关于无缺陷功放改进电源抑制比的相关测量

cloudfly55

特别声明：本帖灵感源自于坛友iflyingpig兄的帖子【提高分立功放电源抑制比(PSRR)的研究 】（后简称“研究”），或者说就是这篇帖子的实测验证。在iflyingpig兄的研究一文中提出以下观点和结论：
1.无缺陷功放电压放大级接负电源，电源抑制比差，原作者道格拉斯因此在电压放大级负电源供电采用RC滤波，尽管电容达1000uF，但效果差强人意，若继续增大此电容，至少在体积和成本接收不了。
2.在正负电源上采用简单的有源滤波给差分和电压放大级供电，即可用小电容来提高该功放电路的电源抑制比。
3.以上结论iflyingpig兄用仿真进行了分析并进行了实作，他的用AP2722音频测试仪实测噪声结果为35uV。
下面是源自iflyingpig兄的实验图纸和实测截图：





更多相关详细信息请移步原帖【提高分立功放电源抑制比(PSRR)的研究 】。

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一.测量的背景。
1.道格拉斯的无缺陷功放电路在200X年的时候做过一次，电压放大之前采用了稳压电源供电，当时的测量仪器也就是示波器和万用表，因此没注意到该功放共模抑制比差的问题。这次应乔迁新居的同事请求设计一台体积小且成本不高的功放，于是选择了无缺陷功放电路，正负55V供电，功放一个声道的采用两对功放管并联输出，静态电流设置为50mA一对管。
2.测试功放用我做实验的电源，双500W变压器+双4万微法电容，该电源测试过多种功放电路，性能无碍。
3.因为受体积成本等限制，采用免费打样PCB，所以单声道功放的PCB为10X10cm大小，加上高度20mm的限制，无法采用大容量的电源退耦电容，和负电源中RC滤波的1000uF大电容，根据手上已有元件，功放PCB输入端电源接退耦电容330uF，电压放大级的正负电源采用RC滤波方式，电阻20欧，电容330uF。
电源输入退耦和RC滤波均采用330uF的单声道无缺陷功放

改为RC滤波+有源滤波的单声道无缺陷功放

二.示波器测试结果：
测试前提：噪声测试时输入短路，负载电阻8欧100W。
1.电源输入和RC滤波均采用330uF电容时候的纹波波形，100Hz纹波目测峰峰值达10mV。

2.只把负电源RC滤波电容改为470uF电容时候的纹波波形，100Hz纹波目测峰峰值达8mV。虽然该电容只增加100uF但波形看出变小的趋势，也证实了iflyingpig兄在研究一文中的结论，但问题是受电路板面积限制和元器件高度限制，1000uF63V以上的电容不可接受。

3.在RC之前插入有源滤波后的测试。


目测采用有源滤波后的纹波在200uVp-p左右

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三.采用音频测量软件MI和RMAA的测试结果
用MI测量该功放噪声（含纹波）的时候，因为接入音频测量隔离衰减装置，因此测量结果需要计入每个功率档位的衰减系数，才能换算出对应实际噪声电压。但之后的失真度数据无需考虑衰减系数，因为失真度计算是以基波和其产生谐波的比值来进行计算，也即噪声和基波谐波一并同时衰减，因此与比值无关。
音频测量隔离衰减装置的帖子请参考【音频测量隔离装置的制作--源自lsbob55兄的资料】


四种功率档位的衰减系数如下表：


1.电源输入和RC滤波均采用330uF时的MI噪声测量


2.RC滤波均采用470uF时的MI噪声测量


3.有源滤波+RC滤波时的MI噪声测量


以上只上传功放输出1W时候的测量结果，实际测量了1W和10W输出状态的纹波噪声，测量和计算结果如下表：
4.只采用330uF电容滤波的噪声测量数据

5.采用有源滤波后的噪声测量数据


5.采用RMAA的测量结果对比




结论：采用有源滤波后，输出纹波噪声从933.8uV降低为为47.85uV，这个数值已经和iflyingpig兄的35uV接近了，考虑到功放电路板、整流滤波电路板全部为裸露状态，如果装机测量也许还有改善。以后再谈谈纹波电压对失真度的影响，这从上面的RMAA测量结果表中也可窥见

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四.改进电源抑制比降低纹波干扰对功放失真度带来的好处

在失真度测量原理中，简单地说，就是向被测设备发送1个或者两个基波，然后在被测设备输出端捡拾信号，滤除基波，剩下的就是由基波产生的高次谐波，或者两个高低频率的基波相互调制产生的差频谐波成分，把所有剩下的这些谐波能量和基波能量对比，得出失真度数值。如果被测设备因为电源100Hz纹波噪声大，因为放大器的非线性等原因，就会向高频延伸产生，更多频率的以100Hz为基数的倍频，比如下图中的200Hz，300Hz，400Hz，500Hz，600Hz，700Hz......直到1kHz以上，到达了人耳敏感区域。这些由100Hz纹波噪声本身带来的或者因为放大器非线性调制带来的谐波，在实际工作时，会叠加到正常音乐信号中，让声音变得浑浊，毛糙，在测试失真度时，这些谐波一方面会被计入到剩余谐波之中，一方面也会参与调制产生更多和测试基波无关的谐波，总之，都会让失真度指标大幅降低。



MI测试：没有采用有源滤波的功放底噪（输入短路）

这时候输出1W时候的THD失真度为0.0062%，互调失真为0.0186%





采用有源滤波的功放底噪（输入短路）



这时候输出1W时候的THD失真度为0.0012%（降低5倍），互调失真为0.0069%（降低2.7倍）





结论：由此可见，在一些因为电路结构导致共模抑制比差的电路，比如一些单端放大，比如论坛里面的无差分功放，在电压放大级采用有源滤波或者高品质稳压电源供电，可有效降低失真度，听感上也会得到相当的改善。特别是论坛里面的无差分功放，我实作过，有稳压无稳压声音差别较大。
注意和建议：有源滤波电路简单，导通压降少，特别适合没有条件具备单独高压绕组供电的电路进行摩改。不过，有源滤波电路实际上可以看作是电容倍增器，它利用三极管电流放大倍数把接在基极的电容“放大”了，假设β是100，R=1k，C=1uF，传统的RC滤波是RC=1kΩ x 1uF，而有源滤波是1kΩ x 1uF x β=1kΩ x 100uF，让RC的低通效果成百倍增长。选取合适的三极管和RC，电容倍增器能够输出非常干净的电源，不过需要注意，有源滤波不能稳压，输出电压会随着负载电流变化，因此不适合电流变动大的地方比如末级电流放大；此外基极电容不可选取太大，否则RC乘积过大会导致上电达到稳态的时间变得十分缓慢，让功放建立正常工作点的时间拖长。对于功放电压放大的前端供电，如有测试条件可观察降噪效果，取得一个容量不过大但噪声又较低的容值，没有测量条件的话，47-200uF之间取值应该足够。另外，有源滤波对降低低频段噪声效果好，但对降低中、高频段噪声的效果不好，这也是它和稳压电源的区别之一。

cloudfly55

五.第二次改进的测试
通过上述无缺陷功放的改进试验后，整理了一下思路，修改PCB后再次进行了安装调试，结果是进一步得到改善，底噪比较干净，相应地，失真度也再次得到提升，值得一提的是，调出我之前测量的家中那台麦景图MA5300功放，底噪还稍微胜出。



第二次改进的功放板

下面是MI测试的噪声和各种失真度指标。其中1W底噪测试为16uVrms，换算实际噪声电压为23uV，考虑到1W测试还不是输入端短路，实际底噪应该只会比23uV稍低。











参考前面的MI测试图片，会发现失真度还有降低。

以下是RMAA测试结果：



每列从左到右分别为：1W状态下的原始版、改进1版、改进2版，和改进2版的10W、30W、60W测试参数


1W下的RMAA测试底噪对比


1W下的RMAA测试THD对比


1W下的RMAA测试IMD对比

总结：到此，这次制作无缺陷功放达到了THD和IMD均在0.002%以下（60W）级别，不计权信噪比超过-91dB（MI实测）和-94dB（RMAA实测后折算）的水平，估计装机因为机壳屏蔽的作用，信噪比还会有些许改善，到时候再测量验证吧
（最后一张图片为废图，无法删除）

cloudfly55

六.无缺陷功放和麦景图MA5300合并功放的对比。
自制的这台无缺陷功放是不是合格，除了进行合理的测量之外，用另一台比较靠谱的品牌功放进行测试对比，也不失为一种直观参考。下面的测试图片都是在8欧负载下，同一台测试电脑中进行。由于自己只有一台麦景图MA5300合并机作为参考，而不是一台纯后级，底噪方面合并机方面没有先天优势，所以不要太在意MA5300的纹波表现稍差的问题。从测试结果来看，MA5300的优势是功率从10W到100W的总谐波失真和互调失真都控制得特别好，没有大的波动。而无缺陷功放在一定范围内也呈现这个特点，但范围要比麦景图MA5300要小。其原因我想，道格拉斯的无缺陷功放本来只是他作为一款论证他设计理念的功放，原始设计输出功率并不大，从他原始图纸的供电来看估计也是50-60W左右，他用不算复杂的电路保证了在这个输出范围内的失真度变化不大已经是独具匠心了，而麦景图MA5300设计输出功率100W，实测不削波输出可达130W以上，也就是说，麦景图的设计师一开始就考虑了在这么大的输出下均可保证失真度变化小。

因时间计，下面只发麦景图25W和50W的测试参数（一年前测试），然后和无缺陷30W和60W的对比（本月测试）。









MA5300在25W时的测试







MA5300在50W时的测试







MA5300的25W和无缺陷30W的测试对比







MA5300的50W和无缺陷60W的测试对比

烧得有点晕

有源滤波是个效果不错的好东西

yygbs

顶起潘总的技术测试贴，感谢分享。
前段时间画的一款分立线路板子就用到了有源滤波给电压级供电，虽然自身的测试条件有限但是从听底噪上还是有明显区别的。

NE5532

装过“iflyingpig”老师的无缺陷有源滤波板子，最大的感受是细节比较丰富，但是又不生硬
正在做第二次组装
潘老师给的测试结果很专业

cloudfly55

yygbs 发表于 2021-12-27 16:06
顶起潘总的技术测试贴，感谢分享。
前段时间画的一款分立线路板子就用到了有源滤波给电压级供电，虽然自身 ...

有源滤波确实是低成本提高信噪比的好办法

单纯路过

感谢分享

microstar

cloudfly55 发表于 2021-12-27 20:16
有源滤波确实是低成本提高信噪比的好办法

可以在有源滤波三极管基极的电容上再并一个稳压二极管，即能滤波又能稳压，对电压放大应该有帮助，cloudfly55兄能模拟一下吗？

超低失真之梦

cloudfly55 发表于 2021-12-28 14:50
四.改进电源抑制比降低纹波干扰对功放失真度带来的好处

在失真度测量原理中，简单地说，就是向被测设备 ...

用开关电源供电再测试测试看看哪个好。

yygbs

microstar 发表于 2021-12-29 09:05
可以在有源滤波三极管基极的电容上再并一个稳压二极管，即能滤波又能稳压，对电压放大应该有帮助，cloudf ...

并上稳压二极管的话，为了保证稳压二极管有一定的稳定电流，则电阻就要进行对应的调整，加上压差的影响，整个线路的供电原本前低后高的方式就会被放大，对输出功率也有影响。
与其这样做，倒还不如直接给电压级另外独立稳压供电。

gzywq

有源滤波 确实是十分有必要的，同时加入稳压性能会更好。
NC3 2.5这个方式使用快1年了，同时提醒滤波后的电容还是要大一点好，NC3 2200u是有必要的，可以提升低频的下潜。

cloudfly55

microstar 发表于 2021-12-29 09:05
可以在有源滤波三极管基极的电容上再并一个稳压二极管，即能滤波又能稳压，对电压放大应该有帮助，cloudf ...

只用有源滤波的话，只增加4个元件，正负供电增加8个元件，无源滤波后的电压损失也在1V之内，对受条件限制的功放或者前级摩改有性价比最大的优势。如果用简单增加稳压管的方法变成稳压电路，因为基极接入的稳压管和电容并联，电容倍增器的效果大打折扣，且为维持稳定的输出电压，就要保证好几V的输入输出压降。并且这种简单的稳压电源高频噪声也不尽理想。也有坛友建议采用倍压电路再稳压的办法，我没有试过，但这种倍压取电再加稳压电路的方法对于结构紧凑的PCB或者机箱，都过于复杂。

cloudfly55

超低失真之梦 发表于 2021-12-29 09:36
用开关电源供电再测试测试看看哪个好。

开关电源的噪声是几十kHz以上的纹波噪声，实测随便就是10mV以上级别，这种有源滤波对此毫无用处

超低失真之梦

cloudfly55 发表于 2021-12-29 14:45
开关电源的噪声是几十kHz以上的纹波噪声，实测随便就是10mV以上级别，这种有源滤波对此毫无用处

所以说还是用开关电源比较好。

cloudfly55

超低失真之梦 发表于 2021-12-29 21:00
所以说还是用开关电源比较好。

？？？你实测过开关电源没有？好的线性电源噪声可达uV级别，而好的开关电源噪声还是达mV级别，随便差上百倍

超低失真之梦

cloudfly55 发表于 2021-12-29 21:30
？？？你实测过开关电源没有？好的线性电源噪声可达uV级别，而好的开关电源噪声还是达mV级别，随便差上百 ...

我抑制用但没测，这不看你测的细致顺便问下。
前提你只把牛和桥换成开关电源。再测试。

cloudfly55

超低失真之梦 发表于 2021-12-30 10:54
我抑制用但没测，这不看你测的细致顺便问下。
前提你只把牛和桥换成开关电源。再测试。

给用MI测试的电脑声卡配电源的时候折腾过开关电源，测过十几台品牌非品牌电脑的开关电源，也拿来昂贵的服务器开关电源测试过（其实几十万的服务器开关电源纹波噪声指标并不优秀，它的特长是在小体积下的长时间稳定性和安全性），甚至自己动手在较好的开关电源上摩改过，无奈最好的开关电源包括自己摩改的，最终在轻载的时候纹波仍然维持在mV级别，这对数字电路供电来说完全不成问题，但想在模拟线性电路上使用，我个人觉得不够理想，至少，从安全性上说同样纹波指标上我更愿意选择传统模拟电源。那种靠加不同种类不同容量的滤波电容的方法对数十上百kHz的纹波来说，没什么用。当然，如果不在意这些高频率纹波噪声，开关电源的瞬态特性确实好，用在炮放我觉得可以。

烧得有点晕

如果追求高效率小体积，使用开关电源无可厚非；如果追求音质，开关电源就是一坨垃圾。

超低失真之梦

cloudfly55 发表于 2021-12-30 13:05
给用MI测试的电脑声卡配电源的时候折腾过开关电源，测过十几台品牌非品牌电脑的开关电源，也拿来昂贵的服 ...

我一直用开关电源， 那种直接拿来用的肯定不好。要把电源高频噪声滤除干净。rmaa里都看不出高频噪声那种。