刘氏四管分立前级再制作

cloudfly55

前段时间复刻了奶妈的NAP200功放，声音较为平稳。（见奶妈NAP200功放复刻之体验）关注论坛热帖刘氏四管分立前级已久，也备好了材料，于是根据复刻的NAP200机箱侧面可利用的地方，设计了这款前级PCB，特点如下：
1.前级主电路按照刘老提供的图纸参数，主体电路不做修改。
2.高低音调电位器在PCB上采用8位拨码开关+高精度贴片电阻代替，第一档设置在中间位置，不提升也不衰减，剩余7档每档均为提升状态，具体阻值可根据实际听感和需求进行调整。
3.在音调电路同时设置双六针针座，如果不想采用拨码开关方式，可不焊接这部分贴片电阻，采用一块转换板插入该针座，接入高低音调节电位器。
4.板载简单的分立元件稳压电源，但用跳线和前级电路做隔离，并设置一个外接电源端子，方便以后更换电源试音。
5.场效应管采用3DJ7H，均挑选IDSS=11mA的管子。退耦电阻均采用贴片钽电容。耦合电容均采用WIMA或ERO薄膜电容，无他，手上正好有一些而已。
6.所有贴片电阻采用千分之一精度和低温漂类型，除代替高低音电位器的电阻采用0805外，其余均为1206。





给贴片元件焊盘上锡浆



热风焊接



PCB正面



PCB背面（有一个错误发现没有？，搞惯了正负电源，这次搞这款单电源供电电源的电路，习惯性......）



音调控制用拨码开关，每个声道两个。（这里转接音调电位器的双六针针座没有安装）



拨码开关背面就是0805贴片组成的电阻网络代替音调电位器



板载稳压电源

补充内容 (2017-2-25 18:03):
第29楼有详细调试步骤，不可错过！

cloudfly55

已经出声，刘老诚不欺也！好听！！！
不过，漂亮的PCB，在我调试时上卫生间撒一泡尿，再回来居然烧毁一个电源退耦用钽电容.......我的电压24V，手上只有25V耐压的钽电容，居然这么不经压。
调试电路于我并不太陌生，但调这款电路之前，尽管我阅尽论坛的四管前级帖子，可以说似乎胸有成竹，但还是折腾一番，幸好有示波器，最后是在万用表测直流+示波器看波形，综合之下才调试正常。这款电路在没进入正常工作状态的时候，不但没有放大，也就是无声或者极为细小的声音，并且波形异常，输入的测试波形惨不忍睹，叠加数不清的杂波。可见以前有人一口否定这个前级，在于调试没到位。
目前只是初步调试好，大动态时有些乱，估计还要仔细调整。这款电路经得细玩，每一级的电流调到什么状态最好声？每级之间的配合怎样？不同的管子声音会怎样？然后还有坛友甩开音调的另一款四管前级怎样？慢慢试验吧。

参考 刘先生 4管J-FET前级调试心得分享，发现万用表测出的那几个电阻上的电压在跳动，稳不住，于是在输出端接入示波器，看到如下波形：



无信号输入时输出端波形



输入10KHz时输出波形

以上均为未调试好时波形，并且最大输出波形幅度只有0.2V左右

最后初步调试好了，专注于调试就没拍照片了，以后有空再补。

特别说明：
1.我的管子采用3DI7H，和上面引用的坛友四离谱兄的调试帖子管子不同，所以不等于四兄的帖子不正确，事实上方向是正确的，只是我的管子不同所以不能完全吻合他在贴中提到的电流数据。
2.前天发了一个帖子，内容是我想自己做一款蓝牙I2S输出加外置解码器的，咨询坛友建议贴，因提到做好后赠送PCB一事被版主删帖。我非卖家，只是玩家，所以为避免删帖，请坛友不要在贴中再说出套件的话，我只是玩家，玩家，玩家，重要的话说三遍

cloudfly55

【四管前置电路调试数据】

出差回来，正好是周末，就细调了一下这款前置的每级工作电流。


上次粗调主要是观察示波器的波形，避免失真的情况下，并没有刻意和仔细去测量每级电流，下面是调试流程：

1.本次细调时在前置输入端送入2V，1kHz正弦波信号，示波器接前置输出，调节时一边观察波形变化和失真，一边测量每级对应电阻电压；
2.每一级先调到波形刚刚出现失真，并记录此时电压，方便和正常电压对比；
3.每次调到失真波形出现后，再回调电位器，让失真消失，波形稳定，然后再继续回调一点点，保证不失真富余量，此时再记录此处不失真电压；
4.第四级大范围调节未见失真，于是将左右声道电流均调节在530uA；
5.以上调节完毕后，测量输出电压为左声道1.49V，右声道1.45V，再稍稍调大第二级电流到530uA，让右声道电压输出为1.49V；
6.可见在我使用IDSS=11mA的3DJ7H的情况下，在在上述调节电流已定、不对电路进行任何调整如改变负反馈量时，且在输入串入1M5电阻阻值的前提下，本前置目前只能输出1.49V不失真信号，是不是更换别的型号场效应管有改善，暂未知；
7.应该说明的是，实际上有效输出电压是可以稍超过1.49V，因为我在第3步为保证不失真余量，回调了一点电流，估计调节到输出1.7V左右没问题；
8.记录下的失真电压，和不失真正常工作电压，差别并不十分大，这也许是部分制作此电路的DIY爱好者失败的原因，因此仅仅只靠听音和万用表测量，必须要有一定的调试经验和较强的耐心，最靠谱的调试方法我认为还是信号发生器+示波器+万用表。
9.以上数据和调试方法只是一家之言，不当之处请拍砖。


下面是记录原始图纸和总结的调试数据表







下图这张是第一级调到100K电阻电压13.9（另一声道14.1），前置输出端0.34V时候的波形图，可见波形下端有失真，这种失真不是削波，而是下部正弦波峰变圆变钝，估计此时听音乐，失真不会很明显，只是音量小。



从这张波形可了解，在调试第一级时，刘老给出的调试方法靠谱（原话）：“电流从小调到大，声音一点点响起来，直到声音有所减弱前就已经是最佳工作点了(再调下去就不响了)”。只是，在电路通电一开始就陷入震荡情况下，部分人会不知所措，无从下手
。其实调试的关键就是先把第一级电流调到最小，以消除震荡（此时万用表测量电压跳动），然后再慢慢调大。





第一级调试好后的波形


第一级调试好后，由于震荡消失，后面的就相对好调整了。
下面是第二级失真波形，此时左右声道电压13.35V，12.7V，和正常的10.07V、11.3V真的相差不大。




下面是第三级失真波形，此时左右声道电压4.4V、4.29V，和第二级比，仍然和波形正常的5V、5V相差更小。



由此可见，如果纯粹凭听感调整第二级和第三级，可能控制不好失真，因为出现失真时测量本级电阻的电压和正常波形电压差别实在不是太大，怎么避免在没有示波器的情况下调试到不出现失真的最佳状态呢？我说说我不成熟的想法。
我在调节第四级时，发现从500uA到1mA余，输出电压和波形幅度并没有什么变化，不会造成失真，那么我认为可以在第一级调好后，先把第四级调到0.5-1mA，然后再调节第二级，第三级。具体的调试过程如下：
1.在输入端输入2V1kHz正弦波信号，有信号发生器最好，没有的话，下载正弦波MP3文件，用电脑输出，用万用表校准到2V再输入本前置，实在调不到2V也没关系，只是输出电压也会相应下降；
2.在本前置输出端接上一块万用表，用交流电压档测量输出电压；
3.大范围调节第二级微调电阻，先让输出电压明显降低，然后再逐步调节到输出电压最大电压，此时再调节微调电阻输出电压也不会再高了，这时候把微调电阻回调一点点，留一点余量，避免失真；
4.第三级按照第3条方法调试。
5.如果不放心，可再进行一次3、4步，观察输出电压，一旦输出电压不再升高，就到达开始失真状态，这时候回调一点点，必定会避免失真出现。

前级我也曾经做过一些，从专用前置IC，各种运放，电子管，晶体管分立元件的前级过去均有涉及，可以说这款前级的声音，和它的投入，的确大大的超值。它的缺点一是调试稍微麻烦，但和其他分立元件的前置比并不为过，第二是它的输出比输入小那么一点，有些人耿耿于怀，我倒是觉得没什么关系，在声音好的前提下，衰减一点音量完全可以靠稍微调节功放音量来弥补，而那种无源前级不也是衰减型前级？而调试的不当，却给一些人造成这款前级声音不过尔尔的说话，让热心推荐这款前级的老工程师刘老稍感郁闷。刘老也无需郁闷，实践出真知，那些没有体会到这款前级的DIY们，最终损失的是一款值得玩味的电路和美妙的声音，是不是？








补充内容 (2017-2-25 20:20):
第一段第五点有笔误，应为：“5.以上调节完毕后，测量输出电压为左声道1.49V，右声道1.45V，再稍稍调大第二级电流到150uA，对应75k电阻电压为11.3V，让右声道电压输出为1.49V；”

cloudfly55

再谈四管前置的调试感想
1.刘老发布此电路时并没有公布每级工作电压，实不为也，是不能也。由于JFET结型场效应管的制造工艺和特点，无论国产和进口管，哪怕是同一型号和同一IDSS电流档，均存在较大的离散型，因此用不同的管子，让其工作到本电路的前面三级，特别是这三级又是工作在特定的恒流区而非常见的变阻区，因此每个管子的离散型导致每级的电压均不相同，并且每级进入失真区的电压和不失真电压也极为接近，所以刘老贸然给出他制作的电路的工作电压没有任何参考价值，甚至会误导制作者。所以，刘老只给出了调试的方向，实践证明，刘老指明的方向没错。
2.即便如我，在制作前测试了管子的IDDS，并尽可能左右声道和每级对称使用相近的IDDS，但实测在进入失真时的电压仍不一致，可见用标注场管每级电压的方法无助于调试。只有理解了电路后，根据每级工作原理且反应出来的工作状态的不同，推导总结出相应的测试方法，就可以心中有数不困难地调好这个前置电路。
3.本电路包括上述测试方法，本质上均是测量每级电流，只是变通为测试每级回路中的相应电阻上的电压，用该电压除以电阻，也就得到相应电流。我附表中的测试电压和相应电流也只是供参考，即算坛友和我一样用3DJ7H，也不可以机械地套用，而应按照我总结的方法和步骤进行调试。
4.说个和调试的题外话，我的一个教训，也是一个制作经验：本电路中的电源入口处的退耦电容（我的电路中的C116，C216），不可用钽电容，如果一定要用，请串入一个1K电阻后再使用钽电容。我在第一贴中说过，调试过程中有一个钽电容烧毁，也就是这个电源入口处的钽电容。原以为我的钽电容是25V的，耐压不够烧毁的，后来查询我的购买记录发现是35V的，这时候我才慢慢想起十几年前在搞DAC时使用钽电容的经验，也是直接在电源入口处烧毁过。真的是很久没没搞电子了，以前的经验都忘记了。下面是钽电容供应商给出的使用注意事项：

钽电容用于电源开关电路需注意：

经常碰到很多客户讨论钽电容爆炸问题，特别在开关电源、LED电源等行业，钽电容烧毁或爆炸是令研发技术人员最头痛的，让他们百思不得其解。正因为钽电容失效模式的危险性，让很多研发技术人员都不敢再使用钽电容了，其实如果我们能够全面的了解钽电容的特性，找到钽电容失效（表现形式为烧毁或爆炸）的原因，钽电容并没有那么可怕。毕竟钽电容的好处是显而易见的。

1. 低阻抗电路使用电压过高导致的失效;
对于钽电容器使用的电路,只有两种;有电阻保护的电路和没有电阻保护的低阻抗电路. 对于有电阻保护的电路,由于电阻会起到降压和抑制大电流通过的效果,因此,使用电压可以达到钽电容器额定电压的60%. 没有电阻保护的电路有两种; 一;前级输入已经经过整流和滤波,输出稳定的充放电电路.在此类电路,电容器被当作放电电源来使用,由于输入参数稳定没有浪涌,因此,尽管是低阻抗电路,可安全使用的电压仍然可以达到额定电压的50%都可以保证相当高的可靠性. 二;电子整机的电源部分; 电容器并联使用在此类电路, 除了要求对输入的信号进行滤波外,往往同时还兼有按照一定频率和功率进行放电的要求. 因为是电源电路,因此,此类电路的回路阻抗非常低,以保证电源的输出功率密度足够. 在此类开关电源电路中[也叫DC-DC电路], 在每次开机和关机的瞬间,电路中会产生一个持续时间小于1微秒的高强度尖峰脉冲,其脉冲电压值至少可以达到稳定的输入值的3倍以上,电流可以达到稳态值的10倍以上,由于持续时间极短,因此,其单位时间内的能量密度非常高, 如果电容器的使用电压偏高,此时实际加在产品上的脉冲电压就会远远超过产品的额定值而被击穿. 因此,使用在此类电路中的钽电解电容器容许的使用电压不能超过额定值的1/3. 如果不分电路的回路阻抗类型,一概降额50%, 在回路阻抗最低的DC-DC电路,一开机就有可能瞬间出现击穿短路或爆炸现象.在此类电路中使用的电容器应该降额多少,一定要考虑到电路阻抗值的高低和输入输出功率的大小和电路中存在的交流纹波值的高低.因为电路阻抗高低可以决定开关瞬间浪涌幅度的大小。内阻越低的电路降额幅度就应该越多。对于降额幅度大小,切不可一概而论. 必须经过精确的可靠性计算来确定降额幅度.

3. 钽电容器等效串联电阻ESR过高和电路中交流纹波过高导致的失效
当某只ESR过高的钽电容器使用在存在过高交流纹波的滤波电路,即使是使用电压远低于应该的降额幅度, 有时候,在开机的瞬间仍然会发生突然的击穿现象; 出现此类问题的主要原因是电容器的ESR和电路中的交流纹波大小严重不匹配. 电容器是极性元气件,在通过交流纹波时会发热,而不同壳号大小的产品能够维持热平衡的容许发热量不同.由于不同容量的产品的ESR值相差较高,因此,不同规格的钽电容器能够安全耐受的交流纹波值也相差很大, 因此,如果某电路中存在的交流纹波超过使用的电容器可以安全承受的交流纹波值,产品就会出现热致击穿的现象.同样,如果电路中的交流纹波一定,而选择的钽电容器的实际ESR值过高,产品也会出现相同的现象.
一般来说,在滤波和大功率充放电电路,必须使用ESR值尽可能低的钽电容器. 对于电路中存在的交流纹波过高而导致的电容器失效问题,很多电路设计师都忽略其危害性或认识不够. 只是简单认定电容器质量存在问题. 此现象很多.

yanghuai

漂亮的板子，漂亮的做工，期待声音

naturey2000

非常美观！

wode1979

期待大作，早出套件，造福小白！！

sxxuejun

做的漂亮！

fc319830

都玩三管了，不过这4管板做得还不错

jsawar

板子做得养眼啊

hulx

板子画的好看，焊工也好，料够猛。一看就是穿梭于模拟和数字电路系统的专业人士干的活。
能否把你的各漏极电压贴出来参考一下？买过一盒3DJ7H，测了10个Idss都是11mA左右，剩下的懒得测了哈。
整流部分的M4看不清是否焊错了俩？

天山雪莲

板子做的不错

coole

做的漂亮。4管前级我先前也自己做了，声音好得不要不要滴。

jinghu1980

板子做得真漂亮，这电路一直不敢动手就是怕调试。家里的示波器大概有6、7年没通电了还能不能开机都成问题。

cloudfly55

hulx 发表于 2017-2-19 08:46
板子画的好看，焊工也好，料够猛。一看就是穿梭于模拟和数字电路系统的专业人士干的活。
能否把你的各 ...

厉害，是一边做事，但又不得不一边聊微信导致分神害的，今天出差了，过几天我细调好后再测给你。

swsw4321

支持一下。。。

ADQ

不错。细致。专业。。但还是建议做三管吧！

cloudfly55

ADQ 发表于 2017-2-19 16:16
不错。细致。专业。。但还是建议做三管吧！

十年没碰过电路了，十二年没画过PCB了，一切慢慢来，三管，包括所有分立元件前级都会玩的，基本上不会碰运放前级了，以前都玩遍了，工业化的东西没新鲜感了（并非否定其声音）

08DIY

板子设计做工都漂亮，期待后面更精彩的调试图片和经验

cloudfly55

weiyongjun 发表于 2017-2-19 19:15
俺的三管：

漂亮，养眼，做了4管的没？对比听感怎样？

fc319830

还是做三管的人都做过4管