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本帖最后由 lsbob55 于 2020-11-27 13:57 编辑
博采众长，推陈出新，宽频带超低失真家用功放终于研制成功！感谢本论坛提供了一个好平台，现将本功放原理设计、制作及测试分享给大家。
我总觉得DIY功放不应总停留在复刻，照猫画虎阶段，要弄清原理，深入技术研究，知其然还要知其所以然，才能推陈出新，更上一层楼，做出精品，从中体会到DIY成功带来的乐趣。
一、原理
十年磨一剑，终于完成这个高品质家用功放，性能较普通HIFI功放有显著提升。
技术指标：
最大输出功率： （4Ω）60W rms （8Ω）30W rms
总谐波失真： （26W/4Ω）20Hz~10kHz：0.001%
（26W/4Ω）20kHz：0.002%
互调失真： （26W/4Ω）0.005%
频率响应： （1W/4Ω）20Hz~20kHz：+0.0，-0.2dB
（1W/4Ω）2Hz~1.3MHz：+0.0，-3.0dB
信噪比： -115dB
声道分离度： -82dB
电压增益： 26dB
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整机外观
内部布局
基本原理图
大致看电路很简单，貌似没啥特别之处，其实有二大特点：
1. 宽频带深度负反馈技术，在深度负反馈条件下大幅拓宽工作频带。单纯功放模块-3dB频率响应带宽在2.5MHz以上，安装到整机中后，受前级带宽限制，整机带宽实测1.3MHz。
常说“指标好，听感不一定好”，主要是高音（15kHz以上）表现不行。业内有经验的大侠普遍认为，功放难点在高频，追求宽频带同时具有低失真，听感肯定好。指标测试（AP音频分析仪）选择了带宽限制，通常限制在22kHz，测得指标基本不反映高频性能（11kHz以上谐波都滤掉了），出现“指标好，听感不好”现象不奇怪。（选择测量带宽80kHz，情况好点，仍不够）
深度负反馈下频带拓宽很困难，同类功放中补偿电容C13取值100pF以上才能稳定不自激，导致带宽不足、高频失真偏大、瞬态响应慢、等一系列问题。本功放确保稳定条件下C13取值仅10pF，大大改善高频特性，问题关键是如何保证稳定。
仿真分析补偿电容取值10pF可以稳定，但在这个问题上仿真有局限性，主要是各种分布或寄生参数被忽略。于是我摸索了一套行之有效的调整方法和步骤，一方面尽量让电气布局紧凑，减小分布参数；另一方面对敏感的驱动模块进行适配性调整。理想状态下，原理图中驱动模块能正常工作，但实际电路要按整机适配要求调整参数，甚至添加元件才能稳定不自激。布局走线不同，功率管特性不同，适配内容就不同，最终消除或抵消各种寄生参数影响，让电路工作稳定。此调整方法经一年多应用，完成多套这种功放，技术成熟可靠。（准备申报专利）
电路仿真图中（见下图）R31（4Ω）是负载电阻，C9（2nF）是喇叭线等效电容，该电容越小失真越小，通常该电容只有几百pF。
Q19，Q14，Q21等元件作用是降低电源纹波影响。
补偿电容C13为10pF，输出26W，频率1kHz，失真是0.000%
24a
补偿电容C13为10pF，输出60W，频率20kHz，失真是0.001%
25a
补偿电容C13为100pF，输出60W，频率20kHz，失真是0.012%
仿真结果列表：
补偿电容C13 输出功率 频率 失真
10pF 26W 1kHz 0.000%
10pF 26W 20kHz 0.001%
10pF 60W 20kHz 0.001%
100pF 26W 1kHz 0.001%
100pF 26W 20kHz 0.013%
100pF 60W 20kHz 0.012%
结果表明，补偿电容100pF时，高频失真明显加大。
2. 虽然是乙类功放，但很好地解决了交越失真问题，靠电流平滑过零技术，在宽频带深度负反馈支持下，几乎完全消除交越失真。具有甲类功放音质，又有乙类功放的低发热、小体积优点。
电流平滑过零技术是我取的名称（ 国外称Smooth crossover required for low distortion），请看一个典型互补功率管电路仿真。
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静态电流是0.4A，图中R11，R12阻值0.22Ω。示波器中黄色波形是输出电压，绿色波形是下功率管中电流，红圈中功率管电流关断及开通处，即负载电流过零处波形突变，负载电压必然出现相应波动（失真）。含大量高次谐波，闭环反馈系统响应跟不上，会出现明显超调（“超调”自动控制中的术语）不能有效抑制波动，失真是0.036%。
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将电阻R11，R12改成1mΩ（近似为零）。静态电流还是调到0.4A进行仿真，红圈中功率管电流关断及开通处波形平滑了许多，失真降到0.005%。说明交越失真和这2个电阻有关，阻值越小，负载电流过零处波形就越平滑，闭环反馈系统超调就越小，失真自然也就小了。
R11，R12即Re，本功放电路Re=0，负载电流平滑过零，加上宽频带深度负反馈作用（闭环反馈系统响应速度快），有效抑制交越失真高次谐波。但这样一来，功率管静态电流稳定相当困难，因参数离散，温度变化，实际功率管驱动电路要十分注重热设计，做成热阻很小的驱动模块，和功率管一起安装在均热铝板上。完成适配调整后，让温度系数接近0，功率管静态电流逐渐上升到130mA左右后保持稳定，且不随温度明显改变。
顺便指出，本功放输出级较同类电路多一级电流放大，目的是为功率管提供充足驱动电流，满足宽带高频需要。
3. 喇叭保护电路
稳压管WY1，二极管D3等元件作用是当正电源电压低于15V后，断开喇叭并让保护电路复位。
二、 制作
1. 功放整体模块
单声道后级电路紧凑地安装在一块均热铝板上，成为一个功放整体模块，通过适配性调整，让电路稳定工作。其中多圈电位器微调静态中点电位，包含独立喇叭保护电路。
功放主板PCB正反面
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焊好的功放主板
02b
装调好的功放整体模块
2. 三极管配对
为减小失真取消了反馈落地电容，导致输出静态中点电位随温度漂移严重。差分电路Q6和Q7配对，Q16和Q17配对，这2对三极管对温漂影响最大，不仅hfe配对，还要涂导热胶，然后用热缩管封在一起装到电路板上，如图。
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如此处理后温度均衡，输出静态中点电位温漂被控制在20mv以内。
Q6和Q7作为输入管配对精度尽可能高，hfe差别在10%以内，选hfe>300的管子较好。
另外，Q16和Q17、MQ4和MQ5、Q14和Q15有配对要求，hfe差别在30%以内即可。
3. 驱动模块
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适配调整前的驱动模块，PCB板很薄（0.5mm）有很多过孔导热。
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用导热胶涂抹驱动模块底面凝固后，再用导热胶粘到均热铝板上，然后装上功放主板，焊好引线。
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功放整体模块通电进行适配调整，需反复拆下功放主板修改驱动模块，按步骤重复多次才能完成。
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调整好的驱动模块为让参数稳定及固定元件，做了封胶处理。最后再装上功放主板焊好引线。
4. 电源
一套双声道后级功放有2个功放整体模块，推荐使用两个独立牛（变压器），每牛功率100VA以上，交流输出电压21V，每声道独立整流滤波，得到正负27V直流。双独立电源能更好地消除环地噪音，获得较好声道分离度指标。
本功放机箱小，还想利用手头现成环牛，于是采用了单牛方案。电源电路不一般，我的专利，原理图如下。
单牛实现信号隔离的双独立电源，同样有效抑制环地噪音。交流供电正半周向一个声道电源供电，同时Q1导通接通该声道电源地线，另一声道地线断开；负半周向另一个声道电源供电，接通和断开相应地线。“R地”与“L地”隔离效果不比双牛独立电源差。属于半波整流，滤波电容应比全波整流大，好在本功放有较高电源纹波抑制比，纹波对音质影响相对小。
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19a
5. 整机布局及接地
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功放整体模块发热不大，不用散热器，直接安装到壁厚4mm的全铝机壳侧板上，额定输出功率时温升低于20℃。
曾考虑以opa2604运放为核心的前级电路，但简单有源前级电路易引入干扰，降低了整机信噪比。最终确定无源前级，仅一个ALPS电位器，重点做好引线屏蔽。特别是从功放后板RCA插座到电位器输入端的信号线，又长又靠近牛，易串入干扰。于是，加牛罩、使用双层屏蔽、在普通屏蔽线外面再加一层屏蔽网，该屏蔽网单端接信号地，然后套上蛇皮管绝缘保护。
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功放整体模块有3个地，一个是信号输入端的信号地，另一个是输出端的喇叭地，还有一个是电源地，PCB板上是连通的，但不能乱用，否则会串入噪音。
采用浮地设计，测试结果表明如此屏蔽及接地，整机干扰噪音最小。
三、 测试
工欲善其事必先利其器，仅靠耳朵听终究不是办法，根本无法分辨每个参数或措施的优劣，必须测出数据，无需作为指标和厂机比，只要能反映真实性能即可。
利用手头旧台式电脑，配上24bit专业声卡，使用RMAA及MI等软件，再配上一些必要的辅助测试装置（自制），就可解决音频测试问题。利用这些工具达到满意效果后，再找有音频测试仪的朋友帮忙做专业测试。
结果发现：额定输出功率附近，AP音频分析仪和声卡装置测出失真指标差不多；低输出功率下，声卡装置测出失真指标好得多。RMAA测试时要把当前信号基波幅值整定到0dB，故小信号下失真指标有优势；AP音频分析仪没有这个操作，统一按额定或最大功率定标。同一功放，声卡测出动态范围105dB，而AP音频分析仪测出信噪比达到126dB（动态范围应大于信噪比）。
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我用的声卡是创新EMU0404很便宜，性能已满足要求。我还有华硕STX Ⅱ声卡性能更好，不过使用方便性不如创新声卡。
用RMAA软件测试时有环地问题，声卡输入端两个声道地是相通的，通过左右声道喇叭地、信号地形成环路，产生干扰，严重影响测试效果。为此，特制了隔离测试装置，让信号不失真地通过，阻断环地，消除干扰。另外，自制衰耗器，支持大功率测试。
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隔离测试装置外观
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RMAA测试中
有了这个测试手段，调试中每改变一个参数、每更换一个元件、不同接地方式、不同屏蔽措施等等都能获得精确可信的测试数据，轻松观测到示波器、万用表以及试听难以察觉的信息。为电路优化，打造精品提供技术保障。用起来得心应手，成本不高，特别适合DIY爱好者。
4Ω负载，输出功率26W条件下，本功放一组RMAA实测数据。
截图00
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几十元的音频线1
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搭送的音频线2
分别用2种音频线连接声卡到功放输入端，对比声道分离度指标曲线，2种音频线表现大相径庭。不难看出，音频线的品质对测试精度的影响至关重要。
需要说明的是RMAA测到的频响曲线，只反映功放低频段频响特性，高频段（20kHz以上）要用信号发生器和示波器来测。
先用信号发生器产生一个20kHz正弦波，幅值约2V送到功放输入端，调节音量电位器使功放输出信号幅值约2.5V（4Ω负载上约0.78W），示波器分别测功放输入和输出端信号幅值。
保持音量电位器不动，维持信号发生器产生的正弦波幅值不变，逐渐提升频率找到功放输出信号幅值降到70%的频率，得到-3dB带宽上限频率，实测频响带宽约1.3MHz。
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输入信号频率20kHz，幅值1.9V
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输出信号频率20kHz，幅值 2.4V
未完待续
后续有仿真文件及隔离测试装置资料下载，敬请关注。
补充内容 (2020-11-28 09:28):
俺级别不够，论坛限制一个贴发不完，有仿真文件，完整图纸参数都有了，请看续贴“宽频带超低失真家用功放原理设计制作及测试分享续”
补充内容 (2020-11-28 15:29):
续贴被m版主合并到36楼，这样大家看帖也方便些，谢谢m版主！
补充内容 (2020-12-2 11:00):
很多朋友希望看到的实测方波，今天拿到新信号发生器，测试上传了，在149楼。 |
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发表于 2020-11-27 13:48
看看
