β22放大器制作全攻略 要的就是完成度和原汁原味 与各位DIY分享 全文更新完毕

燃烧我的罪恶

β22放大器制作全攻略 要的就是完成度和原汁原味 与各位DIY分享

    DIY也好几年了,其中辛酸不少.做为一个普通的DIY爱好者,总是期望用自己的双手制作出一台让自己倾心和满意的作品.可是做为电子制作,不像艺术创作,可以停留在形和神的层面,而制作出一台优秀的放大器,必须遵循着严谨和科学的设计,正确的选材.完善的工艺制作,其中重复着不断的调试和反复制作的过程.可是并非所有人都能完成这一过程,特别是非电子行业的人,对于线路的设计和调试是无法完成的,而接触模拟电路不久的新人也无法完成较为复杂的设计和制作,作品往往完成度很低,个体制作对于合适元器件和配套机壳的制作也是非常困难,也无法投入那么大的精力和金钱.虽然网上有很多电路图纸,其中不乏优秀的设计制作,可是无论是图纸的正确性,还是可实际制作的可能都非常低.我走过很多这样的冤枉之路.所以DIY出一台公认优秀的电路,而且对元件又不苛求好声而且完成度可以和厂机媲美乃至超越的作品是非常不容易的,

    优秀的电路而且对元件的依赖性要很小,就必须通过电路的科学设计来规避元件自身的缺点,胆机要全直耦,而且不依赖胆自身和输出牛是不大可能实现,所以只有选用晶体管,晶体管较为容易做出较高的通频带和频率平坦性,较低的线性和非线性失真,而实现这一切运用负反馈是必须的,所以要有较高的转换速率来克服负反馈带来的瞬态互调失真, 拥有足够的功率储备和负载能力也是必需的.β22的出现仿佛解决了上面的绝大部分问题,全直耦,频宽轻松上十几M,转换速率高达300V/us,可以完美地再现100K方波,极低的谐波和互调失真和强大的负载能力, 驱动8欧姆的箱子可以输出甲类18W, 伺候耳机是绰绰有余，伺候灵敏度高的箱子也非常不错，先详细了解下β22吧:
.
β22
Overview
β22 ("beta 22") is a high-end, reference-quality DIY stereo amplifier for dynamic headphones. It could also be built as a power amplifier for speakers (18Wrms into 8Ω unbalanced, or 50Wrms into 8Ω fully-balanced), or as a preamplifier.

The all-discrete (no integrated circuits), fully complementary and cascoded topology, high-current MOSFET output stage, full class A operation and carefully tuned operating points provide vanishingly low distortion, high speed, wide bandwidth, low output impedance, and high output power. All elements of the design were critically examined to create an amplifier that performs as well on the test bench as it does with music. Please see the Tech highlights section for a detailed description.

The β22 is the result of a community service project for the audiophile hobbyist. The schematic diagram is open source. The circuit design, as well as the printed circuit board layout are the work of AMB with participation from the DIY community. It is designed to be relatively easy to build, but it is not recommended as a first-time project for the beginner.

The History & acknowledgements section gives a summary of how β22 came to be, and gives credit to those whose work inspired its archtecture.

To obtain the blank printed circuit board and some related parts, visit the AMB audio shop. Other parts are available from online vendors. See the Parts list section.

Please be sure to read every section of this site carefully before attempting to build the β22 amplifier. There are many options to consider, some of which would affect your choice of chassis, heatsinks, various parts and wiring scheme. If you don't thoroughly understand everything, please consider having someone more experienced to build the amplifier for you, or build a simpler project.


    β22是一部hi-end参考级的针对动圈耳机的DIY放大器。而且它不仅仅可以作为耳放来使用，同样也是一部性能优异的前级，或是一部小功率的后级（作为后级使用时，配置成单端模式，驱动8ohm的喇叭能输出18w额定功率，配置成平衡模式使用，能够输出50w额定功率）。β22由全分立元件组成，全互补对称和沃尔曼折叠架构，大电流输出的mosfet管输出级，全电路甲类工作状态，以及细致选择和调整的工作点，保证了整部放大器性能优异，具有极低的失真，高速度，高带宽，极低的输出阻抗和很高的输出功率。β22从输入到输出全部都是互补对称的结构，能够很好地消除奇次谐波失真（偶次谐波失真也很低），具有很好的实际听感。全机具有对称的开机和关机行为：由sigma22电源板供电的时候，开关机不会有“碰”的一声。电路中的每一级都工作在纯甲类状态，因此不存在交越失真，也使得谐波失真和互调失真降至最低。

来张官方的测试图 100K的 方波和 相移
The square wave graphs show that there is minimum slewing and ringing at the leading and falling edges. The 100KHz sine, triangle, and Lissajous graphs also show very small amount of phase shift between the input and output. Within the 20Hz to 20KHz audio band, there is no measurable phase shift.

燃烧我的罪恶

以上是β22的设计者Ti Kan的简介,


来具体看看β22的图纸吧。 放大器的结构是两级全互补对称差分+推挽输出。个人认为是算极致的全互补对称+CASCODE的设计了。为什么要在在共射电路中引入cascode.？那是因为这样晶体管没有密勒效应的影响，所以β22从输入到推动到功率级，每级的频率特性都非常优秀。加上全对称互补结构，能具有很高的共模抑制比（CMRR）。来详细看看电路：Q1 Q24与C5 C14以及恒流源CR3 CR7组成有源滤波器，为输入级和推动级提供低纹波的电流供应，R15 C11构成一个低通滤波器，R18决定输入阻抗为1M,恒流源CR1 CR8为输入级偏置提供电流,进一步提高PSRR.Q10和Q3组成一个CASCODE，其他类推。D4 D9为JEFET DS提供约１１．３Ｖ偏置.VR3可以调节输入差分各臂的工作电流，而每臂的电流在2MA比较合适。既R1或者R2 R31 R33上大约4.5V。R1,R9并决定该臂的开环增益。其中D3 D4为输入级提供正负０．６Ｖ，配合VR4调节中点失调电压。推动级类似，Q16构成一个CASCODE，其他类推。.Q12 Q13就不多讲了,调整VR2提供偏压给Q11 Q15决定输出级Q11,Q15的电流。Q11,Q6和Q15 Q23再各组成CASCODE.D6 D7是保护Q8 Q23不被输出负载的反向电动式电压击穿.R34 35大环负反馈到输入级。
    由于每一级都有CASCODE,所以整个电路看起来很复杂，元件数目也众多，特别是当中采用的众多恒流源和功率级IR大电流HEXFET管芯的IRFZ24N和IRF9Z34对管在国内也难于购买，所以很大程度限制了β22在中国原汁原味的制作,在今年初从朋友那里得知DB matrix会推出这个DIY套件，非常兴奋，赶紧报名参加了首批试制，已经过去了两周多，终于完成了制作，现在把制作流程详细分享给各位。

    DB matrix的板子非常漂亮，虽然只有1.6MM，但是是加厚2oz香港国际的板材。布线行云流水非常美观，由于采用了大量的贴片阻容和稳压管，使得整个板子非常小巧，可以直接托在手心。可喜的是DB matrix还提供了β22原配的σ22 Regulated Power Supply。这是一款非常优秀的电源，参考级和比较级采用单独的有源滤波取样输出，同时改进普通的稳压二极管为TL431做精密基准，这样可以拥有极低的电源噪声和稳压精度。做为一款串联稳压电源，电源采样是差分输入并加入恒流源负载，可以拥有较高的带宽，线性型和跟随速度。输出的调整管是采用并管可以提供较大的电流和获得较低的输出内阻。


全机的电压仿真

燃烧我的罪恶

贴片的电容和电阻是采用1206封装，在公司都是焊0604，CPLD 内存之类也经常焊，所以对于我来说焊接很容易，。很多朋友担心贴片的阻容虽然引线电感小，但不够HIFI，其实错了，DB matrix的套件贴片电容都是tdk和vishay的，贴片电阻是1％精度100ppm温漂的，做为音频放大器是很合理和合适的。

    其实焊接贴片并不困难，最好使用温度可调和带ＥＳＤ保护的焊台，烙铁尖要细，顶部的宽度最好小于１ｍｍ，再来点松香或者助焊剂，一把尖头镊子就可以开工了。比如焊接贴片电阻，烙铁温度调到350度。先将一个焊盘点上焊锡，再用镊子将电阻一头焊到这个焊盘上，快速校正位置，再焊另外一头。熟练后可以不用镊子，直接用烙铁头粘上元件拖移到焊盘上配合焊锡丝焊接和校正位置。多余的锡用烙铁头带掉。只要细心耐心很容易的。只有贴片LED焊接前先测测正负再焊接到PCB上，贴片电容和贴片LED焊接的最好速度快点。在焊接完所有的贴片阻容后再焊接直插的三极管和横流管，横流管最好不要贴着PCB焊接，因为横流管发热不小，贴着焊接不利于散热。我就是没注意这个问题，后悔晚矣。直插的小功率三极管焊接完毕以后再焊接精密可调电位器和电容，先不要焊接输出级的对管。

燃烧我的罪恶

接着我开始安装机壳，我手里的这套机壳是DB matrix专门为β22设计的，外观和柏林933如出一辙，不锈钢的机壳那种镜面的质感真是漂亮，打开装着接插件的包裹，我彻底被征服了，Neutrik 的RCA和平衡座，实在太YY了，只能用炫来形容。看图吧。。。嘻嘻 放放毒。哈哈！

燃烧我的罪恶

安装好机壳和插座，接着就装牛了。套件配套的是定制的PLITRON CLASS B规格的300W环牛，效率不错，而且带磁屏蔽和电屏蔽。牛决定了一台放大器声音的基本素质，这头牛我还是很满意。
    接好滤波板以后，为了安全起见，本想在牛和滤波板间串一个几欧姆的小功率电阻，可是家里翻遍也没有，保险管翻出一堆，干脆+-电源各串一个500MA的保险管，防止低级失误造成器件损坏。友情提示，在上电前请再核对一遍所有电解电容是否正负级都焊接对了。连接好稳压板，然后上电，+-30V的输出非常稳定，一切正常。实测如图。先调整输入级和推动级的静态工作点，测试是否工作正常。下图是Β22静态工作点的仿真图和实际工作点几乎一样。VR2和VR3预先调到最小阻值，VR4调到中间位置。测量电阻R1两端的电压，调整VR3可调电阻，直至R1两端的电压为4.5V。与此对应的输入级电流为2mA。同样测量R2，R31，R33两端的电压，如果工作正常配对良好，这几个电阻电压都在4.5V左右。我用得K389 J109,虽然是孪生对管但是实际测量，最大差距的差距一个臂4.3V，一个臂4.7V,所以实际调整的时候，四个臂的电阻都要测下，让四个差分臂的电压都保持在4.2～4.8的区间为佳。接着测量R3,仿真结果是3.6V,我的实际测量是3.55V，这一级工作电流约30MA，每臂电流15MA左右，由于工作在甲类，管子温度会不低。最后再将功率管焊接上，同时做好功率管和散热器的绝缘措施。在通电前用万用表测试功率管管脚是否和散热器有短路，如果没有就可以调试末级电流和中点，设置万用表为直流电压mV档位上，如果串了保险，将保险更换为2.5A,如果电位器旋反了，保险管会亮下然后去西天，如果正确此时测量R14,R21两端的电压，冷机的时候应该是80MV，随着散热器的温升，电流逐渐会降低，十分钟后，我的是降到20MV左右了。调整VR2，直至R14,R21两端的电压为75mV左右，十分钟以后再调整一次，此时对应的输出级电流为160mA。测量输出端与信号地之间的电压，调整VR4，直至直流偏压为几个mv。（调整的过程中，注意将万用表调整至更灵敏的mv档位上）重新调整VR2的阻值，直至两端电压为75mv。同样，输出端直流偏压直至接近0mv。同理调试完下一个声道。我的中点直流轻松调整到为0.1MV。调节好之后取消保险管，我的冷机开机的时候，电流就会从320MA（150MV左右）随着热机稳定到160MA (75MV)。在调试的时候注意万用表的管脚不要碰触或者短路其他管脚以免发生意外。

燃烧我的罪恶

我用的特氟隆无氧铜线搅在一起当信号线，没有一点噪音，但是最好采用带屏蔽层的，屏蔽层只接地线的一头。β22的输入阻抗很高，引线不可过长。关于整机的接地请参考如图走线，没有烦人的噪音，背景静如深海。






关于机壳接地可以采用地线环路阻断，用一个10Ω 5W的电阻并联一个0.1Uf 250V的电容接机壳和电源保护地。


官方关于自己配对差分管的精度要求：
Q10A,Q10B,Q14A,Q14B的4个一组Idss精度误差要求10%以内；
Q2,Q5,Q21,Q22 4个一组hfe精度误差要求10%以内；
Q11,Q15  Vgs精度误差0.3v以内；
Q6,Q23 Vgs精度误差0.3v以内；
Q7,Q20 Idss精度误差10%以内；
Q3,Q4 hfe精度误差要求10%以内；
Q18,Q19 hfe精度误差要求10%以内；
Q8,Q9 hfe精度误差要求10%以内；
Q16,Q17 hfe精度误差要求10%以内；
恒流源互补配对If精度误差±10% 。

BJT直接使用万用表的hfe档 进行测量；


Jeft配对如图，万用表设置在直流mA档位上，直接就可读取Idss值。







万用表设置在直流档位上，10V-20V范围。直接读取Vgs值。

如果全机的管子不仔细配对，也就失去了全互补对称的设计初衷，机器的谐波失真和中点稳定性都大打折扣。如果用其他管子替换，务必使用低噪音正品管，小功率管放大倍数务必接近或超越原机配管，否则会出现莫名其妙的噪音或者爆音或者自激，HEADWIZE很多这种问题。

散热设计
Heatsink sizing considerations
The heatsink should have low enough thermal resistance to support the amount of heat to be dissipated. Bigger and more efficient heatsinks have lower thermal resistance specifications. To determine whether a heatsink is adequate, the power disspation must first be calculated. Use the following formula:

P = (Vin - Vout) * I

Where,
P = power dissipation in Watts. This is given off as heat.
Vin = pre-regulator voltage (measured across C5 or C6) under load
Vout = the regulator's output voltage
I = sustained output current in Amperes
Since two paralleled MOSFETs serve each rail, each MOSFET will dissipate half the power. However, if the two MOSFETs will be mounted on the same heatsink, then the full power dissipation figure should be used.

Note that for powering speaker amplifiers, the current demand on the PSU is usually dynamic (according to the music). You can safely use about 30% of the amplifier's peak maximum output current (for home audio applications), or the idle supply current of the amplifier for the purpose of this calculation (whichever is more).

Next, we determine if a heatsink (given its thermal resistance rating in °C/W) is sufficient. To do that, we calculate what the MOSFET internal junction temperature would be and check if it would approach the maximum rating of the device with some headroom.

The formula is:

Tj = Ta + (P * (Rjc + Rcs + Rsa))

Where,
Tj = junction termperature
Ta = ambient temperature
P = power to be dissipated
Rjc = thermal resistance of junction to device case
Rcs = thermal resistance of device case to heatsink
Rsa = thermal resistance of heatsink to ambient
For the IRFZ24N and IRF9Z34N MOSFETs, Rjc is 3.3°C/W. Ta is the highest ambient termperature you expect the circuit will operate under (note that if the circuit is going to be in an enclosure, then Ta will be higher than room temperature!). P is the power dissipation we calculated. Rcs is the sum of the thermal resistance of any mounting isolation pads, heatsink compound, etc., and you can look that up from their datasheets. And Rsa is the thermal resistance of the heatsink itself.

Calculating for Tj, and comparing it to the MOSFETs' maximum junction temperature of 175°C, you can determine if the heatsink is good enough. Even though these IRF MOSFETs are very rugged, you should avoid letting the MOSFET junction temperature exceed 100°C to prevent reduced device lifespan. Under extreme conditions, forced air cooling (e.g., fan) may become necessary.
Other heatsink notes
Heatsinks should always be mounted with the fins oriented vertically for effective convection.
TO-220 isolation pads must be used on the MOSFETs for all the offboard configurations.
For the offboard heatsink with angle bracket option, heatsink compound should be applied to the mating surface between the bracket and the heatsink to aid heat conduction.
The angle bracket mounting holes on the σ22 circuit board has only a small clearance between the edge of hole and the bottom side ground plane. To avoid a short circuit (which could occur if the soldermask is breached), you should use an electrically nonconductive washer between the screw head or nut and the board surface.


关于β22的校音

虽然β22是全直耦线路，对元件的依赖很小，但是电解对声音还是有一定影响。更换打磨也是一种乐趣。由于我的是第一批试作版本，DB matrix当时还没有以套件方式提供统一的直插电解，后来据说套件会配全套的PHILIP的BC或者VISHAY BC的LL系列.我的朋友WBGDA是用的全套PHILIP电容，我听过这台小坦克，非常符合他的AKG 240DF的声底，非常直白监听的路线，声音相当干净，几乎没有可闻的音染，可以用冰雪晶莹来形容声音的那种透和纯。我还坚守在HD600阵营，我喜欢温润的感觉，所以我完全按照我的喜好来制作。主滤波采用的是VISHAY BC 2200U*3+MALLORY TYP1*2,因为牛的功率很足，内阻小，所以我并没有用十分夸张的水塘阵列。BYPASS电容我只要采用ROE电木和ENLA CEREFINE搭配，ROE电木有温暖的染色配合CEREFINE细腻的高频非常恰当。来加强听感上中频和低频的密度和厚度感.
听感报告以后放出吧，现在就用强大来形容下，以后专贴YY


   如果要推箱子建议改大增益和加上ZOBEL网络。具体是22Ω 2W metal oxide power resistor and 0.047µF 100V film capacitor in series。




后续玩法 B22共计3种组合配置玩法方式，分别是：

•传统的双声道“被动接地”放大器（需要2张主放大板，每声道各一张）
•3通道“主动接地”放大器（需要3张主放大板）
•4通道“全平衡”放大器（需要4张主放大板）










    制作完这台机器，我最大的感触就是完成度，优异的σ22 Regulated Power Supply让β22在开关机都没有冲击声，UPC1237都快成摆设了。机壳和套件的完美配合，连续开机72小时老化，无论是静态电流，还是元件温升，都非常稳定。我觉得完全超越很多厂机了。
      不过我的制作也不是一帆风顺的，我习惯是前后级独立，B22当后级用没上电位器，仗着有前级或者直接插火线声卡听。在头晚顺利开声以后，就拆下保险，对比了下自己以前的耳房，阴差阳错，随手从火线声卡上拔掉了信号线，结果第二天上午开机的时候忘了插回去，结果听见耳机和牛都嗡的一声，心中立马凉了，迅速断电已经晚矣。测量末尾大管已经有DS和GS击穿了的，把我郁闷惨了。事后冷静分析，原因是B22在没有接电位器的情况下，1M多长的信号线配合高达1M的输入阻抗让放大器立马自激，功率管归西。所以制作B22要么加上电位器再玩，要么把输入的1M电阻改小到100K，以免阴差阳错重蹈我的覆辙。
    祝各位β22 DIY好运和开心～

huifei

不错，声音如何？

燃烧我的罪恶

原帖由 huifei 于 2008-12-14 16:45 发表
不错，声音如何？

听感贴改日上吧 累死了

如果用一句话来形容就是华丽的解析和通透的声场
cascode可不是吃素的 配合全对称 太强大了

laibu88

不错哦.不知道效果怎么样

燃烧我的罪恶

原帖由 laibu88 于 2008-12-14 16:53 发表
不错哦.不知道效果怎么样

有柏林之声的影子 声音不是一般的透

老牛288043

资料详尽,介绍细致,套件价格估计不便宜吧?

laibu88

那个CR1是恒流管吗??什么型号???

燃烧我的罪恶

原帖由 laibu88 于 2008-12-14 17:09 发表
那个CR1是恒流管吗??什么型号???

全部用的 VISHAY的 J500系列

横流管在国内真是难买

骑士

不错，支持贴片的

Eugene.C

强。。。成本肯定很高

mananpl

头像是仙剑4的慕容紫英？

燃烧我的罪恶

原帖由 老牛288043 于 2008-12-14 17:04 发表
资料详尽,介绍细致,套件价格估计不便宜吧?

嘻嘻 看一楼的官方测试图
很少有放大器能有这么BT的方波 频响和低相移 吧
所以我才敢下决心做

玩过很多主观吹捧的线路 太失望了
还是这个实在

laibu88

对配对要求不低啊

E57ts

好，今晚早点点名干她

燃烧我的罪恶

原帖由 mananpl 于 2008-12-14 17:34 发表
头像是仙剑4的慕容紫英？

恩恩 看来都是仙四FANS
嘻嘻 我在隔壁还有一篇关于仙4的长篇文章