自制【OPA1612三倍放大+缓冲输出】运放前级，心情分享~~~

zergxia

最近在筹备一台功放，后级输入阻抗6.8K，放大倍数28.2倍，为了匹配输入阻抗低的后级，也为了达到自己想要的效果，就尝试着自己翻资料做一款运放前级

在TI官网反复翻找音频运放，最终锁定了OPA1612。这是一枚双极型输入高性能音频运放，性能指标非常好，价格也不是太贵。例如以下指标，远超很多常见运放：
超低噪声：1kHz 时为 1.1nV/√Hz；
超低失真：THD+N 1kHz 时为 0.000015%，互调失真≤0.000015% ；
高压摆率：27V/μs； 高带宽：40MHz (G = +1)； 高开环增益：130dB；
高输出驱动能力：±30mA 最大输出电流；
轨到轨输出；单位增益稳定； ±2.25V 到 ±18V 的宽电源电压范围
输入失调电压±100uV（典型值），输入失调电流±25nA（典型值）
OPA1612官方PDF
反复研读官方PDF、反复百度各种资料，最终围绕OPA1612设计制作了一块简洁易焊的前级板子，目前看来，效果较为理想，达到了自己的预期

原理图

一、原理图

    大致构架：第一级3.06倍电压放大，然后接音量电位器，第二级电压跟随器做缓存输出。把电位器放在中间是为了在小信号小音量时提高信噪比，如果电位器放在最前面先衰减再放大，小音量时有用信号很容易被运放的本底噪音干扰，而先放大再衰减则可以降低本底噪音的影响；OPA1612最大低失真输出电压可以用到8Vrms，3.06倍增益时，输入不超过2.7Vrms可以保持良好的放大器性能，而家用音源大多也在这个电平之下，因此先放大再衰减可行，必要时可以增加输入衰减。


    第一级直流耦合3.06倍放大，无输入电容；输入的落地电阻R1在阻抗匹配和降低噪音之间折中取33K，也可视情况用到20K；输入串联1K电阻R2，配合100PF输入落地电容C1，组成低通滤波对超高频进行滤除，避免自激，同时1K串联电阻也给输入端限流，避免高输入电压时发生意外（OPA1612输入端必须限流小于10mA）；负反馈电阻R3/R4分别取值6.8K和3.3K，反馈电阻取值较小以压低噪音；C4超前补偿电容，消震、提升稳定性，减少方波上冲，预留安装位，实际测试后没有安装；输出串联100欧电阻R5，预防电位器用屏蔽线接远时运放自激。


    第二级直流耦合电压跟随器缓冲输出，无输入电容；输入串1.5K电阻R8限流，确保直接输入15V电源电压时输入端都不会超过10ma限流（自用可取到1K）；39PF的落地电容C5配合R8组成低通滤波对超高频进行滤除，避免自激，这里取39PF是为了在小音量时不会对20Khz高频音乐信号造成影响；输入100K落地电阻R7，避免电位器接触不良的时候输入端悬空，取值较大，对20K的电位器分压影响较小；R9取值75欧，改善大动态越阶响应；输出串接100欧电阻R10，对容性负载进行补偿，避免自激；最后接100K负载电阻R11，避免输出悬空；因后级有输入电容，所以前级并没有使用输出电容。但这个电容是非常有必要的，如果后级没有输入电容，则必须在前级增设输出电容

PCB正面

PCB背面

二、PCB
左右声道基本对称；所有地线单独走线并采用一点接地，同时在顶层大面积铺地（仅用作屏蔽，无地线回路）


三、实物图

正面

侧面

背面

这是第一版的PCB，背面走线有一处BUG，只能划线刮铜走1cm飞线，后续已经改进
电容本来想用3300UF的，奈何伟良发错货了，2200UF装上去一样用

zergxia

下面开始上家伙伺候
请忽略我单位寝室的简陋环境

黄色是输出曲线，蓝色是输入曲线，两条线稍微错开方便观察



方波20HZ，信号源有一点过冲


方波1KHZ


方波10KHZ


方波20KHZ


方波50KHZ


方波100KHZ，开始有较为明显的区别

很奇怪居然没有一点过冲，考虑到低通滤波电路，从方波看整体响应还是较为理想的

zergxia

下面上三角波


1KHZ


10KHZ


20KHZ


50KHZ


100KHZ

在100Khz时开始观察到较明显的延迟，总体来看并无问题

zergxia

接下来用示波器进行频谱分析，输入1KHZ正弦波信号，输出未观察到明显谐波峰，谐波信号已经低于示波器的分辨率！太惊喜了，简直不敢相信~
完全超出预期，高性能运放效果就是屌啊



接下来上创新声卡跑RMAA
声卡输出接前级输入，前级输出接声卡线路输入，闭环测试


频响曲线几乎一条直线，全直流放大这个结果在预料之中


失真测试跑出来的结果已经没有太大参考意义了，前级的失真太低，比声卡本身的失真低太多，已经测不出来任何有用信息

接下来我用创新LIVE大耳机接前级输出口，无信号输入时没有听到任何噪音（没有接输入信号线）

补充：用100Mhz示波器仔细检查过，两个运放没有任何自激，用手指触碰输入端，撤离后波形迅速平静，无临界自激



存在的问题：
两个运放的失调电压不一样，还都偏大，放大、缓冲两级联测一个11mV一个3mV，调换运放后这个电压跟着换位，短路输入端后降低为1mV以下，而按照PDF手册给出的典型值估算，输出的直流偏压应该低于1mV
电路板所有电阻都是 0.1% ±25ppm高精度金属膜电阻，万用表测量一致性很好；供电部分为LM317+LM337稳压±15V，用两个万用表测试过，正负电压的误差≤10mV
失调电压为什么偏大目前还没找到原因
我在另一家店购买了两个价格较高的全新OPA1612，回来对比测试一下看能不能把失调电压降下来



到这里，OPA1612前级板子的测试就告一段落了。第一次做前级板子，效果完全超出预期，非常令人满意，心情愉悦，忍不住跟大家分享 谢谢大家！








补充内容 (2019-4-12 19:41):
如果有更好的改进之处，还麻烦各位朋友不吝指教，谢谢！

补充内容 (2019-4-12 19:44):
11楼补充测试

hifiyeah

学习

YAAF

OPA1612去哪里弄安全？

yygbs

看起来很专业的测试啊，学习了。

牛骑兵

这个所谓的输入失调电压应该是由R1电阻和运放的输入偏置电流所引发。1612的偏置电流是0.1uA量级，乘以30K的输入阻抗和放大器增益后，刚好是mV量级。

wwwlllxing

赞一个！这个波形下第一级运放的反馈电容C4是39P吗？

zergxia

牛骑兵 发表于 2019-4-10 00:07
这个所谓的输入失调电压应该是由R1电阻和运放的输入偏置电流所引发。1612的偏置电流是0.1uA量级，乘以30K的 ...

有道理，这是双极型输入，不像场管电流可以忽略不计，还真有可能因为R1 R2上产生的压降经放大影响输出，算出来差不多也在10MV左右
但是这个个体差异还是明显，缓冲级输入悬空时只有R7 100K接地，按理说偏压应该更大，实测大概在3mV反而更小
实际上因为后级有输入耦合电容，11mV这点电压完全无影响，感谢指点

OPA1612去哪里弄安全？

淘宝很多吧，19-25块一个，选口碑稍微好一些的店铺，这个运放相对冷门，山寨的要少一些。不像一些口碑好的，性能明明比较落后了还死贵，造假多

赞一个！这个波形下第一级运放的反馈电容C4是39P吗？

这个波形下的实际值为 C1 100PF 、 C5 43PF 、 C4未安装（方波无过冲，根本不需要C4补偿了，保留这个安装位是为了方便以后改稿用其他运放）
其他都等同于原理图上的取值


事后复盘，我个人觉一般玩家，如果音源较为固定，能确定音源输出有输出电容隔离、输出内阻较低驱动力较强、且输出的信号电压低于2.7Vrms，则前级的R1可以取到更小，比如20K，R2可以取到更小，比如500欧
如果能确保一般情况下极少把电位器开到最大，则R8也可以取到更小，比如1K甚至500欧
如果R2/R8减小了，则C1和C7也要相应增大

zergxia

昨天晚上有空，想看看前级板子接入负载后会不会有问题，就完全模拟后级做了个假负载：

前级输出端 → 47UF尼吃糠BP电容 → 采样点→ 250欧电阻 → 6.8K电阻且并联150PF电容→采样点→前级输出地线端

为了更逼近真实使用环境，用3只6.8K电阻模拟20K电位器，然后在第一只电阻后抽头，模拟开启1/3音量（主要是步进电位器还没舍得买只能用电阻代替 ）

下面继续上RMAA简易测试，先测试声卡的闭环本底数据，然后把前级接入测试回路再测出带前级的整体数据，对比两个数据的差异，可以大致估算出前级对整个环路的影响



谐波失真+本底噪音的频谱图
绿色的曲线是测试数据
白色的曲线是本底数据
这个50hz小矮峰比较诡异，我记得第一次测试的时候是没有的，翻看之前的测试图确实也没有，可能这次把变压器放近了吧，50hz一般都是工频干扰……



谐波失真+本底噪音的频谱图局部
因为前级是3倍放大，而电位器模拟开启1/3音量，所以输入信号和输出信号的幅度理论上应该是非常接近的
从频谱图来看，输入信号和输出信号基本一致，前级忠实的对信号进行放大输出

图上最左边的就是1Khz正弦波测试信号，右边挨着的就是因谐波失真产生的二次谐波和三次谐波，我放大测试图仔细对比过，二/三次谐波的波峰，两条曲线是一样高的，这说明前级将声卡自带的谐波忠实的进行了放大输出，几乎没有产生新的谐波失真，这也印证了PDF上此运放千万分之一点五的谐波失真数据的真实性

最右边长方形里有很多很矮的小毛刺，那些就是高频本底噪音，部分小毛刺白色曲线高，部分是绿色曲线高，因本底噪音分布较为随机，而两条曲线的测试并不是同时进行，因此在这里已经很难分清那些没有重合的小毛刺到底是前级产生还是声卡产生的了，但是从总体看本底噪音的平均波峰都是差不多高的

这里再补充一个有趣的细节，最开始测试的时候我发现本底噪音里有很多难看的尖峰，然后我关掉了同一个插板上的节能灯，波形立马干净了不少，但是任然还有一部分尖峰继续存在，我百思不得其解。过了好久我突然想起，虽然我早早地拔了笔记本电脑的电源插头，但是电源适配器它还通电工作的呀，就插在同一个插板上，结果一拔掉插头那波形立马就成了测试图里现在的样子，亏我还以为品牌电脑的电源适配器滤波做得好……
从侧面也说明一个问题，不管是做功放还是做前级，电源变压器之前必须串联滤波电路，我测试用的电源比较简陋，没有EMI滤波，这些干扰居然能穿透LM317稳压传进来



互调失真频谱图
输入60Hz和7000Hz正弦波测试信号，观察这两个波形互相调制所产生的互调失真
最高的是7KHz测试信号的主峰，左右两边的矮峰就是互调失真产生的调制峰，7K+60=7060Hz,7K-60=6940Hz
这两个峰越低，互调失真越低
从测试图上看，这两个曲线都是一样高的，前级没有产生新的互调失真，再次印证千万分之一点五的互调失真参数



PCB很简单，有需要的朋友可以私信我，发送Lay6文件

音法自然

1612在mouser有带q的版本出售，价格高1/3

xmlhifi

看到PCB布线便知分离度差，频率越高越差。

zergxia

xmlhifi 发表于 2019-4-12 21:58
看到PCB布线便知分离度差，频率越高越差。

左右声道共用电源确实偷工减料了，但是这俩声道各占一边，各用一个运放，没有任何重叠的地方，都物理分割了，为什么分离度差呢？是因为左右声道的屏蔽地没有分割么？望指点！谢谢

1612在mouser有带q的版本出售，价格高1/3

回头我去瞧瞧，谢谢

nrg001

地线设计可以参考HQ版主设计的C200Ⅴ

linzhengyi

zergxia 发表于 2019-4-9 21:02
接下来用示波器进行频谱分析，输入1KHZ正弦波信号，输出未观察到明显谐波峰，谐波信号已经低于示波器的 ...

有没有PCB板，拿一二块回来焊一下玩一下！谢谢

众神降临

为什么不用1611，单运放板的分离的比双运放板的好很多，其次，带q的是汽车板的，应该是适合更恶劣环境使用，不知声音有否提升

zergxia

linzhengyi 发表于 2019-4-22 10:53
有没有PCB板，拿一二块回来焊一下玩一下！谢谢

有错的版本还有，需要一截1CM长的跳线，可以免费送一两块，不包邮

zergxia

众神降临 发表于 2019-4-22 11:09
为什么不用1611，单运放板的分离的比双运放板的好很多，其次，带q的是汽车板的，应该是适合更恶劣环境使用 ...

双运放没有两个声道共有，一个声道用一整颗

linzhengyi

zergxia 发表于 2019-4-22 16:33
有错的版本还有，需要一截1CM长的跳线，可以免费送一两块，不包邮

好呀，私信您一下