发烧级IC耳机放大器的制作

垄一 刚、制II' ,1作 —————————————————’●■■■●■I ⋯ ■l J’0 I卜 发烧级IC耳机放大器的制作 陆全根 本文向读者介绍一款IC耳机 放大器，它有超低的噪声和失真， 能驱动8～600 Q阻抗的Hi-Fi耳 机，具有高达200roW(8 Q)的足够 功率。它既可与上次介绍的IC前 级组合使用，也可安装成独立单元 使用 ，聆听 CD和 MP3，并设两路 立体声耳机插座 ，供两人同时欣 赏。其电路简单，容易制作，性能一 流，成本不高，尤其适合初学者一 步踏入高保真技术和艺术的大门。 一 性能指标 在说明具体 电路制作之前 ， 先来看一下它的实测性能指标能 否满足你的预期要求。 频率响应为 10Hz～20kHz (平直)，优于 1 0H Z～1 0 0kH Z (0dB／ 3dB)；额定输出功率为 200roW (8 Q和 32 Q)、85row (600 Q)；最大输出功率为575mW (8 Q)、700roW (32 Q)、130roW (600 Q)；谐波失真为 0．000fi％ (600Q)、0．001％(32Q)、0．005％ (8 Q)；信噪比(输出1 00roW)为 130dB(600 Q)、 120dB(32 Q)、 一 1 1 1 d B(8 Q)；串音(输出 1 0 0m W )> 6 8 d B f 2 0 H Z～ 20kHz)；输入阻抗为47k Q／／ 47pF；输出阻抗为5 Q。 测试条件为使用低阻抗声源， 串音测试时无信号输入端接 600 Q电阻。 图l为本机的频响曲线，3种 负载上的功率均为200mW，高端 响应优于 100kHz(3dB)。图2 为串音频响曲线。如果把左、右声 道的地加以分开，指标还会提高。 图 3为 1 00roW 时不同频率时的 THD+N曲线。图4为不同功率、 lkHz时的失真曲线。 这份性能规格很完整，也相当 出色，它反映了耳放所达到的基本 技术质量，同时也是音质的基础。 就上述4张曲线图而言，它明确告 诉我们 ，选用较高阻抗(≥32 Q) 的耳机是有利于音质的。其中尤 以600Q耳机综合特性最佳。虽说 600Q耳机的最大输出功率(削波 功率)相对很低，但有130roW也 已足够。实际上，许多耳机在远低 于 100roW 时已经达到甚至超过 了它的承受能 力。另外 ，现代 I_AP 6000 ．j l Hi-Fi耳机的灵敏度很高，通常 在90～100dB(SPL)范围内。而 这个声压级范围也是开始引起听 力损伤的声压级值。换言之，耳放 的输出功率只要有lmW，就已经 可能对耳朵产生损害，特别是常 年累月在上述声级下聆听音乐， 其害更大。由此可见，耳放的输出 功率没有必要设计得过大。如果 耳机的灵敏度不低于90dB／mW， 100mW 的额定功率已绰绰有余。 同时由此也可以知道 ，耳放所使 用的电源电压也没有必要过高，如 本机采用±15V就已足够。 还有一个问题，也涉及到为 什么要使用专用耳放的问题。大 家知道，许多功率放大器，包括 AV功放在内都设有耳机插座。因 此有一些发烧友觉得没有必要另 外用耳放来驱动耳机了。关于这 一 点，首先应该了解或询问一下， 这些功放中是否已经附加了专门 设计的耳放。如果有专用耳放，那 图 1 本机的频响曲线 图 3 100roW 时 THD+N曲线 — — AP 8 一 I匕== ⋯ _上 I l 6P? ⋯ 【 图 2 本机的串音频响曲线 图 4 不同功率、lkHz时的 THD+N曲线 2008年 第 8期 维普资讯 http://www.cqvip.com 么一般就无须另用耳放了，除非你 对它的性能或音质有所不满。如 果机内未设专用耳放，那么它通 常是功放输出通过用一只限流电 阻再直接驱动耳机。由于限流电 阻较大，一般在 l0～200 Q之间， 从而会使失真明显增大。图5是一 组对照曲线。图中下面一条曲线 是一付相当好的 8 Q耳机用低阻 抗(5Q)源驱动时的失真曲线。但 当通过 47 Q电阻驱动该耳机时， 失真将明显上升。总之 ，采用耳放 驱动耳机时不仅失真低、音质好， 而且还有便于移动等优点，如果能 自己仿制一台，花费也不会太多。 图 5 不同内阻的失真曲线 二，电路简介 根据上面的规格可知，这是 一 台高质量通用型耳机放大器。 其 电路设计考虑到了不同阻抗、 不同灵敏度耳机的需要，既适合 与前级放大器组合使用，也能满 足单独使用的要求，而且还要求 它具有很高的性能指标，因此在 电路结构上作了一些兼顾。 图6是本机一个声道 (L)的 电路图。括号中的符号为R声道 的。整机由高性能运放OPA2l34 作输入级，晶体管作偏置级和输 出级，充分发挥器件的各自优点。 输入信号通过抑制射频干扰 的低通滤波器 (100 Q*~47pF)后 2008年 第 8期 进入ICla的同相输入端3脚。作 为一款IC，OPA2134具有较大的 输出电流驱动能力，因此能够以很 低的失真直接驱动600 Q阻抗的 耳机。但如前所说，本机作为一款 通用型耳机放大器，还要求它同样 能够 很好地 驱动 低 阻抗 耳机 ， OPA2134就有点力不从心了。为 此在ICla之后加了一级由Q2和 Q4组成的互补射极跟随器作输出 电流放大，用以提升ICla对低阻 抗 (8 Q)负载的电流驱动能力。 为了降低输出级Q2、Q4的失 真，它们的静态电流设置得相对 较大，约 20mA左右。在一般设 计电路中，Q2、Q4的偏置电路只 需两只偏置电阻 (加上图中的 D5、D6)即可。本机为了改善电 源纹波，采用了由Ql、Q2组成的 互补恒流源来实现。恒流源 Ql、 Q2的集电极电流也取得较大，约 l0mA左右。这一电流由射极电 阻 (100Q)，发光二极管(LED1) 及两只4．7k Q电阻等所设定。其 中 l00“F电容也是为了进一步 抑制电源纹波所设。 一 般 ，D5的正向压降比Q2的 m —F 小 制 作 — — _二!! 垄 基 一射压降略高一些，这正好可 以用来设定Q2、Q4的静态电流 (约l5～20mA)。Q2、Q4的射极 电阻 (4．7 Q)可增加射极跟随器 工作时的热稳定性等。图6下半边 的工作原理同上，不再赘述。 D1～D4为输出限流电阻。当 流过Q2的电流过大时，其射极电 阻 (4．7 Q)上的压降超过 1．4V 时，就会使Dl、D2导通，使注入 Q2基极的电流减少，达到正向限 流的 目的。负向限流作用则由 D3、D4完成。对于8Q耳机 ，Dl～ D4都要装上。对于较高阻抗的耳 机，要用跳线短路掉D2和D4。 从输出级到ICla反相输入端 加有负反馈。一是用以保持输出 端有稳定的直流零位；二是改善 电路线性和降低交越失真；三是 设 定 电路 的 增 益 。 图 中选 用 RI=R2=lk Q，整机增益为 (1+ R1／R2)=2(6dB)。这个增益值 适合于本单元与前置放大器联合 应用并驱动8 Q耳机时采用。与 Rl并联的电容 Cl用来衰减音频 之外的高频分量 。 输出端的RLC网络(4．7“H、 图 6 本机一个声道的电路 49 维普资讯 http://www.cqvip.com _二! 垄一 刚、制作 47()、10 Q和47nF)用来补偿耳 机的电抗性分量，确保在不同电 抗分量的条件下，都能使放大器 稳定工作。u 采用低阻抗空心电 感，有利于减小磁芯电感带来的 失真，并有利于驱动低阻抗耳机。 三 本机制作 lW 电阻 (10 Q、47 Q)可 用误差5％的金属膜电阻。4．7()／ 0．5W 及其余 0．25W 的电阻均采 用 l％的碳膜或金属膜电阻。 输入耦合电容(10 F)要采用 无极性(NP)电解电容。100pF以 下采用瓷片电容。1．2nF、100nF 采用聚酯薄膜电容(MKT)，其余 均用普通电解电容器。 LEDl～LED4采用红色发光 二极管，在上述电路中的正向压 降为 1．8V。也可使用其他正向压 降为1．8V的类似二极管代替，但 勿用高亮度发光二极管。 空气线圈L1可用①0．63ram 的漆包线在内径为 11．8mm、高 约 10ram的塑料骨架 (其顶视图 如图7所示 )绕 2l圈而成。第一 层密绕、共绕2层。然后用胶带包 紧。线头从两边引出并留有适当 长度，以便安装在印板上。 图6元器件全部安装在 图7所 示的134×103单面印刷板上。应 在购全所有元器件后根据实物大 小对印板作出适当修正。 安装要求同前。先根据下面 提示安装跳线 (共 l0根)，可用 0．7ram镀锡铜线或0Q (0．25W) 电阻充任。然后安装Dl～Dl2。这 里要注意 ，如果该耳放准备驱动 8Q耳机时 ，Dl～D4均需安装；如 果准备配用较高阻抗的耳机，D2 和 D4要用跳线短路之。 然后安装 0．25W 和0．5W 电 50 阻和LEDl～LED4。如果本机接 第 7期介绍的前级后使用，R3和 R6用跳线安装。 按下来安装Ic插座、熔丝座， Dl、Q3、Q5、Q7、电容器和插 口 CON1～CON5。再安装lW电阻、 输出晶体管Q2、Q4、Q6和Q8及 U 、L2。47()／lW 电阻要垂直 安装在L1和L2管芯中。Q2、Q4、 Q6、Q8应先松松地安装在U形小 散热片上 (1 9℃／W TO一220 型)，两者之间的接触面涂层硅 脂。然后把管脚插入焊孔焊接，待 焊点冷却后旋紧散热片螺丝，切 勿用力过猛，以免损坏芯片。 本耳放最好与前一期介绍的 前级配合使用，能够取得最佳效 果，同时也可利用前级电源供电。 不过应注意的是，此时前级电源 的稳压IC(LM317／337)必须也 加装上述U形散热片。于是就可 把前级±l5V；~HGND接到耳放的 CON5插口上。这3根供电线应该 使用较粗的多股软线并相互绞合 起来走线，以减小噪声辐射。 接着把 前级放大输 出插 口 CON6上的信号 (L、R及GND) 用屏蔽线分别接到耳放输入插座 CONl(L)和 CON2(R)。 现 在 可把 耳放 耳机 插 座 CON3的Jack开关引线接到前级 的CON7插口上，同时在耳放的耳 机插座cON3中插入耳机插头，使 前级输出信号进入耳放输出。 以上过程完成后 ，明耳放 已与前级信号接通。如果说从耳 放的 CON3中拔出耳机插头，则 前级输出信号与耳机断开而供给 外接功放驱动音箱放音。 最后在耳放板上装好500mA 快速熔丝后接通电源进行静态检 查(暂不插入耳机插头)。接通电 源后，4个LED应发光，否则应马 上断开电源进行检查安装是否有 误。如果只有一个LED不亮，那么 问题主要出在相应的恒流源部分。 4个LED发光后，可用数字万 用表Dc档检测耳放输出中点对 地电压，应为 0V ±2mV。 接着测量输出管射极电阻 (4．7Q)两端电压，应在0～100mV 范围内。如果是100mV，则相应的 发射极电流为21mA。这一测量应 在室温下无输入信号 (静态)时进 行，如无问题即可进行听音试验了。 四 单独使用 以上是耳放接在前级同一机 壳中时的用法。本机也可单独使 用，即直接从任何具有 “线路电 平”输出的声源设备取得输入信 号。显然，此时要为本机准备一个 机壳和电源 (-t-l5V)，图7印板 的地要按机壳的地 (与前级配合 使用时则不必接机壳)。还要增设 必要的音量控制。不用说，±l5V 电源完全可以照搬前级的电源设 计，只是稳压 IC要加装散热片。 至于 +5V电源 ，则视是否需要对 输入进行选择而定。 添加音量控制也很容易，只要 在图6的CON1(CON2)与l0 F 耦合电容之间串入一只50k Q同 轴双联电位器即可。其中一联的 接线方法如图8所示。不过，这种 接法有一个不足，就是Icl的源 阻抗是随音量控制的大小而变， 这会增大高频失真。对此，可把 0 Q的跳线电阻R3(R6)改用某 一 阻值的电阻，使反相输入端的 阻抗 (Rl／／R2+R3)与同相输入 端看出去的阻抗值大致相同 (当 50k Q音量电位器处于正常聆听 音量时)即可。在下述Icl增益取 维普资讯 http://www.cqvip.com m —Fi，J、皋 作 Hi-Fi之 友 17dB时 ，R3(R6)可取为2k Q。 另外，图6中IC1的增益为2 (6dB)，这是耳放接在前级之后使 用时的设计值。现在要让耳放单 独使用，其输入信号未经前级放 大，当配合8Q耳机使用时问题不 大。但当配合 32 Q以上的高阻抗 耳机使用时，可能会出现即使开足 音量声音也不够响的情况(与耳机 灵敏度也有关)。如果实际使用时 情况确实如此 ，那么有必要把IC 1 的电压增益从 2(6dB)提高到7．2 (17dB)。此时相应的元件数值应 改为下值。Rl=R4 7．5kQ，R2= R5 1．2k Q，C1 C2 100pF。 这样一来，在任何情况下只要 有l V(RMs)的输入信号均可达到 2008年 第 8期 图 7 本机印板图 来 一 至1 01tF(L] GND VK1a (5om ) 图 8 音量控制的接法 满功率输出。由于增益的增大是 通过减小负反馈来实现的，因此必 然会增大失真，但问题不大。例 如 ，在额定输出功率下 ，600 Q负 载时的失真(THD)仅0．0004％，而 32 Q负载时失真也只有0．004％。 五．其他说明 (1)图6耳放配合前级或其他 一 些风险。因为在这种情况下，这 个耳放在32 Q下的输出功率可高 达 1000roW ，将危及你的耳机、伤 害听感，甚至损坏耳放，但只要小 心使用问题不大。 (3)本机提供两个耳机插座， 可同时供两副耳机使用，有一定的 方便之处。但由于这两个插座是 并联的，即两副耳机的阻抗是并联 的，因此对所用耳机的阻抗有两个 要求 ：①耳机的额定阻抗必须相 同；②额定阻抗必须在32 Q以上 的。 (4)最后必须强调指出，用耳 机欣赏音乐切忌音量过大，最好不 要长时间在90dB(SPL)以上欣赏。 用较低音量欣赏音乐，有利于减小 听力损失。 51 维普资讯 http://www.cqvip.com