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活动小管家 · 发表于 2013-3-27 12:39

本帖最后由活动小管家于 2013-4-1 11:19 编辑

本次线下活动，感谢Fumac提供的大奖：MHzpreampII(Ref)前级

MHzpreampII(Ref) 设计和测试手记（原作者fumac ）　　

MHzpreampII(Ref)  大部分指标达到甚至超过120dB。下面将会把测试图片尽量发齐全并记录一下开发过程的心得。

机箱风格，全铝CNC饭盒，加了个VFD显示屏，带遥控器

全平衡放大器，所以只有全平衡输入输出，对不起，没有单端，如果需要单端就做个转接口,4对平衡输入端子，继电器切换，一对平衡输出端子，都采用瑞士neutrik 插座。还有一对5针输出口，是用于控制mhzpower4 后级开机待机用的。电源是230v输入，当然也可以改成110v

放大器内部，貌似很简单,几个模块合并而成。分别是信号选择模块，高速缓冲器，音量控制1，电压放大，音量控制2.电源滤波整流稳压模块,cpu控制和VFD显示模块.

放个电路图。哪位顺便帮我看看英文翻译部分，请指正，如果指正要送前级，那么请不要指正。
　　NFB-Buf : Discrete class A  non-feedback high speed buffer
　　甲类全分立无反馈孪生缓冲放大器
　　Q-log_network: Quad constant synchronization relay with passive impedance of front-end  logarithmic decrement network system
　　四联恒定阻抗前后同步继电器无源对数衰减网络
　　Twin-A amplifier: Discrete class A twin design with ultra-low distortion and ultra-high-speed amplifier
　　甲类全分立超低失真超高速孪生放大器

下面是根据测试结果的参数标定声明：　　

型号：MHzpreamp II (Ref)
　　品名：MHz stereo balanced class A reference preampilifier
　　品名：全分立甲类立体声全平衡高速低失真参考前级放大器
　　输入接口: Balanced x 4 pairs (1-GND，2-Hot，3-Cold)
　　输出接口: Balanced x 1 pair  (1-GND，2-Hot，3-Cold)
　　控制接口: MHzpower remote link 可控制mhzpower系列功放。
　　电源插口: 235V AC 50/60Hz (115V AC 50/60Hz 可选)
　　放大模式: Class A Balanced (甲类平衡放大器)
　　输入阻抗: 100 kOhm(single) /200 kOhm(balanced)
　　输出阻抗: 600 Ohm
　　最大增益: 26dB(x20)
　　最大输出电压: 24vrms 600ohm (@THD<0.008%)
　　音量调节模式: 2x16位继电器 0.1%精度电阻衰减式，100档(对数模式)
　　底噪范围:1.9uV~35uV (Typical vol=0~99)
　　底噪范围:1.5uV~22uV (A weight vol=0~99)
　　谐波失真典型值: THD<=0.0001%(<=-120dB) BW=30k / 600Ohm load
　　谐波失真标称值: THD<=0.0003%(<=-117dB) BW=30K 600 Ohm load
　　动态范围典型值: >=117dBrA(vol=99)
　　动态范围标称值: >=116dBrA(vol=99)
　　互调失真IMD: <0.0004% (SMPT din 4-1,见测试图与AP自测重合, ）
　　声道分离度: >=120dB (20Hz-20kHz 0dBv input, vol=99 )
　　线性度：-116dBv~+14dBv(+/-0.1dB 120dB rang)
　　5uV~5Vrms(+/-0.1dB 120dB rang) 看AP测试图
　　频响范围: 10Hz~1.0MHz (-3db 1Mohm)，10Hz~1.2MH  (-3db 50 ohm)
　　方波响应: 8kHz/20kHz/80kHz 无过冲，无振铃，无变形,见测试图。
　　转换速率: >=100V/us (平衡输出)见测试图
　　外形尺寸：320Dx235Wx100H（mm） (不包含突起部分)
　　互调失真，IMD 更正为最低0.0007% 和AP2322 测试重合

一个简单的计算:音量和输出功率关系曲线　　

这张图给用户参考音量和输出功率之间的对应关系。按输入0dB 标准电平计算，主要使用区域是0~45左右。超过45时候，最大声压会超出MHzpower4的最大输出功率。不同的播放器材和内容，有差异。如果采用单端输入，那么音量数值会略微上升,看浅色部分，大约0~55。
　　考虑到不少录音特别是国外录音为了保持动态防止录音的时候过载，正常音量会偏低的情况，实际的使用可能会略微超出这个范围。如果播放大动态音乐，请先使用小音量点评试播，再适当调节以大音量聆听。从使用经验而言，一般是在15~35之间，可满足大部分音乐欣赏需求。
　　从图上曲线可以看出，音量和输出功率成近似对数关系，符合传统的旋钮式B型电位器的使用习惯，不会产生调节很久都没有感觉到音量变化的问题，或者调节一个档位声压就会突变。
　　MHzpreamp II (Ref) 内部一共4组每组8个继电器(2x16bit)组成的虚拟4联电位器，采用0.1%精度的低温漂电阻网络构成。所以可以保持非常低的误差。继电器采用密封灌氮镀金触点的继电器，所以可以保持终身稳定的性能，不存在老化问题。一共100档的调节，有足够的分辨率让使用者调节到最合适自己的聆听音量。

下面，将分别介绍低噪，谐波失真，线性度范围，等测试图和照片。　　

测试所使用到的仪器清单：
　　1.ShibaSoku AG15B  Low Distortion Oscillator
　　2.ShibaSoku AD725D Automatic Distortion Analyzer
　　3.Audio precision AP-2322  Audio Analyzers
　　4.Panasonic VP-7722A  Audio Analyzers
　　5.Panasonic  VP-7214A Low Distortion Oscillator
　　6.HP-3457a Digital multi meter
　　7.TEK-2466B Oscilloscope
　　8.EFC-3210 Function generator
　　9.Pentex k7 for photos and video
　　MHzpreamp II (Ref)的低噪和音量的关系。
　　具有极低的低噪，1.4uV-25uV（A计权）。虚线为测试仪器的本底噪音
　　因为独创的前后双衰减对数式音量控制，所以可以有效的在小音量下面同样压制了本底输出噪音，而不像传统的设计，小音量下面信噪比会严重恶化。这样可以保持即使小音量下聆听也具有庞大的动态和解析力，极弱信号不会被噪音淹没。
　　根据使用经验，正常使用时，音量使用集中设定在10~40之间（视不同灵敏度喇叭），所以完全无需担心有效的超弱信号会被低噪淹没。即使是满音量99输出，底噪也只有22uV，假设后级增益为29dB（MHzpower4 400w 单声道后级的增益），那么噪音电压输出也只有660uV，输出功率仅为110纳瓦。也就是说，前级的本底噪音完全不会在喇叭上形成可闻声压。
　　关于噪音，一般用A计权，A计权不同频率在听觉上的加权，准确反映了我们实际听感。图中蓝色线条为典型值，即使是典型值，低噪最高也只有35uV。

下面是另一种分析低噪的方法，小信号 FFT一个-60dB的1k信号输入，输出后做FFT分析。可以完整看到整个频带的噪音分布。
从这个图，我们可以看到放大器的电源噪音抑制能力极强，两级独立稳压电源和内置的滤波器有效的把交流声干扰（50Hz 100Hz 150Hz 200Hz 250Hz...），压制到低于-123dBv的水平。所以，即使-120dB的超弱信号细节也可以完整放大。右面高频噪音频带并没有抬高，很好的控制在-135dB水平线以下，也验证了上帖的超低底噪数据。

测试MHzpreamp II (Ref) 的线性度。
　　线性度越大，表明机器的电压失真越小。可以有效的保持音乐的原来动态，不压缩，不夸张。其中浅蓝色是AP本身自测的线性度，深蓝色是MHzpreamp II (Ref)的线性误差曲线。
　　从图中可以看出，从-106dBv~+14dBv，都保持一条直线，误差范围是+/-0.1dB。也就是说MHzpreamp II (Ref) 拥有超过120db的极优秀的线性工作区。可以保持放大电压不失真，忠实的反应出音乐本来的动态比例。

分离度
　　测试MHzpreamp II (Ref) 的两声道之间全频带的分离度的结果。图中可以看出在全开音量状态下，其全频带分离度一直保持高于120dB。
　　也就是说，当一个声道输出高达22Vrms信号而另一个声道只会收到 22uV的干扰，如果结合前面底噪图去评价，测试检出的信号并不是干扰信号，实际上是本底噪音，因为本底噪音最大音量的时候就是大约22uV。
　　所以，理论上可以说因为得益于单独稳压电路的优良设计，虽然共用一个变压器，两声道之间不会产生任何互相窜扰的信号，可以视作两个完全独立的放大器使用。

频率响应曲线
　　上图是测试MHzpreamp II (Ref) 在不同的音量下的频率响应曲线，越平直越好。
　　MHzpreamp II (Ref) 设计带宽是1.2MHz(-3dB) ，而AP的可测试带宽是<200k,故此只能看到200kHz范围内的频响特性。上面不同的电平曲曲线均为平直延伸，电平高低对带宽没有影响。MHzpreamp II (Ref) 内部有3组带宽控制滤波器，可以通过遥控器切换。分别是：22k、33k、66k、1.2MHz。
　　MHzpreamp II (Ref) 内部有3组音箱低频补偿滤波器可选，用于修正喇叭和房间之间的低频量感。可以通过试听调节达成均衡音色。分别是spk0 、spk1、spk2、spk3。spk0 是直通选项。
　　下图是MHzpreamp II (Ref) 内部采用的连线，因为带宽极宽，所以采用高频电缆作为连线。带宽和转换速率和互调失真有非常大的关系，请看后面的相关各项。

谐波失真
　　测试MHzpreamp II (Ref) 在不同音量下的不同频率的谐波失真。每一个图表示一个音量状态，分别为14、24、34、44、54、64、74、84。测试频点从100Hz~20kHz，测试滤波器是内部的 30k filter。
　　谐波失真是一个最基础的指标，MHzpreamp II (Ref)的谐波失真极低，而且失真的形态很好，从14~54音量，全频带的失真都低于-120dB，也就是≤0.0001%。因为电路结构优良，所以并没有产生高频失真剧烈爬升的问题。
　　即使到了很高高音量84（输出8vrms）最高的失真仍然可以保持≤0.0006%。根据前面的功率和音量关系图，很容易发现在正常使用下面，前级可以保持工作在0.0001%失真以下，也就是等同于一根带驱动力的信号线。
　　即使是小音量下，同样保持了如此低的失真。可以保证小音量下面一样有高解析力和良好的线性。而不会像某些系统只能工作在某个音量下面才有优秀的表现。

失真形态FFT分析
　　从失真的FFT分析图可以有效的看出到底是几次失真，是偶次还是基次，各自的分量是多少，第一张图是 MHzpreampII(Ref)的测试图，第二张图示AP2322本身的自测图。
　　初看MHzpreampII(Ref)的测试图有一个2k的失真信号，但是对比了AP自测的曲线发现，这个2k的失真是AP本身信号源就存在了，即便如此失真也没超过-126dB，也就是THD<0.00004%。3次谐波接近低噪水平-135dB

下面我发几张测试现场图

vol=34 @1k 的失真 0.0001%

vol=34 @5k 的失真 0.00005%
别数错，4个0

这个是音量在 44 的时候7K的失真 0.00008%

前面的失真是谐波失真，虽然已经很给力
但是因为谐波失真属于静态失真类型
无法完全反应出动态音乐信号下面的表现

有很多放大器谐波失真很低，
但是听感并没有随着失真的降低而优美的上升
后来发现是动态失真或者叫互调失真大导致的。

早期因为技术手段不良，
所以很多开发工程师只能通过观察方波的形态去间接判断动态失真的大小
后来随着计算机测试的技术发展，AP 公司的APsystem 可以非常方便的定量化互调失真。
并且可以整个频带的定量化，所以非常方便

当然，为了详细的用各种方法去测试我们开发的mhzpreampII(ref)
我们把这几种测试都做了一次。

补充一张用AP 测试 mhzpreamp II (Ref)时候的工作照

工作带宽和方波响应和互调失真的关系

互调失真，已经被证明是导致声音恶化的主要原因
比如一些外部的窄脉冲信号辐射到晶体管的输入端
导致了晶体管瞬间过载
于是产生了剧烈的失真。这就是互调失真。
这也是为什么低频音频放大器也需要良好屏蔽的原因之一。
同时，良好屏蔽的线材也是非常有利于降低互调失真的发生几率。

这个是外部解决办法。
但是，干扰信号也可能是内部信号通道发生的，一样会导致互调失真。

比如，信号源采用开关电源，开关电源有个载波信号，工作在100k左右，
这个信号串入信号放大器输入端当放大器带宽不高时就会发生互调失真
还有，cd机 dac 残留的载波信号，44.1kHz 96khz 192khz 这些都是不良的信号
还有，外界市电引入的干扰
比如手机充电器，空调等，现在开关电源的普及是音响的噩梦。

解决内部干扰就不能用屏蔽了
除了接地点的选择和电源的滤波处理之外
更重要的是带宽的设计。

如果，我们有一个放大器，具有非常高的带宽，在这个带宽范围里面都可以保持线性
如果我们在放大器前面设计一个低通滤波器，限制高频的干扰信号让其无法进入到放大器内部
那么，我们的互调失真就可以降低到极限水平。

我们就是这样设计的。
放大器内部是200v/us的转换速率
而整机加上输入滤波器之后限制到 100v/us
于是就可以极为有效的抑制了互调失真的产生了。
即便如此，我们还是保持了1.2mhz的带宽，
让音频范围保持完美的响应

而且，通过遥控器可以选择不同的带宽 22k 33k 60k 1.2mhz
各位可以慢慢测试其中不同的滤波器的区别。

这张图是ap 2322 测试 mhzpreampII(Ref) 的互调失真IMD，采用SMPTE4:1 标准。
浅蓝色是AP2322 本身互调失真的自测。

也就是说AP2322 无法测量出我们前级的互调失真。
所以只能定义为 IMD=0.0007% 有点吃亏。

转换速率

这个图就是我们测试MHzpreamp II (Ref) 的转换速率
根据测试计算后平衡输入为150v/us
我们标称为100v/us

方波响应

方波关键是中正平直
请注意下面这个方波图，电压输出为 25V
不是那些弱鸡的1v方波测试图

8K 25V 方波响应图

方波响应

20K  25V 方波

没毛刺，没变形，没振铃，没自激