電源的電路濾波電路不需要很嚴格使用半波整流即可，我多加了一個二極管這樣可以方便雙電源供電時候使用。為保證繼電器穩(wěn)定工作增加了一個與繼電器電壓值相符的三端穩(wěn)壓管。中點檢測功能就是對輸入信號對地電壓進行檢測。當(dāng)輸入信號與地線的電壓差到達一定程度時保護啟動。監(jiān)測中點不僅要檢測正電壓，伏電壓也一定要檢測出來，最終轉(zhuǎn)化為同樣的信號控制繼電器關(guān)斷。想到這里首先想到的應(yīng)該是整流橋，的確整流橋可以將正負電壓信號統(tǒng)統(tǒng)轉(zhuǎn)為同一個方向但是缺點也是顯而易見的。首先二極管壓降比較大，一般在0.7V左右。這樣一個橋堆的監(jiān)測下限也被提高到1V以上。其次二極管整流出來是正像的電壓信號，不能直接給前面Q5信號控制繼電器。再次，二極管的恢復(fù)速度相對較慢所以對信號檢測速度造成影響。于是，我遍采用了另一種檢測電路。增加一個聲道中點檢測的電路用兩個三極管對電壓進行檢測。三極管開啟電壓較低通常只有0.5V，而且速度較快。當(dāng)沒有直流輸入或直流在正負0.5V之間時，Q2、Q4 均不導(dǎo)通，不影響繼電器吸和。當(dāng)輸入大于0.5V正電壓直流時，三極管Q2導(dǎo)通。將Q5基極下拉至地，保護啟動，繼電器斷開。當(dāng)輸入小于-0.5V負電壓直流時，三極管Q4導(dǎo)通。將Q5基極下拉至負電壓，保護啟動，繼電器斷開。檢測端前面帶有RC濾波電路用于隔離交流。畢竟給耳機的信號是交流信號，如果不進行隔離會影響正常使用。由于信號是正負信號，信號濾波用的電容應(yīng)該選用無極性電容，但是由于該電容容值比較大所以選用兩個電解電容對接的方案使用，效果等同于無極性電容。兩個聲道完整的保護電路畫完，并標上參數(shù)之后如下圖所示。信號輸入濾波電容用兩個220U對接串聯(lián)實際參數(shù)為110U。前面加3.3K電阻，保證在有效值為4V的交流電在20HZ以上時不會保護。這樣一來便可以保證300歐高阻耳機在輸出50MW功率以下時不會被保護。不然聲音開大之后會被認為是直流進行保護的 。這里要特殊說明一下，整個保護電路參數(shù)對于高阻耳機是絕對安全的。以300歐阻抗耳機為例，即使在出現(xiàn)剛好輸出0.5V直流并沒有起保護的情況，此時耳機因為直流所產(chǎn)生的功率為0.8MW，這點發(fā)熱并不會對耳機造成影響。但是同樣的電壓換成32歐阻抗的耳機就不一樣了。同樣是0.5V電壓產(chǎn)生的功率為8MW。雖然有些32歐低阻耳機的極限功率有200MW只高但不排除一些極限功率僅有30MW耳機的存在。雖然不足以致命但還是比較危險的。所以這個保護電路應(yīng)用于第阻抗耳機是會有存在危險的可能。雖說有危險的情況，但并不代表電路不能保護耳機的安全。一款成熟的電路調(diào)試好之后一般輸出電壓都會在10MV以內(nèi)。而使用中出現(xiàn)輸出直流的概率也是非常低的，即使輸出直流大部分情況也是在電路損壞的情況下輸出電源電壓的直流。這種情況保護電路會立即檢測并且啟動保護。所以，使用這個電路基本上是不會出現(xiàn)問題的。但是對于這一點概率極低的可能性還是要特殊說明一下。電源部分使用7812穩(wěn)壓管與后面12V繼電器相匹配。前后各用10U電解電容濾波，這兩個濾波電容不能太大，不然會影響瞬斷速度。下面R3、R4兩個分壓電阻分別用150K 和22K 靜態(tài)時Q5基極電壓約為1.5V左右，保證三極管導(dǎo)通又不會使BE間電壓過高而導(dǎo)致?lián)舸?。C5用220U 此時開機