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品尝版前级V1设计简要和装机报告
此篇文章已经给《无线电》的“音响版块”约稿了,并且商业价值进行了转移。以后有更多的文章都会这样走。
设计简要
前级出力,要做到好,是要花费一定功夫的,抄袭的拿来不算。听过不少土炮和HI-END成品前级,随着收入和DIY水平的提高,不能满足一般的发烧运放或电子管简单电压放大+跟随器的一般HI-FI前级。HI-END的要求比一般的HI-FI高多了。
纯粹运放前级的指标是很好,但是听感依然偏薄,有人说MBL5010和MBL6010的音乐味不错,实际上运放的驱动能力还是比不过分立前级的,指标是在纯阻抗600欧姆测试多,但大家都忽略了信号线的分布电容。试过用运放前级,但是发现接1个立体声功放,高频失真没那么明显,但推2个同样功放搭成的BTL,就比较明显,觉得齿音多,听感不够圆润和平衡。纯运放上手快,但几乎不能改动,虽然可以换不同运放,但声音依然存在上述的问题。个人认为,还有可能有其他原因,比如NAIM的设计师就提到IC内部的颤声,IC内部的晶体管靠太近了,影响会比较大,把电流降低,再外接射随器,是可以获得改善。有点类似玩傻瓜相机一样。
虽然说电子管也属分立器件,但是依然存在很多弊端。发热量大,需要灯丝电压,还有高压。更重要的是电子管的噪音不可避免。本人学过阴极电子学课程,那个是无法避免的,即使加直流电压,因为发射极板的热电子刚逸出的时候是180度发射;而且在大音量的时候电子管有颤声,即麦克风效应,所以有些电子管都要加套避振。考虑到现在电子技术发展迅速,用晶体管也能做出非常好的声音,而不必“无胆不欢”。当然了,个人偏好也不会强求,萝卜青菜各有所好,但不能YY。曾经有过6N11J和6N8P的SRPP前级,前者速度快,有石机风格;后者阴柔到,休斯顿的激情R&B好象跟蔡大姐一样慢吞吞让人受不了。电子管前级的指标还是稍微高点,当然了做得好的也有,在别的坛子里见到过,非常庞大的机器,其中电源就占了一大半。
全分立电路复杂,跟玩单反相机一样。调整得当,指标和音质非常棒;调试失当连TDA2030都不如。本机也是经历过这样的历程。电路非常简单,2级差分电路。虽然早在80年代,此电路满大街都是,这也是非常多人光看电路图后都会有“哦,原来如此简单,未必好声。”,但是能做到高速低失真又有音乐味的,少之又少。
全分立电路有很多种,这里选用经典的2级单差分电路,上下对称差分电路将在以后尝试。
说到这里,先提下高文10多年前的旗舰前级Memisis2。光从线路上看,很多人不以为然,如果听过的话,就会印象深刻。台湾好友E有一台,另外一个好友I,也在一栋楼里,听过后,居然想掏10万块RMB去买2手的,未果。
E有从事过10年HI-END机器维修的经历,自然会想了解传说中高文模块的秘密。一般人都会失败的,因为环氧树脂很容易碎,拿起子去翘,一般都会损坏模块的,从而得到了保护目的。由于行业有保密协议,所以,此电路图只能给人看而不能复印,更不能从事商业行为。公布的线路图,也只是个能有点水准的,问题还是很多,对光靠耳朵听的发烧友是可以通过的,但对客观仪器来说,依然问题多多,以此来证明光靠耳朵是不行的。跟高文实际线路还是有非常大的差别,跟高文真正图纸差十万八千里,但对分析研究已经是足够的。一开始,我也是有点小看此电路,经过1年半的研究,发现每个电路都是有其精妙的设计,要是随便更改下,就是好得不得了,那就是YY了。
随着对不同电压不同管子不同电流不同元件值的研究,虽然每天都工作到1、2点,但乐趣多多,颇有“书中自有颜如玉,书中自有美娇娘”的感受,更感受到大学数学作为电路研究和分析的精妙之处,幸亏大学专业课还对基本理论的推导还是强调了数学工具的必要。
下面就贡献一些设计心得,让更多的人了解好在哪里,不好又在哪里。细节决定成败。
输入电阻100K,18P
18P在仿真电路图上是偏小,实际上由于管子的输入电容和输入信号线的分布电容存在,可以适当减小,但和输入的1K电阻构成低通限制更高频率信号,保证放大器能很好地工作。
100K的输入电阻,是个有意思的值.高了当然好,更多的细节能得到重现.可是有些CD/DVD/DAC没比较好的静音电路,在输入悬空的时候,直流就不平衡,在输出端有直流,100K大概在600mV-900mV,如果机器有好的静音电路就不会了.如果用22K输入电阻,直流漂移电压小,降到60mV,但是细节丢失了很多。所以有些朋友的机器要检查下。
考虑到以后的版本,DC伺服还是加上比较好.至于有朋友说的,DC伺服导致声音有点干,那就等我的实验再说了。
第一级输入对管(重点)
很多人都是想当然.其实并不是那样的。选用晶体管BJT是为了更高的增益,JFET的增益稍微低了,K30ATM是最低的。而且JFET的配对难度远大于晶体管的,大家去看看参数就知道了。当然了,JFET的优点是在于全对称输入简化偏置.噪音系数来讲,晶体管不一定就比JFET的高,而且很多低噪音的晶体管提供选择.而这样的JFET就少了。
用中文前级的第一级差分输入级,做了简单的仿真,测量单端输出信号的幅度:
JFET:
2SK30ATM的开环增益是2.7倍;2SK170的是9.7倍。
BJT:
MPSA42的是13.8倍,但失真比较大,0.007%;2SC1815/2N5551的是14.2倍;MPSA05/2N4401的是14.3倍;2N3904的是14.4倍;BC847C/BC182BP/547C/2SC2240/MPSA18的是14.5/14.6/14.7倍;
达林顿MPSA13的是11.8倍,看来不是放大倍数就是增益大,要看具体应用了。
当然了,增加静态电流,放大倍数会有一些增加。把恒流源2mA加大到4mA,2N3904的放大倍数增加到16.4倍。
看来要增加开环增益,提高静态电流是作用不太大,还是用增大负载电阻或恒流源负载比较好。增大负载电阻也会因为全直流耦合而带来一些问题。第一级有差异,第二级的恒流源负载的增益有1000倍以上,如果不配对,增益会差很多。这样,用JFET和BJT的差异就体现出来了,都是0dB,BJT的负反馈量就更大,所以会获得更好的指标,包括中点电压的漂移.
不信的话,可以装个插座,把DIP8的IC插座拆下来一个一个脚装上去,再插管子进行对比。这个实验,已经做过多次了,并且是现场对比的,没任何暗示.
第二级放大对管
由于是全直流耦合放大,所以对第二级的管子也有些要求.基本上也要配对,线性也要注意,更要注意功耗.前面电流和第二级电流的比例也要适中,这级电流大小都会对整体的失真有影响,这个要看具体管子在仿真的结果了。
第三级电流放大对管
由于是电流放大,负载也不太大,不要太高的静态电流,也容易发热,温度稳定性不好.10mA都足够了,不要追求所谓的甲类,实际上10mA相对10K以上的负载来说,已经是甲类了。射随器在高频几MHz都有可能自激,所以发射极电阻是避免不了的,至于多大,最好是做仿真,想当然是不保险的.阻值过大,本级电流负反馈过大,声音会干些;反之,温度稳定性差.
恒流源(第一级和第2级镜像恒流源负载)
一般电子教科书上最简单的恒流源就是用2个1N4148、1个电阻和1个三极管做成简单的恒流源。
稳压管的温度系数,工作电阻和噪声电压----6-7V的最好.黑田 彻的著作里有。而且采用33K的电阻,看上去稳压管不能正常工作在稳压值范围.是的,不能,但电流很小(0.25mA以下),齐纳效应带来的噪音就更低,要活用,而不是死教条,这样可以不并联电容.如果你觉得心理要加才放心,那不妨也加上去。
恒流源的,在黑田 彻的著作里有,我就不罗嗦了,有兴趣的去看。
这里提下,有人把330欧姆改成其他阻值,比如390,430欧姆,其实是没意义的,仿真结果表明电流值几乎不变.
输出电阻到底选用几欧姆?
经过权衡,采用100欧姆电阻,不能太小了,驱动不了电容负载。这里不得不提下,信号线的分布电容,很多线的分布电容都超过1000pF.但在很多仿真和分析中都忽略了它的存在。如果用太大电阻,如1K,信号源内阻过大,导致声音压缩。曾经有过把一声道的100欧姆电阻装成1K电阻,导致声音好象从门缝里出来的。要找到原因可是真难,一个一个元件左右声道对照,后来才发现.
有些信号线的电容大了,需要改大,比如330欧姆,就没齿音.这个就要看具体的线了。
闭环放大倍数,为什么选用0dB?能否做成有放大倍数?
既然能做0dB,就能做到有放大倍数!只是因为是接CD机输出,2V RMS实际上很高了。如果再放大,接上后级(常见的是30dB),就容易过载,而且失真会加大。如果有必要放大也可以。做成0dB是把所有的开环增益都用来提高指标。怎么能拿没电压放大说成跟导线一样?外面很多射随器电路,都比0dB还小,0.9倍的电压放大倍数。
如何防止自激?
这个问题很复杂。基本上只回答下不同管子的fT 不同需要不同的带宽补偿。比如有些人提到的经验--加50-100pF的电容,也有人说不要,而是选用更高fT的管子。前者是以稳定性为主,限制带宽,同时也限制了转换速率SR;选用更高fT的,是可以不用,但是仍然存在更高频率的自激,还是要适当地加点。这个要怎么加,加多大,就要看具体的管子和实际电路了。
如果补偿不合适,此电路存在10MHz左右的自激。欠补偿,仍然有小幅度如10mV的自激信号;过补偿就是,带宽变窄,性能下降很多。光靠听或万用表是不够的,那么高的频率,高音单元和万用表不能响应,也给某些人提供了可利用的漏洞,一般的2MHz示波器也不一定能看清楚更高频率的自激信号,比如10mV的10MHz自激。
在此版中发现,仿真是10pF足够,但由于实际零件和PCB板的差异,起码要27pF才能稳定,考虑裕量,所以选定33pF。同时,在反馈电阻1K上并联10pF电容限制带宽。
不同电流的选用与SR
在电压负反馈里,SR跟第一级的恒流源电流和驱动的电容负载有关.提高电流,会导致输入级对管噪音加大;电流小了,噪音是降低了,但是转换速率低了;所以要看具体的管子参数,比如管子的噪音系数和输入输出电容。有些人片面提高第一级电流,其实不见得会有很大的提高,还要注意管子在大电流的增益是否下降。如JFET,是否在那个档,比如BL和GR档.
不同管子的差异
不同厂家的管子差异还是很大,应该以规格书为准,而不能以牌子或管子的名气来YY.比如2N3904/9014的增益就很大,fT都很高,100MHz以上,比MPSA42好,fT才几十MHz.一般尽量采用高fT,输入输出电容小的对管,尽可能提高开环增益和带宽。
就是不同公司的MPSA42/92也有很大的差别,最差的是仙童(MPSA开头的)和ON(以前的motorola),但仙童KSP42/92的电流线性范围不错,看规格书的增益电流曲线就知道。市面上假货横行大家需要谨慎。
品尝版前级线路,实际PCB上有可调电阻调节中点电位。
下面是高文线路图,注意那个分析图,实际上不是真正的高文图纸。
高文Memsisi2整体框图
高文Memisis2的lineout线路输出,一样很简单吧,会让N多人吐血,或当作宝贝。作为10年前的线路,以现在的观点来分析,依然还有非常多的不足,要有选择的拿来主义,不赞同生搬硬套的直刻做法。
高文Memisis2原理分析图,跟原厂图纸是不一样的,做分析用途还是可以的。修改几个不伤筋骨的电阻,是很无聊的做法。
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