一款简单而经典的分立元件功放电路业余条件下DIY成高品质作品

lsbob55

何谓高品质？仁者见仁智者见智，这里不解释，相信看了本贴就会明白，再不济就动手照做一套，亲自体验，是不是高品质您说了算！我愿提供力所能及的支持和帮助，欢迎交流共同探讨，预祝每位有兴趣者成功顺利！

电路原理：



这款电路大家不陌生，很多人做过，效果良莠不齐。可工作在甲类也可工作在乙类，即便甲类指标不错，仍觉得听感一般，不是特别好。究其原因，主要是频带不够宽，常规指标反映不出高频失真特性，听感很可能不咋地。

甲类成本高、体积大、笨重，效率低的缺点难以忍受。因此推荐乙类，本电路4欧负载下，最大持续输出不失真功率60Wrms。实践证明，通过改进优化，能有效降低包括交越失真在内的各种失真，同时扩展频带，显著提升功放性能，做到小体积、低成本、高效率、指标优秀、听感出众。



利用仿真稍作改进：

1) 仿真图中添加Q19、Q14、D1等元件，为差分电路三极管提供稳定的集电极电压，增强功放的PSRR（电源纹波抑制比）。

2) 取消反馈落地电容，仿真图中R35接地，消除反馈落地电容对音质的不良影响。但也带来两个问题：

        一是功放输出中点漂移变大，通过将Q1和Q3封装在一起，解决中点漂移问题。

        二是差分电路正负输入偏置电流变得不平衡，导致差分电路两只三极管工作电流差异较大，影响差分电路性能。在Q3基极串入C5和R7组成的网络，解决了不平衡问题，电容C5的作用是消除三极管基极结电容影响。

3) 仿真图中改变R16可调电阻，能看到功放每只末级功率管静态电流在60mA左右时，存在交越失真最小值（静态电流无论偏大偏小，交越失真都会增加）。

4) 仿真基础上整理出209D功放原理图



补偿电容（米勒电容）C19容量越小电路频带越宽，仿真运行即便小于15pF也能稳定工作，但真实电路此电容参数仿真结果不能直接用，要根据实际稳定情况选择。

PCB设计：

电路原理改动不大，这款电路优势是开环增益较高，有可能获得较低失真。但实际制作中补偿电容C19通常要在100pF以上才能稳定工作，导致带宽不够，所以实际听感不佳。

关键是如何保持稳定条件下尽量减小补偿电容C19的容量，显然和电路分布参数有关，问题归结为PCB设计，诀窍是紧凑化，降低分布参数影响。于是采用贴装元件，满足紧凑布局要求，再加上合理走线，最终实物C19容量做到20pF稳定不自激，留余量选择33pF。

宽频带好处是，电路高开环增益优势得以充分发挥，不仅能减小高频失真，对降低交越失真也很有效，因交越失真含很多高次谐波，深度负反馈在宽频带支持下，有较强抑制高次谐波能力，从而降低交越失真。







调测及优化:

因为开环增益高，深度负反馈，所以对三极管配对要求不是很苛刻。安装完成后，通电调试静态工作点，以及示波器观测方波响应等暂且不表，重点介绍RMAA测试。

要做好功放，测试手段必不可少。靠方波测试，只能大致观测工作稳定性，基本看不出失真情况；靠耳朵听就更甭说了，心理因素影响太大，很难拿到可信的失真数据；而专业音频测试仪器昂贵，作为业余爱好，这个投资不值当，除非土豪。

一台旧电脑配个好点的声卡，花很少钱即可搭建一个不错的RMAA测试平台，功能基本覆盖专业测试仪器。

注意RMAA测试时的环地问题，声卡输入端两个声道地是相通的，通过功放左右声道喇叭地、信号地形成环路，产生干扰，影响测试效果。推荐加一个隔离测试装置，让信号不失真地通过，阻断环地，改善RMAA测试效果。另外，装置含衰耗器，支持大功率测试。





无须顾忌RMAA绝对测试精度（其实误差并不太大），改进一台功放，当用RMAA测得数据变好了，专业仪器测得数据也一定变好，这就足够了。

RMAA初测得到一组数据（测试条件：供电DC±24v、C19电容33PF、4欧负载、输出功率26W）





从THD测试图看，交越失真比预计大，高次谐波较多，调整电路参数包括改变静态电流，无明显改善。


                                输出级功率驱动电路A

分析原因可能是BG6和BG23实际特性与仿真模型的差异，造成交越失真实际偏大。于是，将R声道功放板用飞线改一下，换驱动电路B试试。


                                输出级功率驱动电路B



R声道电路板换驱动电路B，L声道仍然是驱动电路A。



测试结果（测试条件同上）



从THD测试图看出，右声道（驱动电路B）的高次谐波明显减少。左右声道交换，调节参数，反复试验测试都是这个结论。

决定修改原理图，重新设计PCB板。



改好的原理图仿真结果与之前失真特性无明显区别，但交越失真最小处，末级功率管静态电流变成170mA左右。

重新做好PCB板，只要元件安装无误，调试很简单，调好静态电流和中点电位即可。









再进行RMAA测试，示波器探头夹在功放输出4欧负载两端，调整信号电平为-1dB，示波器显示正弦波幅值31.8/2=15.9V，算出此时输出功率是31.6W。





保持R声道静态电流170mA不变；L声道静态电流分别调到70mA，120mA，170mA，220mA，观察RMAA测试结果：（测试条件：供电DC±24v、C19电容33PF、4欧负载、输出功率31.6W）



分别查看L声道（左声道）不同静态电流下RMAA测试结果。



重点看10kHz以上谐波，能看出静态电流170mA时高次谐波最少，即交越失真最小，这些高次谐波分量虽不大，但人耳对此较为敏感，追求高品质就应该予以重视。

采用精密温度补偿偏置电路让静态电流稳定，不随温度明显变化，实现既有乙类小巧高效的优点，又有甲类的音质效果。

RMAA测试用途很多，举例看看不同音量电位器的RMAA实测结果：

手头有3款号称进口ALPS电位器，规格都是50KA×2，价格1#最便宜，2#贵了一倍，3#最贵。


        1#电位器


        2#电位器


        3#电位器

根据输出电平，用电阻制作一付固定衰耗器代替电位器。

测试条件相同，同一套209D功放输入接不同电位器，RMAA测得数据如下：





结果表明2#电位器性能有问题，该电位器用万用表检查，示波器测试功放方波响应，发现不了问题，而RMAA测试轻松让它原形毕露。

放几张209D功放输入接固定衰耗器测试图：











由上看出，没有专业测试仪器，业余条件下要DIY出高品质功放，搭建一个廉价适用的RMAA测试平台非常有意义，是调试和优化的得力工具，包括电路架构，布局走线，接地处理，甚至元器件选择等等都相当给力!

有低失真还要有宽频带，才能进一步改善音质。宽频带本身不是目的，目的是降低音频范围内的高频失真，改善瞬态响应。

RMAA测试得到209D功放20kHz以内频响特性：



10kHz到20kHz曲线有些上翘，是声卡原因，非本帖讨论内容，这里忽略。

20kHz以上频响特性测试，业余条件下还得依赖信号发生器和示波器。

为方便测试，使用一个可编程信号发生器，信号发生器输出直接连到功放后级输入端，避免功放前级带宽影响测试结果。







黄色是功放输入波形，蓝色是功放输出波形。

输入波形幅值不变，实测输出波形幅值，得到一组不同频率下的数据：



由此测出209D功放20kHz以上频响特性，带宽约1.6MHz。

方波测试：





黄色是输入波形，蓝色是输出波形。

209D功放技术参数：



业余条件下DIY追求高品质的三点体会：

        1. 吃透原理是方向，应尽力去做。但学无止境，曾觉得已吃透，过些日子却又有新认知。要步步为营，立足已成熟的技术，逐渐探索改进提高，反复验证，避免浮躁急于求成。

        2. 同一个电路原理图，不同PCB设计做出来成品性能差别很大。只有充分理解电路原理基础上，才知道怎样布局走线才算合理。

        3. 除非有专业测试仪器，否则对业余爱好者来说，要想做出高品质作品，搭建性能良好的RMAA测试平台不可或缺，仅靠方波测试，耳朵听，永远只会原地打转，难有突破。


早几年做的205A功放，电路原理和209D差不多，因PCB布局走线不太合理，米勒电容勉强用到68pF，性能相差甚远。





205A方波响应波形叠加有小幅高频振荡，稳定性欠佳，高频失真也偏大，不理想。

一次次改板重新PCB设计，不记得改了多少次，做板费真金白银砸到麻木。直到做出209A功放，性能才算满意，但209A 调试很麻烦，不宜推广。又多次改板设计完成了现在的209D功放，性能还不错，安装调试简单，成本低。



补充内容 (2021-7-29 18:00):
关于精密温度补偿偏置电路
http://bbs.hifidiy.net/forum.php ... ;extra=#pid29992585

zhaojunsong9986

A80改版？

惠州创客

首先支持楼主的DIY能力，但是用这么多的贴片的元器件，很多上了年纪的DIY高手看了也会不喜欢，但是我也是快奔5的人了，却喜欢用贴片的元器件，偶尔发下图，也没什么人答理，可能是因为我发的都是贴片的图。

swsw4321

改R2，C18值声音就会变好，4.7K 2200p~1000p,前级不能用运放，其它全是瞎折腾

jingship

驱动A的偏压管应同驱动管耦合,调整好是比驱动B稍好,其静态电流要小,在10MA左右,每种管稍不同,大一些,少一些都比驱动B差,驱动B沒这么严格

发烧求败

很普通的电路

lsbob55

惠州创客 发表于 2021-7-9 09:06
首先支持楼主的DIY能力，但是用这么多的贴片的元器件，很多上了年纪的DIY高手看了也会不喜欢，但是我也是快 ...

俺可是奔7的人啊，依然喜欢贴片，不仅能改善性能，带上花镜拆装感觉比插装元件方便。

惠州创客

lsbob55 发表于 2021-7-9 09:32
俺可是奔7的人啊，依然喜欢贴片，不仅能改善性能，带上花镜拆装感觉比插装元件方便。

用贴片元器件，可以把PCB做的小又美观，我是喜欢跟着时代走的人。

lsbob55

jingship 发表于 2021-7-9 09:10
驱动A的偏压管应同驱动管耦合,调整好是比驱动B稍好,其静态电流要小,在10MA左右,每种管稍不同,大一些,少一些 ...

驱动A和驱动B仿真结果差不多，交越失真最小处的静态电流驱动A小得多，这也是我开始选择驱动A的原因，但实际制作调试，反复折腾调节参数都无法进一步改善驱动A的性能  ，驱动B实际制作调试容易得到较好效果，缺点是静态电流稍大。

lsbob55

发烧求败 发表于 2021-7-9 09:22
很普通的电路

对，非常普通的电路，但做好了性能完全不输很多复杂新颖电路。

lsbob55

swsw4321 发表于 2021-7-9 09:10
改R2，C18值声音就会变好，4.7K 2200p~1000p,前级不能用运放，其它全是瞎折腾

假如C19用100PF以上，高音性能就会出现天花板，好不到哪里去。

jingship

lsbob55 发表于 2021-7-9 09:42
驱动A和驱动B仿真结果差不多，交越失真最小处的静态电流驱动A小得多，这也是我开始选择驱动A的原因，但实 ...

实做也是一样,驱动A最佳只有一点,温补和驱动管耦合;驱动B最佳是一段,温补和功率管耦合;驱动B调整易些

ss0009671

lsbob55 发表于 2021-7-9 09:49
假如C19用100PF以上，高音性能就会出现天花板，好不到哪里去。

也是可以的,还在100以上. 怕出问题的倒是R23会起副作用,他是独立于环路外的独立存在,为了保证Q18的cb间压差相对稳定,减小或去掉.保安全只能在输入端进行限幅处理.而不是加这个电阻.一定要这个电阻,需要对q18c级钳位.

lsbob55

ss0009671 发表于 2021-7-9 13:16
也是可以的,还在100以上. 怕出问题的倒是R23会起副作用,他是独立于环路外的独立存在,为了保证Q18的cb间 ...

电路仿真清楚表明，正常工作时R23上的电压波动是毫伏级，对音频信号影响小到可完全忽略，作用是当输入信号异常时限流保护Q18。

无语密码

这种高热稳定的电路，其缺陷就是高静态电流。

ILXTF

请教楼主帮看下这电路图

我想使用PNP作为输出大管， jingship大侠帮把电路改成了这样

请问有更加简易的改法吗？

lsbob55

ILXTF 发表于 2021-7-9 22:11
请教楼主帮看下这电路图

我想使用PNP作为输出大管， jingship大侠帮把电路改成了这样

如此改法不影响性能，其它改法很可能性能不一样了。

lsbob55

无语密码 发表于 2021-7-9 21:11
这种高热稳定的电路，其缺陷就是高静态电流。

本功放工作电压正负30V，170mA静态电流，每只功率管静态功耗5.1W，不需要很大散热器，发热不算严重。

capa

老司机都奔7了，我等小菜真是佩服。依旧高完成度。
测试电位器的数据比较实用，赞。
上一篇的方波用的1MHz，这次400KHz，好像没有可比性。
68pF和33pF对耳多好像没什么影响（录一段来听听），“深度负反馈强抑制高次谐波能力，从而降低交越失真”，这是为了提高而提高吧。
另外我猜对了，老兄发文就要卖板了，呵呵。

lsbob55

capa 发表于 2021-7-10 10:13
老司机都奔7了，我等小菜真是佩服。依旧高完成度。
测试电位器的数据比较实用，赞。
上一篇的方波用的1MH ...

高质量音质，靠录音播放听不出效果，完全受播放设备性能限制，只有现场接优质音箱才行。谢谢老弟关注！