設計了一款量身打造的耳放

flyingf

一直在為自己的AKG Q701 耳機物色好一點的耳放, Q701 在低阻耳機上算是比較不好搞得耳機,
本身風格平淡,走解析路線.電氣需求上則是偏向低阻耳機,但靈敏度卻又很低,電流需求稍高.
之前製作了好幾種型式不同的耳放,都各有其優點,但是也聽得到其缺點.

後來仔細的去研究耳機的電力需求,已及以往做的耳放電路缺點,比較了聽感已及電路缺陷的關係.
每個人對於聽感都是不一樣的,對於不同失真靈敏度也是不一樣的,我只能以我做例子,
我喜歡的音樂類型是交響或是 Han zimmer 那種大氣勢,大動態, 沒有什麼比大動態,
但你卻聽出小提琴的旋音因為電源抑制比不高的絲絲抖動還煞風景,或是獨奏,
因為 snr 不高,而樂器的小音量泛音伸展不出來.或是因為輸出電容沒辦法裝太大,
相位失真導致鼓聲沒辦拳拳到肉.

反而我對於總諧波失真是比較不敏感的.

而設計這個耳放我花最多時間是在看原廠的技術文件,尤其關運放的噪聲分析模型,已及電源跟佈線的資料.
而原理了解之後,開始擬真,取得電路結構下最妥協的周邊原件取值.布線階段的難度還是比較高的,
主要花了很多時間計算路徑上電流所造成的壓降會對於系統會有多大的惡化, 再干擾以及縮短線徑中掙扎.
原本以為簡單一個耳放很快隨便都可以做好,實際卻花了一個多月左右. 都在看資料 學習計算.

flyingfishtw lm317 power supply headphone amp

電原是簡單的LM317, LM337,取值我是依據老外做的實驗,選擇有漣波輸出,但是高頻噪聲比較小的設計.
我耳放的運放是 opa1642 高頻時候的 psrr 偏低,所以電源的高頻噪聲是關鍵.


耳擴主體.簡單的正向放大,op 選用沒人再使用的 opa1642. 運放的指標算是還不錯,但還是有些不嚴重的小缺點.
其中一個是高頻的 psrr 劣化速度太快,音頻段 20khz +psrr 只有50db. 如果我使用類似 xp7 ,ra1,萊曼的架構下,
是不會有影響的,因為耳放噪聲被放大到電源噪聲已經可以完全被忽略的地步.尤其是萊曼,擴流部分太容易被電源影響.

跟各位分享一下,再設計運放電路的時候,噪聲模型相當複雜,電壓噪聲,電流噪聲,噪聲密度,電阻噪聲,
你只要抓住一個重點, 有些噪聲會被放大電路等比例放大.而 bjt 輸入 fet 輸入噪聲表現一個為低電壓噪聲,
一個為低電流噪聲.所以設計的時候一定要把噪聲的圖表看清楚才能避開缺點,運用優點.
然後避開運放噪聲的最大陷阱 Rs,把串接電阻移除的話可以移除多數電阻噪聲.反饋電阻取值盡量小,但不要小到後級推不動.
我反饋電阻的取值主要是在噪聲表現跟電流回流時再地線上的壓降造成共阻中間取得的平衡點.

耳放放大倍數我取 2.5跟6倍, AKG Q701 配上我的音源輸出2.5倍是最剛好的. 推中阻的話六倍很夠了.
Q701 耳機阻抗曲算是平穩的,在高頻的時後阻抗會從 6x ohm 提升一倍, 最大電壓需求我是依照高阻取的,最大電流則是依照低阻抗取的.
電流部分其實 Q701 吃的電流也不多 6xma單聲道, 並聯四顆 op 只是讓耳放更有餘力去推耳機.

運放端電源部分我預留了 5 ohm 並聯 47uf 的低通濾波, 在電源上的電阻會因為流過的電流而造成負載效應,
我說過 opa1642 低頻 psrr 高,但是高頻不好, 所以選擇 1k hz 電源低通濾波是為了降低高頻噪聲跟干擾,
5ohm 取值小降低已經惡化的負載效性. 簡單的說,就是用運放的低頻 PSRR, 惡化低頻電源, 優化高頻電源,
兩權相害取其輕的做法.當然在這樣的電路結構下就算什麼都不做還是比一般的耳放好.

flyingf

flyingfishtw compare 萊曼 headphone amp noise performance gain 6

萊曼耳放我把他的增益縮小做比較,這是增益同為六倍的比較.

flyingfishtw compare 萊曼 headphone amp noise performance gain 2

這是增益同為2.5倍的比較. 對於萊曼耳放的模擬,我給他的電源是理想沒有雜訊的,
因為萊曼電流放大部份容易受到雜訊干擾,非理想狀態模擬的話難度稍微高一點.


耳放部分的 THD 就是中規中矩的數值.

flyingfishtw sio2 amp headphone pcb layout

走線部分真的還是需要慢慢累積經驗. 原件擺放不以對秤為原則,而以電氣需求為原則.
嚴格做到大小電流分流,星狀接地,接地點不為濾波電容的原則,基本上是依照功率放大器設計那本書的接線方式做的,
可惜最後我手動負銅,用地線雙層包敏感信號線的檔案電腦忘記存檔, 最後打樣是照這個打的.
這個版本你可以看到我是優化地線的走法.好不好就不得而知了,至少可以看得出來不好看.
最後在走線的時候我把 VR 拿掉了,高級的價格高又大顆,低級的怕左右聲道不對稱.
反正我都是用 DAC 調整音量.

flyingfishtw sio2 amp headphone pcb layout 3d

其他仿真參數我就不放上來了, 而多數不能仿真的部分也在筆記本裡變成密密麻麻的算式,尤其在 pcb 走線壓降計算,
仿真的時候我有把地線上的電阻也仿真進去了,但是這部分也只能做參考,仿真可是不能當真的.
但是在設計一款耳放的時候,仿真可以幫助你優化電路, 尤其當你知道電路的弱點時,比較容易可以用仿真的方式試著找出折衷的解決方案.
做一個電路我習慣先知道需求跟參數,然後畫草圖,選料,模擬,找出缺點,再模擬,再選料,最後才上工.
仿真也可以讓我們知道這樣的結構到底可不可行,有些電路看結構就知道結構上只有純粹惡化音質的成分,這些在仿真上也一覽無遺.

最後說一下這個電路的缺點, phase shift 仍然存在,但跟我之前單端耳放比較下, phase shift 從100hz 70度,以經減少到剩下2度不到了.
而最大的缺點是 thd 會受限於 njm4556的表現.以及輸出直流會因為輸入偏壓電阻而增大. 這點我打算多買幾個 ic 用偏流最小的 ic來做.
另外如果對於自己訊源不熟悉的人使用這個電路的話,增益沒有調整好,會造成消波反而得不償失.
第二點就是訊源在開機的時候要調到最小值,因為耳放上沒有電位器做保護, 增益調整要在不燒耳機之下,
不然你手賤去動到 gain 耳機就燒了,也因為如此我 GAIN 的調整將會是在機相之內.

有興趣的可以把擴流拿掉改成電壓隨偶,做前級應該是很響亮的.

忘記講最基本的,輸出 Vp-p 20V左右, 輸出最大電流單聲道 280ma.

补充内容 (2015-3-26 17:59):
忘記講最重要的一個點,一般運放在放大的時候對於來源電阻噪聲相當敏感,來源電阻噪聲很容易就壓過運放本身的噪聲了,而且會依照增益放大.所以 VR 做再電壓級後面則可以避開這個問題.

丹麦王子

好专业的分析。。。。

002300

前排听课

flyingf

沒有要講課,只是新手分享一下經驗

yjcow

有个K701在找合适的二房。

flyingf

運放噪聲圖,裡面注意電壓噪聲斜的部分是1/f噪聲平的則是白噪聲,挑選運放的時候要注意到1/f的轉折點,
如果像上圖一樣不是特別為聲頻設計的運放,或是高寬帶運放,轉折點有時候會到1k才趨緩,導致低頻部分聲音惡化.
而這個運放本身的電壓噪聲 eN,我們避不掉這個噪聲,
依照下表來看,他會以 1+GAIN的方式倍增.


運放噪聲的模型,除了電壓噪聲,也會有電流噪聲,以及電阻本身的熱噪聲.熱噪聲我們特別要去注意到的就是電阻的取值,
熱噪聲隨著頻率增高而增加,阻值越高也越多.而電阻再電路不同的位置的熱噪聲有不同的增益.

熱噪聲 1k ohm 25度 1khz  0.13uV
                               20khz  0.57uV
      12.5k ohm 25度 1khz   0.45uV
                               20khz  2uV


噪聲增益表,依噪運放 datasheet 去判斷哪個噪聲對電路影響最大,通常BJT電壓噪聲低,電流噪聲高,所以反饋阻值不要取太大.
而特別注意到 Rs 這個地方, 這是來源噪聲,也就是再輸入端串聯的電阻. Rs X(Gain+1).
一般 Rs 為前級輸出阻抗,或是我們容易忽略的 VR. 假設 VR = 50k, 轉 50%.
Rs= VRa//VRb = 25k//25k = 12.5k ohm, 這也是我們做音量調節常用的 VR阻值,
所以假設電路放大只有十倍,依照我剛查詢的熱噪聲計算,
1khz 0.45uV*10= 4.5uV
20khz 2uv * 10= 20uV
然後還計算加上運放本身的電壓噪聲.
影響有多大呢? 做個小實驗給你看.

選擇了一個超低噪聲的 LME49990. 電壓噪聲 0.88nV/hz
opa2604 大概 10nV/ hz, opa627 大概 4nV/hz


反饋電阻取100/1k無 VR的簡化電路圖.


同上,區別在於加了一般 DIYer 喜歡用的  50k VR 轉到50%.


具體表現. 電路表現天差地遠從高級品變成地攤貨,是因為忽略了 Rs 的熱噪聲,以及 LME49990 電流噪聲加再 Rs 上的結果.
這是我所說優化電路的意思,所以我設計的時候把 VR 放在放大之後,避開陷阱.

youfeal

缓冲还是用LME49610好，虽然贵些，性能好啊，不难做。如果仍觉得贵可以选择BUF634P,BUF634F。贴片元件我也喜欢，希望能和LZ多交流些。

flyingf

太专注於把内容讲清楚,文章忘记转成简体的.反而减少大家想讨论的机会实在可惜了,因为这个能确保你的高价 IC 能表现出应有的音质,用在前级上也是相当有益的,等於花少少的钱更改电路结构,让系统表现提升一个档次.

比较常看到的还是大家用很好的 IC 电路结构却让 IC 恶化到跟一般档次IC的表现.

flyingf

NJM4556的 THD 20k Hz 如果输出信号摆幅大,还是比较吃力的.拟真上大概 0.02%其实也是听不出来的程度.我会坚持再噪声表现上,主要是因为音乐再频率上的表达方式.之前在学钢琴的时候想买台好点的电钢琴,看了关於乐器跟声音表现的文章.同样 1k hz的音频,可以是恼人的正旋波声音,也可以是小提琴的声音,差异上再於乐器除了基频 1khz,还有不同的高频率泛音导致乐器音色的变化.泛音越高阶,信号越微弱.之前有看过一个录音师比较压缩对声音影响.我听当泛音被压缩之後,声音整个通透感跟空间感都消失了,失去乐器的情感.

回到电钢琴的选择,电钢琴有高低价位,随然每台电钢琴的中央 C 频率跟泛音都类似,但是高价的电钢琴还能模拟出传统钢琴的声音共振.共振是什麽呢?当你按中央 C, 除了C 会依照你按的力度表现出不同的泛音,C旋在震动的同时也会因力度带动周围的旋发出高层次的泛音及共振.当你弹奏和旋或是把和旋拆开来快速弹奏,共振影响乐器情感的表达很深.所以当我选择便宜的电钢琴,但是钢琴我另外利用高价的钢琴声音录音软体来发出声音,是绝对不一样的.

再回到放大器.这些基频以外的频率信号二次泛音三次泛音,甚至更高阶的泛音,泛音的强度有时候会很低,更别提共振,以及共振所造成的泛音.我主观的认为这是空间感跟乐器情感的重要因素之一,在放大器上一般 SNR 标示皆为1khz,基频是照顾到了,但是高频往往都被忽略了.以 XP7 的架构来看,运放选择超低噪声 AD797, AD797电压噪声0.8nV, 低到一个档次,电流噪声却很高,1pa~2pa.电路结构 xp7取相当低的对地跟反馈电阻降低电流噪声是正确的.但是输入的 VR 会变成 Rs,电阻的热噪声将会被放大十倍,电流噪声流过Rs也会放大十倍,就会跟我上图做 LME49990 的两种电路架构比较一样, snr 从低频越往高频越劣化.

再讲个更基础的 SNR 代表信号跟杂讯比例,当信号小於杂讯则你只听到杂讯,所以高频低 SNR 表示乐器高频泛音可能被杂讯取代.

当我去XP7的网站看他们的SPEC时却什麽都没有.想想这应该是目前比较大的问题,工程师能搞放大器,大概也不会弹奏乐器也没有学过乐器的声学基础,就像是吃素的人开烤肉餐厅一样.

之前看到几个录音师跟音乐制作人的纪录片,当中再讲的是声音信号压缩,当他们很认真的把音乐做好,确保泛音跟空间感录制到专辑里,但是目前的回放系统通常便携,有闪亮的外观跟漂亮的 LOGO,但是媒体提供厂商为了减少成本都压缩音质,或是回放装置只是简单的喇叭,导致多数人以经习惯再劣质录音上不断的跳歌,耳机也变成漂亮的头饰.他们曾经做过实验压缩或没有压缩的音乐格式再听者身上产生共鸣的比例.压缩过音乐,觉得有共鸣的人比较少.

我也是为了学习电钢琴才去看那些相关知识. SNR方面会影响放大器的回放.
我费尽心思增加系统参数表现是为了听感提升去制作的.我们要知道做得好可以提升音乐的情感表现.但是也不能忘了一首好的音乐就算只有单调的主旋律也能引起我们的共鸣.扯得有些遠了

dione

现代混音大多有压缩，是为了耳机和小回放空间做的妥协。看看录音房出的cd和现场不插电直录的频谱就知道了

网络孤客

已收藏，慢慢学！

flyingf

板子来了.

实际做出来的样子



选料我用一般路边货,比较特别的是本来滤波电容要用Nichicon FW 65V,但在电料行看到压在架子底下的Nippon KZH 35V 2200uf, 这颗电容的参数比其他烧料好,不是音响电容,而且很难找,店里只有四颗当然都被我买走了.对於整体系统达到要求,KZH当然会是比 FW 更好的选择.

FW   65V 2200uf , ripple current 2200ma 120hz
KZH  35V2200uf,   ripple current 換算後 2700ma 120hz
KZH聲音走向又比 Nippon FW 更適合我的系統,又不會買到假貨,真是可遇不可求.

然後我测量所有地线存在的压降,dc 0.0mv, ac 0mv.基本上达成所有地线参考电压相同,但是除了FLUKE电表外,我没有精密仪器可以测试.所以我把噪声大的家电接到同一个电源,同时开启看看会不会对声音有任何影响,高频的部分基本上被我导掉了,低频的部分Psrr很好,地线又有特别注意,根本影响不到.所以不用买一万块的发烧电源线了.

声音部分这次我真的有点吓到.低音扎实同时高音又清脆,尤其动静分明的时.
背景噪在毫无环境声音之下用低阻耳机还是黑成一片.声音收的很快,估计是因为输出阻抗只有0.25ohm,设计的时候忘记加调音电阻上去.声音收很快是优点也同时是缺点,要看录音环境跟录音品质.交响乐的话表现非常好,但是现代流行音乐就差了点,因为流行音乐是数位合成的,少了空间感的残响.然後测试假人头录音的效果比厂机的声音定位好太多了,这点我也很惊讶.

估计是厂机虽然标示109db SNR, 但是你不知道他是满摆幅测试还是其他测试条件,估计他们20k hz SNR 劣化很严重才导致比我土炮还差.这点厂机也没有标示出来.
這次的耳放,成本花最多的是仿真跟計算上面,但效果比我之前堆料的還好多了.

另外我发现两个问题,
1.我 DAC SNR 只有 105DB,现在反而变成系统瓶颈.
2.耳放效能出来之後我发现,现在的录音方式是不是变差了?
  杂音虽然比较少,但发现动态变很小,反而大音量的时候歌
  曲本身吵杂一片.

环牛

不错，做个记号。

gygzl

可以，

xianhe

已收藏，慢慢学！

yuiop7890

很专业

jiang20021030

有意收楼主有成品板

whoamihero

设计电路比较合理