电流放大

BPM7110电路详解 第六图书馆 近几年的音频器材中,一些高端国际品牌以应用电流传输(Current Conveyor)电路技术作为宣传的重点,像Wadia、 Classe,在它们的DAC解码器中利用电流传输电路制作为I/V的变换器,这是一项对音质改善非常有效的做法。通常电流输出 型的DAC芯片,都是通过有源或无源的I/V电路转换为电压信号,如果是有源的由晶体管运放或IC运放电路构成I/V电路,由于 使用反馈方式及反馈电容容量较大,令音质的透明度与瞬态反应变差,近几年的音频器材中,一些高端国际品牌以应用电流传 输(Current Conveyor)电路技术作为宣传的重点,像Wadia、Classe,在它们的DAC解码器中利用电流传输电路制作为I/V的 变换器,这是一项对音质改善非常有效的做法。通常电流输出型的DAC芯片,都是通过有源或无源的I/V电路转换为电压信号 ,如果是有源的由晶体管运放或IC运放电路构成I/V电路,由于使用反馈方式及反馈电容容量较大,令音质的透明度与瞬态反 应变差,电路详解 DAC解码器 电流传输 音质改善 反馈方式 DAC芯片 电流输出型 音频器材无线电与电视 何庆华不详2007第六图书馆 www.6lib.com 第六图书馆 BPM7ll O电 路 详 解 何庚华 近几年的音频器材中，一些 高端国际品牌以应用电流传输 (Current Conveyor)电路技术 作为宣传的重点 ，像 W adi a、 Classe，在它们的DAC解码器中 利用电流传输电路制作为I／V的 变换器，这是一项对音质改善非常 有效的做法。通常电流输出型的 DAC芯片，都是通过有源或无源 的I／V电路转换为电压信号，如 果是有源的由晶体管运放或IC运 放电路构成I／V电路，由于使用 反馈方式及反馈电容容量较大，令 音质的透明度与瞬态反应变差，分 析力自然大打折扣，无法准确现 音乐中速度变化，即使是使用 24bit／192kHz芯片也不能得到充 分发挥。而如果使用无源的I／V 变换，虽然可以减少有源方式的缺 点带来的影响，但由于芯片内部有 输出幅度限制元件，只能变换到数 十毫伏的有效值电压信号，再通过 后接的放大器进行放大，这样必然 令信噪比下降，同样不利于细节的 重放。而通过电流传输电路，则可 以将芯片输出的电流信号无损传 输到输出端，并可以直接用I／V电 阻转换为足够大的电压信号而不 必再进行增益放大，实现低失真高 信噪比的I／V转换，并在转换时可 以进行模拟滤波，只需要通过一个 0dB的缓冲电路输出就可以了。 最令人瞩目的是Krell的电 流传输模式 CAST (Current Audio Signal Transmission)的 整套器材，它向我们展示了电流 传输技术对声音高度还原的能力 2007年 第 1 0期 以及对器材问传输的干扰的强大 抑制能力。2007年4月在上海国 际音展上的Evolution One，多位 听过的发烧友也提及它的高透明， 巨细无遗的声音表现。可惜的是 他们都说只能干流口水，因这个 套装售价实在太高了。 为何高端品牌的音响制造厂 都采用了电流传输电路?这个问题 对笔者来说是非常有吸引力的，相 信也令不少音响DIY爱好者非常 有兴趣去了解这种电流传输电路。 电流传输 电路 可 以分为 SATRI及CAST两种。通俗地说， SATRI就相当于我们常用的电压 传输电路的RCA方式，而CAST 就相当于X R L方式，区别是 CAST及SATRI属于电流传输方 式，相信这样更容易令读者理解。 本刊2007年第6期中，笔者向各 位介绍的 使用再生电源的平衡 前级》，也是使用了CAST技术制 作主放大电路，限于篇幅，只能从 本文开始介绍电流传输电路的实 际电路结构 ，让有兴趣的爱好者 可以 自行仿制。 一 历史回顾 电流传输电路主要由电流模 电路构成，这不是一项新的技术， 早在1966年，K．C．Smith教授 开展了关于电流模电路的研究项 目，并定义了第一代电流传输电 路理论的关系式 。 两年后的1968年，G．Wi】son 发表了举世闻名的威廉逊电流镜 像电路(WilSon Current Mirror)。 音 响 技 术 同年 8月他在电子工程师会议发 表论文 电流传输电路—— 一种 新的电路构成 。这个论文展示了 第一个电流模电路，电路的特性 符合第一代电流模的关系式定义， 如图 1所示。 X Y l 。2 NPN 图 1 成廉逊电流镜像电路 由于晶体双极管I 电流的存 在影响，这个第一代的电流传输电 路的传输精度是不够的，因此在 1969年，A．Sedra提出了传输精 度更高的电路(如图2所示)，同时 对第一代电流传输的关系式重新 作了修正。 图 2 传输精度更高的电路 这两个电路同属于第一代的 电流传输电路，即使到今天，我们 也可以在一些流行的IC内部线路 或晶体管的放大器中看到由这第 一 代电流传输电路执行电压一电 流(V／I)的变换功能。严格来说， 第一代的电流传输电路是不能单 独使用的，它只是应用在其他电 路中作为其中一个功能部分。 在第一代电流传输电路发表 2年后的1970年2月，Sedra先生 定义第二代电流传输电路的关系 式(简称 CCⅡ)，并很快就得到大 47 维普资讯 http://www.cqvip.com http://www.6lib.com 第六图书馆 www.6lib.com 第六图书馆 ti"响 技 术 家的认同。第二代电流传输电路 可以精确地对电压 ／电流进行变 换控制。当时世界各地的爱好者 纷纷发表了各种各样的电路，但这 些电路频率响应差，转换速率低， 不实用。 直到 1984年，B．Wilson发 表了一个由运放IC与一对晶体管 电流镜电路组合为电压转换到电 流的传输电路，这个电路的频率 响应达到 3MH Z，谐波失真在 一 70dB以下，Wilson称这个电 路可以在供电电压±15V时输出 1OmA的电流，性能比之前的电 路大幅提高。 1985年，Normand提出了一 个更实用的全分立器件组成的电 路，具有数 M H Z的频响，及 一 85dB的低失真水平，并能实现 电流与电压间的相互精确传输， 如图3所示。 O 16 PNP O15 PNP O23 NPN O24 NPN Q14 O10 PNP PNP O13 Q9 PNP PNP Q17 Q1g NPN NPN Q18 O2O NPN NPN O1 NPN O3 NPN — — —oX O5 PNP O7 PNP O12 PNP O11 PNP O21 NPN O22 NPN +V Z 图 3 全分立器件组成的电路 1995年，Wadsworth设计电 流传输电路在美国取得了专利。 这个专利后来被Wadia公司买 下，制作成为I／V 转换IC，取名 SC-1(Swift Current)，并应用到 它们的产品中。 1995年，A．Fabre定义了第 三代电流传输电路关系式，这是 由两个第二代电路组合而成的。 BPM7 1 1 0就正是符合第三代 电流传输电路的定义。 一 直以来，电流传输并没有 得到广泛应用，原因是早期的线 路性能低下，在当时与电压传输 电路之间有一定的差距。经过无 数的努力后终于能实现更优秀的 性能，这时电压传输线路已是几 乎一统音频器材的天下，再者器 材之间的电流传输接口各厂家间 有不同的制式，不同厂家间的器 材往往不能直接相连使用。但金 子总会发光，相信在不久的将来， 电流传输的方式会流行起来。 Krell就正利用其高端品牌的影响 力，起 了带头作用。 二．电路原理 目前在 D I Y 界 流行 的是 BPM7110的自制模块，因为电流 传输电路主要由电流镜组成，制 作成模块可以令所用的器件温度 保持一致，电路的整体性能就可 以达到更高。最先见到BPM71 10 模块是在 日本，由于收入水平的 差异，这个模块售价高达6．3万日 元，折合到人民币也要4000多元， 相信国内少有爱好者乐意购买， 但对发达国家而言确实不算高价。 而这位模块制作者对DIY的合并 式功放使用BPM71 10模块担任 增益级，售价最高的一台是150万 日元。国内带0作的 +电源去耦 14 BPM71 10模块相 +偏流端P-n1 3 对便宜了很多，算 是较适合国内的 输 ： 132 收入水平。 BPM71 10的 一偏流端 2 电路方框图如图4一电源去耦 1 所示。P i n 8和 Pinl4是正电源提供引脚，~llPin7 和Pinl是负电源提供引脚。使用 时应在尽量靠近电源引脚处安装 低阻抗的去耦电容，如三洋的OS 电容，或优质的MKP薄膜电容， 以减少由电源带来的干扰。 Pin13和Pin2，是设定偏流 的端子。在这两个端子上使用恒 流二极管、场效应管等的恒流器 件去设置BPM71 10的工作电流， 如果BPM7l 10使用稳压电源供 电，此处可用电阻进行设置电流。 使用电阻可用以下公式进行设计 电阻参数 R=Vb／ Ib V = 2·V 一 2．4— 0．1．I V 是指Pinl3与Pin2两偏压 设置引脚之间的电压，V 是指电 源电压的绝对值 (如供电电源电 压为±15V的时候，为15)，I 为 偏置电流(mA)。 一 般的应用电路，偏置电流 设置到2．5mA即可。但如果电源 电压较高，或电路需要设定较高 的偏置电流的时候，就要遵守 BPM71 10的最大功耗规格，并只 允许在其最大功耗规格内使用， 偏置电流与总电源电压的功耗值 不应超过 200mW。 使用较低的工作电压，就可 以设置较大的偏置电流，以适应 某些特定的电路要求，一般作为 前置放 大器使用时 ，可选择 -i-1 5～-i-20V这个电压范围使 謦 I输入回路 1 1 宙 1 图 4 BPM7110的电路方框图 +电流镜2输出Pin9 +电流镜2输入Pin10 +电流镜1输出Pin11 一 电流镜1输出Pin4 一 电流镜2输入Pin5 一 电流镜2输出Pin6 8} 一∞ ∞ 子重』8 Y ● ● ● ● ^¨¨丫 ●● R置 啸 维普资讯 http://www.cqvip.com http://www.6lib.com 第六图书馆 www.6lib.com 第六图书馆 用，BPM71 10在很宽的电压范围 内均具有极佳的线性，且增益随 音量而改变，即使音量控制在前 级放大电路后面，也不会出现传 统的线路因直接放大输入信号而 可能产生的过载失真。因此，非必 要时可不必强求使用高电压供电， 这并不能令音质变好。 输入 电路有输入端 引脚 Pinl2和 GND引脚Pin3，这里需 要输入的是电流信号，如果直接 输入电压信号是不能正常工作的。 输入电压信号时，需要使用电阻 进行电压到电流 (V／I)的变换。 V／I电阻的计算为 R=V ／I 1n in V 是输入信号的有效值，I 是输入信号电流有效值，令其峰 值不大于偏置电流即可。如偏置 电流是2mA，可设计输入信号电 流峰值为1．9mA或以下，有效值 就是在 1．3mA以下。反过来，也 可以设定好输入信号的电流，再 去设定偏置电流。 输入回路的输出连接到电流 镜1的输入端，电流镜1的输出相 位与BPM71 10的输入信号是反 相的。将电流镜1的正和负的输出 Pin1 1与Pin4两个引脚相连， 就可以输出电流信号到负载，如 果要输出电压信号，可在此与 GND之间连接一个电流转换到电 压 (I／V)的电阻R ，电阻流过 信号电流，能得输出电压 V ：信号电流 ·R 改变R 的数值就可以改变信 号的电平大小 (增益)。使用电位 器作为R ，改变电位器就可以改 变电路的输出电平，同时在控制 音量时就可以连增益也一同被控 制，这样可以令失真更低、信噪比 更高。注意的是，这个时候输入信 音 响 技 术 图 5 BPM7110内部详细电路 号和输出信号的相位是相反的。 为了令BPM71 10的输入和 输出的相位相同，模块内设计了 电流镜2。如果要得到正相的输 出，可将电流镜 1的正输出引脚 Pin1 1和电流镜2的负输入引脚 Pin5相连，电流镜 1输出负引脚 Pin4和电流镜2的正输入引脚 Pinl0)~连，连接电流镜2的两个 输出引脚Pin6与Pin9，就可以输 出与输入信号同相的信号了。 BPM71 10内部详细电路如图 5所示。可以看到，BPM7110的 电路构成是由多个威廉逊电流镜 电路组成，威廉逊电流镜的单元 电路如图6所示。威廉逊电流镜的 晶体管采用相同型号，且特性得 到配对时 i =(1+1／p)i．一(1／p+1／ p ) i i =一(1／p)i．一(1+1／ p+ 1／p )i 当威廉逊电流镜的发射极直 +电流镜2输出Pin9 +电流镜2输人Pin10 +电流镜1输出Pin1 1 电流镜1输出Pin4 电流镜2输人Pin5 电流镜2输出Pin6 NPN NPN 图 6 成廉逊电流镜的单元电路 接或通过相同数值的电阻与电源 相连，则 i =i ，这时 i，／i．=(p +2 p)／(p + 2 p+2)=1 (p一。。) p作为表示晶体管的h ， p值是不可能无限大，但当 p值 为300时，i．与i，的误差已低达 0．003％，可以忽略不计，选择更 高 p值的晶体管可以进一步提高 精度。如果爱好者认为晶体管配 对不佳影响电路的性能，那这种 情况同样会表现在传统的放大线 路中，出现的问题可能更为严重。 ● ● I N N ● I b ． 维普资讯 http://www.cqvip.com http://www.6lib.com 第六图书馆 www.6lib.com 第六图书馆 音 响 技 术 以上简介了关于电流传输电 路及BPM7l l0这个典型电路的 引脚功能，更多的典型应用例子 及更详细的参数设计早在本刊 2006年第9期的 实战电流传输 技术》一文中介绍过。 在仿制BPM7110时，需要对 所使用的三极管进行配对，以模 块形式制作并填注树脂，令内部 的三极管工作于同一温度下，以 提高性 能。这 里可选 用 日立的 2SC2886／2SA l l 9 l或东芝的 2SC2240／2SA970等高频管。 电阻要求精度、温度特性和 频率特性良好。Vishay电阻就很 合适使用，并受到日本制作者的推 崇。笔者对比过几种不同电阻的 制品，Vishay的音色是更趋向于 中性。如果需要BPM71 10表达其 他类型的声音风格，也可以选择其 者制作了图7的电路去进行测试。 将BPM7110输出端的lk Q电阻 改用电位器就可以作为一个前级 使用，对于方波的响应如图8所 示。图8(a)是 lkHz的方波波 形，图8(b)、图8(C)是 10kHz 和100kHz的波形。这是完全没有 负反馈也没有相位补偿，响应特 性可以说不错了，这种电路更容 易得到细腻而传真的声音。而一 些使用负反馈及相位补偿的电路 通常会令音质变得朦胧或沉闷， 即使它们具有更好的测试指标。 BPM71 1051]作的电路在音质 上表现出一种极高的透明度与还 原细节能力，最难得的是无法感 觉到对音质的染色 (使用音色中 性的并联型稳压电源或电池供 电)，这是笔者近20年DIY生涯 中从没碰到过的。笔者特意使用 图 7 BPM7110测试电路 (b) 10kHz (C) 100kHz 图 8 测试电路的方波响应 合并式功放去测试 一台使用 BPM71 lO$1J作的前级，在接入与 不接入前级，听不到音色上的变 异，只是感觉音质表现中的动态 与力度更大，细节更丰富，这种音 质也正与近年来的大多数高档音 响设计趋向相同。 三 更简洁的电路 或许有发烧友会认为电路过 于复杂，想用更简单的电路体验 电流传输电路的效果，以下介绍 笔者最近设计的一款电路，这个 电路可以直接输入电压信号，输 出电流信号，通过I／V变换，也 可以输出电压信号，内部信号的 增益是由电流传输电路构成的， 而电路也可以用开关进行完全无 反馈的电流传输工作方式与电流 反馈工作方式间的切换，原理图 如图9所示。 电路的输 入级是 由一对 2SK170／2SJ74组成的缓冲器，并 与一对 2SC2240／2SA970构成渥 尔曼电路以提高电路的线性与频 率响应。在这里，输入级兼任V／ I转换电路。转换的原理是输入的 电压信号经过缓冲器输出端，与 接地的电阻R1根据I=V／R，令 2SC2240／2SA970的集电极产生 与I相同的变化电流，此电流通过 由威廉逊电流镜传输到电流输出 端。 威廉逊电流镜的输出由3对 管子并联工作，可对电流进行约3 倍的放大。R3、R4是电流输出端 的负载，在此作为I／V电阻，将 电流信号转换为电压信号，然后 再经一组并联的渥尔曼式场管缓 冲器输出。 这个电路可以作为一个前级 使用，如果将输出的缓冲器换了 维普资讯 http://www.cqvip.com http://www.6lib.com 第六图书馆 www.6lib.com 第六图书馆 音 响 技 术 可以是负数十dB，这是一般的放 大电路所不具备的，信噪比也能 达到更高，但不同的电位器会有 不同音色音质，应选择品质较好 的如日本的ALPS或Noble(贵 族)电位器。 或许有发烧友认为使用电位 器控制增益会由于电位器两联间 阻值差异而影响电路增益的一致 性。但笔者认为不必担心，电位器 如果存在误差，即使是安装在输 入端或输出端也会令两声道电路 的输出不一致。故此，笔者倾向于 采用由继电器及精确电阻组合切 换的遥控音量衰减器，这种电位 器通常具有80步进档，可以更细 致地控制音量，两声道的误差也 可以较容易地控制在 1％以下。 合上电路中的K1，就成为一 个电流反馈的电路，音色也与完 全无反馈时有异。 直流伺服电路会对音质产生 一 些微妙的影响，笔者反复对比 过3种方式：①单级的积分电路； 图 9 简单的电流传输电路 ②积分电路后加一阶低通滤波器； ③积分 电路加两阶低通滤波器。 个人感受是方式①的声音较突出 中高频，但相对后者稍有毛躁的 感觉，方式③又似乎过于注重低 频，声音稍显得呆板，方式②就 显得中庸，音质最为理想，也就是 图9中的直流伺服电路。 由于输入级的自偏压，本电 路电源电压适应性很好，可以在 ±8～±20V正常工作。如果将电 流镜的三极管都换作2SB647／ 2SD667，电压范围更宽达±8～ ±50V。对电源的要求很低，即使 没有使用稳压电源，输出噪声也是 极低的，即使作为前级，也不会因 此增加交流声或其他噪声，除非制 作时接地不合理。采用优秀的稳 压电源虽然对测试的输出噪声影 响极微，但可以令音质得到提升。 声音是相当清晰而准确，如 果喜欢稍厚暖的风格，也可以增 大输入端的C1的容量，最大可到 2200pF，也可以在R3、R4上各 并联上最大220 pF的电容。这些 都是属于后期的校声的手段，校 声后音色音质可能更适合自己听， 但测试指标可能不及校声前。但 这又有什么关系，指标是给测试 设备感受的，而实际音质才是给 我们感受的，世界上有宣称自己 指标最好的音响器材，但还没有 声称自己音质最好的音响器材， 像Halcro 68。而胆机，失真大、 响应差，同样不是受到一些发烧 友的喜爱?因此我们不必拘泥于 指标的优异，只要校声完成后电 路工作稳定，一切还应以音质为 首位，这也是众多国外名机音质 的取胜之道，它们很多的测试都 不敢见人，但依然有不少发烧友 喜欢花昂贵的价格去购买。 介绍到此，不知各位爱好者 是否有跃跃欲试的想法? 51 维普资讯 http://www.cqvip.com http://www.6lib.com 第六图书馆 www.6lib.com 第六图书馆