可选甲乙类精品Audio功放（2010参赛作品）

mzsrz

功放是音箱声电转换前的最后一环，由于音箱负载复杂多变，功放通常要应对音箱声电转换过程中存在的不足问题，所以要制作出一台好功放说来并不是一件容易的事情。因此对功放在驱动能力和重负载失真方面提出了更高的设计和制作要求。这也一直是我追求的目标和动力。在机缘巧合下，经过半年多的努力，终于如愿的设计制造出这台合并功放，我取名为“Audio”。借这次论坛活动的机会，拿出来亮亮相，一来是希望自己的成绩能得到大家的肯定，二来也是为了活跃论坛的良好气氛，一举两得，何乐而不为呢！
先上图大家观赏：




去掉上盖


再去掉屏蔽罩


一、设计思路：
前言：在选用功放类型时，由于甲类天生具有更好的线性和不存在交越失真和开关失真，一直难以割舍对它的钟爱，但有时又觉得太浪费（时下都提昌低碳生活），特别是大热天需要开着空调再开这台电烤箱听歌，着实让人觉得有点可笑！假如此时能让机器随手就能改变工作状态，在甲、乙类之间自由切换，这也不失为一个好方法。当然，也希望在乙类状态下，能尽可接近甲类机性能（不是等同）。同时也希望这台功放能够驱接低阻抗并具有足够的阻尼系数，并尽可能降低影响听感的交越失真和开关失真，于是最终决定选用结构简单成熟，稳定性高，线性好的三重结构LIN电路和采用两对功率输出管并联。

1、功放电路结构分析：此电路是通过英国Douglas Self 设计师改进提升，发表于《音频功率放大器设计手册》，这款电路对我来说非常具有魅力，它不但结构简单，负载能力强，而且在稳定性方面也非出色，电路的设计思路是在保证每一级最优化线性的前提下，再尽可能利用大环路负反馈电路进行优化，最终得到非常令人骄傲的性能，本人也通过学到的一些小技巧，再对此电路加以修改优化，最终定型，见仿真图：


从仿真性能看，1KHZ 8Ω43W输出时在0.001%以下，失真性能看来相当不错。
再看看3Ω时失真情况

电路最终决定采用双28V直流供电设计，甲类时8Ω最大输出34W，乙类最大输出8Ω45W。
    输入级采用差分对镜像恒流源负载构成跨导放大输入级，这种结构对称性高，能有效防止2次谐波产生；镜像恒流源负载比电阻负载转换速率提升一倍；开环增益也比电阻负载提升6-15db；电路再增加差分射极电阻来产生本级负反馈，这样就可以加大输入级的恒流源电流，这种方法能使输入级跨导进一步增大，改善输入级线性，提升整个电路转换速率。当然这种手段也不能无限制的增大跨导，还要结合整个电路的稳定性。输入对管选用低噪声高β管2SA970BL，输入级恒流源设为6MA。
    电压放大级用低噪高β管2SC2240BL，使用射极跟随器进一步提升β值，以增强本级补偿电容的负反馈效果，电压放大级恒流源设为10MA，在这级我还加入了双极点电容补偿，进一步提升音频范围内的高频负反馈量，这非常有利于在乙类工作时有效减小高次谐波失真，尽量消除高次谐波，杜绝出现“晶体管声”，但在超高频部分确回到原来的衰减量，使电路稳定工作。当然在加入后还得细心的调校，还好这是DIY，这点看来比商品机容易做到。由于本级恒流管结电容形成穿透效应，影响到了放大器正半周转换速率，原电路在设计师Douglas Self改为主动式恒流源的基础上，我再在恒流管上增加一个5PF小电容，与主动式恒流源检测点相连，使电压急剧变动时，恒流源电流也随着增大，有效提升正半周转换速率。
    输出级采用倒达林顿输出结构，由于驱动级与输出级形成本级负反馈，能有效提升线性，减小失真。同时尽可能做好乙类时驱动管的热跟踪速度问题，保证功放在乙类时始终处于最优化偏置。
    偏置电路采用甲类和乙类分开控制，甲类时采用差分对通过检测射极电阻两端电压，与另一边的1.2V基准（仿真电路找不到这种IC，所以用双二极管代替）经电阻分压成300MV基准源与射极电阻两端电压进行比较，静态电流能在1秒钟内就精确控制在1.5A，不存在热机问题。乙类控制则采用传统Vbe倍增器形式，通过微调电阻来设置乙类最优偏置，令交越失真最小化。两个功能的相互切换开关按装在机后板，方便自由切换甲乙类方式，这样试音就变得容易了。

2、关于功率管选择：有朋友可能会问，为什么不多并几对管呢？其实这是考虑到实用性和配对性问题，多对管并联并不能在性能上提升太多，这个增多的输出管还需要同时强化电源、增大散热及增加连线的过大电流能力，才能起到作用，在没有相应提高整体能力的时候，往往会适得其反，带来更多负面损害，包括配对难度。所以，功放同样需要考虑短板效应，明智的方法是以达到目的为准绳。我的设计是在使用两对管的情况下，能够驱动低至3Ω的负载而不出现明显的失真变化为要求，所以选用两对管并联基本能满足要求，而且在选用功率管上我还有自己的要求，就是要选在大电流下β值下降坡度低的，这样就可以在大电流输出时有更好的线性。因此选用了我一直很喜欢的东芝2SC5200、2SA1943，这种管在大电流下β值依然能保持很小的变动，在价格上也很实惠。为了说明问题，我特意用晶体管图示仪演示一下。
如图：


    上图很明显就可认看出，2N3055在500MA后β值就开始下降，MJ15024比较好一点，在1A电流后才开始下降，而2SC5200在2.5A以后还没有降低的迹象。因此使用这种功率管能保证有更好的电流传输特性，并能够有效的降低输出级的失真，特别是在负载低于8Ω的情况下。有些朋友可能又会问，为什么要考虑这样低的阻抗，我们用的音箱通常为4-8Ω。其实这是考虑到音箱在某些情况下，音箱流过的瞬时峰值电流往往几倍于参考电流，这在多分频音箱上更严重，其主要原因是储能元件惹得祸。在Otala和huttunen写的文章中曾揭示，象一台放大器向8Ω负载输出50W功率，严重时必顺响负载提供3.53A的峰值电流。所以功放设计必需考虑更低的负载阻抗，才能使放大器驱动能力得到保障。

3、关于功放输出阻抗：输出阻抗关系到功放的阻尼系数，它是能否很好的吸收喇叭反电动势的关键因数，在这由于使用大环路负反馈方式，又使用两对功率管并联输出时，输内阻可以控制在0.03Ω以下，我的喇叭线的内阻1KHZ时实测是0.02Ω左右，加上PCB板引线、保护继电器及输出电感内阻约0.01Ω，8Ω音箱以7Ω来计算，这台功放的阻尼系数能达到175左右，加上喇叭线后，也能达到116左右，我想这已经足够吸收反电动势了。

mzsrz

二、制作过程：
1、功放PCB制作
画板：决定线路后，PCB制作便列入工作进程，由于PCB设计非常讲究，做得不好即有可能影响到整台功放的性能，所以在这上面花费的时间不少。首先要解决的是不能形成地环路干扰（也是充分显示实力的地方），还要注意大信号和小信号、电源和信号在画板时分开布线，还要考虑元件的尺寸和安装问题，最后采用大面积铺铜屏蔽，这个铺铜屏蔽很考研布线人员的经验，搞得不好反而会形成干扰源。其它细节就不说了，上PCB设计图：采用双面板左右声道对称设计。

开板：考虑充分利用社会力量，决定找专业线路板厂制板，基板采用2MM厚75μM铜箔。完成后实物如图：

2、选料：
电阻：主要电阻选用国产718厂低温飘电阻，我要的是它的低温飘和老化，这样能确保功放工作点稳定。次要电阻选用普通金属膜电阻即可。

晶体管：差分输入、恒流负载和电压放大级选用日产东芝低噪声音频管2SA970BL、2SC2240BL。驱动管用日立音频对管B649、D669，主要考虑它的FT高，它也是名管之一，而且手头还有不少存货。功率管选用东芝2SC5200、2SA1943，除了前面讲到的好处外，这种管的FT也非常高，这将对高频有改善作用。其它管没什么特别要求，主要是容易找到就行。

电容：耦合用薄膜电容主要是手头有存货，同时也考虑到它的高频损耗和内阻小，有利于音频信号传输，但在这个地方我的经验表明用优质电解也很不错，除了便宜外，另一个好处体积小，受干扰小。由于我选用的前置放大级有缓冲输出，我决定采用低阻输入（为的是减小噪声，实际工作也证明很好），这个输入电容要求容量较大，我选用22UF薄膜电容。信号退藕电容采用大容量三洋固体（高频特性和内阻小）加四个二极管背靠背组成（这样可选低耐压电容，减小体积）。滤波电容选用二手思碧40V14000UF电容，实测耐压80V（后期日本化工差一些，70V都不到），这种电容浪涌电流很大，而体积又一般，在大电流下比普通日产电解纹波小很多，非常好用。


变压器：变压器选用二手太阳花，这种变压器本身都带有屏蔽环，采用大电流设计，功率估计有500W左右，双22V大电流，双9V小电流，非常合我的心意。


电感：由于要考虑功放在电容负载时的稳定性，所以必需加上一个小电感再串一个10Ω组成补偿网络，防止功放出现自激，但往往见到很多功放电感用细铜线绕制，造成功放输出内阻瓶颈，这里我选用直径2.5mm铜线绕13圈（2mm也行），电感量在1.2μH左右，再并一个1Ω电阻（并10Ω方波振铃大，虽然不会引起自激，但看着不舒服，所以最后决定并1Ω，这时完全看不出有振铃产生），实际使用中也未见不稳定现象。

2、电子零件按装：负反馈等重要电阻都经过高位表选配，精度达到万分之一。
晶体管配对，同极性差分输入管5MA配对，Vbe-IC误差万分之二左右，IC-Hfe误差千分之一左右。


驱动管10MA配对，异极误差Vbe-IC万分之三。

输出功率管2A电流配对，同极性误差Vbe-IC万分之三左右，异极配对Vbe-IC百分之一左右。

开始焊接

焊接完成

mzsrz

3、电源板制作：
电源线路板主要是铜箔保证过流量，引线从一边走到另一边，要防止引出线与充电脉冲电流交连，否则功放会引入电源干扰。图为电容打上硅胶固定防振。

3、遥控前级制作：
选用网上套件，并对原PCB地线走线不合理进行处理，从中解决了串扰大和噪声大的问题，最终测量1Khz失真+噪声匀达到0.001%水平。

4、机箱制作：
本机箱是我自己设计，找朋友代加工（呵呵！先申请专利），采用对称设计，外散热全铝机箱，面板同样为全对称型式，中规中举，非常耐看。

配上在朋友那拿来的铝柱特别加工出的铝脚，在四平八稳的机箱下，勾勒出极美观的双峰流线型，非常有美感。较高的低盘为的是有利于空气对流散热。
做机脚的原材料，铝柱

用车床铣出来，就变成这个样子。

用雕刻机在面板上雕上功放名字

后板设三组信号输入，可通过遥控器进行切换。同时把甲、乙类转换装在后板。


5、装机布局：
功放板是设计成直接装在散热器上的，这是为了尽可能节省空间和远离变压器等干扰，然后再加上自己特制的屏蔽罩,仪器的屏蔽也不过如此啊！
钻孔攻丝

导热板是在报废进口柴油发电机配电箱上拆下来的，采用导热板是为了让功率管温度尽可能保持一致。



测试工作点是否正常

屏蔽罩制作：朋友那买来的铝盒


面板安装过程

输入级尽可能远离变压器，所以PCB板装在散热器时，就得考虑方向问题。中前端靠近面板装变压器，同时调整变压器角度，尽可能减小电磁干扰，这样安排还考虑到机箱重心前移有利于搬动中不易滑手。整流滤波放在机箱正中靠后，并加以屏蔽外壳，同时整流 器上并有小电容减小射频辐射。

mzsrz

mzsrz

三、调试：
开机测试中点一声道-1.9MV上下，另一声道-2.4MV上下，还算不错。出现小幅偏移是热耦合误差，并不是管子不配对引起。

经过优化走线和减小地环路，最终（20HZ-200KHZ）底噪为甲类时左右声道低噪为0.058-0.068之间。乙类时控制在0.048-0.049MV之间。

从频谱仪分析来看，噪声成份多为电源工频及谐波串入到信号中。

可能有些朋友问为什么不用示波器打出噪声图，而要用万用表，这里说说我对输出噪声的看法，假如你用示波器测量噪声，其实测量到的大部分是空中的射频信号，与实际功放并没有多大对比意义，比如说你用一根50CM长的导线一端夹正一端夹负连到示波器探头上，就可以测得大约2MV左右的噪声，看图示波器匀为2MV档：左边是导线噪声，右边是功放噪声，基本上增加不多，都是空中的射频信号为主。所以这样看没多大参考价值。

调整静态电流，测甲类为1.512A，符合设计要求。经返复调整，乙类最佳工作点为18MA，

mzsrz

四、测试报告：
经过了近一个月的重复调试，最终完成。技术参数如下：
输出功率：
甲类时8Ω34W，4Ω17W
乙类时8Ω45W，4Ω85W
噪声：20hz-200khz带宽内
乙类时，左声道0.049mv，右声道0.048mv
甲类时，左声道0.068mv,右声道0.058mv。
失真：
THD+N(使用80KHZ低通滤波器) 15W输出8Ω负载
甲类时小于0.0073%（20hz-20Khz）
乙类时小于0.01%（20hz-20Khz）
互调失真：
小于-90dbv（20hz-20Khz）

下面是测试过程
测试失真，１０Ｖ正玄波输出，在接8Ω真实音箱负载时测得， 甲类1kHZ时为0.0022THD+N (使用40kHZ低通滤波器) 。乙类时为0.0033%(使用80kHZ低通滤波器)


在这里再跟大家细说一下,用频谱仪观察失真的话，其实二次谐波看不到的，说明电路非常对称。下图即是1KHZ测试时产生的二次谐波，没起头，看不到，匀低于底噪以下。

三次谐波稍微能从低噪中看到，但再往上的高次谐波就没办法看到了，这也证明这台功放真正的瓶颈是底噪噪声。

假如底噪能再降一降，这台功放的测出来的失真还能更低。

我们可以看上面这张频谱图，以50HZ、100HZ及谐波组成，一直延伸到1KHZ以上。
不过这个意义已经不大，我把功放拿108db灵敏度的音箱接上去，帖着喇叭都听不到一点噪声，绝对是静若未开机。


10kHZ时为0.0043%THD+N (使用80kHZ低通滤波器)，乙类时为0.0049%


20kHZ时为0.0073%THD+N (使用80kHZ低通滤波器) 乙类时为0.01%


这里需要指出的是，这些失真和噪声都是在没有计算信号源失真和噪声水评下测得，所认实际失真加噪声要比这个还小。

互调失真：
输入19Khz和20Khz叠加正弦波信号，输出端把这两个信号用滤波器滤除，得到频谱如下：
经过功放生成了一个1Khz互调信号

同时生成一个18Khz和21Khz互调信号，幅度匀低于-94dbv。


测频响

mzsrz

五、试听评价：
由于试听难免带有很多个人喜好，不确定性非常大，所以先说明以下只是我及周围朋友之间的个人见解。
调试好后，分别把这台功放拿来配了几对音箱，一对是贵族1SC

一对是世霸Concerto

一对是乐爵士3/5

对比机有极典MP211，CR300B，去年装的1969。
唱片选用自己近期常听音乐。


同时邀上几位经常听歌的同好，多次一起试听。用Audio功放配1SC音箱放小提琴时，中高频晶莹通透，延伸及质感非常好，没有一点朦胧的感觉。配Concerto音箱时放打击乐时，动态非常凌厉，没有拖泥带水的感觉。交响乐时层次感很好，空间定位特别强，以前用1969放同一首音乐时，层次感差别较大，控制喇叭的能力方面Audio有非常过人之处，而且配Concerto音箱时还有一个亮点，就是放杨曼莉歌特别好听，出来的人声特娇媚。在配3/5音箱时，听蔡琴的歌声没有1969厚实，更没有300B的圆韵，但是不朦胧通透性好。
最终自我定论，Audio功放高频不燥，中频无染，低频迅猛，确实是一台经过精心打造，进得厨房出得厅堂的功放。（完）

天各一方

图文并茂，板凳照坐！ 楼主家的设置真不错！发烧级别了

jrhui

有米之高烧的折腾方式啊，很好很强大！

002300

很漂亮

HIFI1231

机箱设计漂亮，手工很好！！顶一个！！支持参赛！！

cx3077

机箱、外观设计漂亮！顶一个！

skyman

漂亮！

vess

漂亮  过来学习下

s4712

漂亮，支持一下。

zbssf

做得非常精细，值得学习借鉴，严重支持。

名琴电子

也曾对这个线路入迷，最后放弃了，楼主敢接板砖不？

GEFENG

Dl丫的精品

GEFENG

Dl丫的精品

GEFENG

Dl丫的精品