和我们一起来DIY吧！全分立甲类耳机放大器制作

放大器DIY
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来源：www.hifidiy.net 发布者：梼昧狂客版权：原创

全分离甲类耳放应该说是耳放DIY的最高境界，分立元件不同于集成电路，需要前期精密的设计和元件配对，后期复杂的调试，不少朋友对于这...

　　全分离甲类耳放应该说是耳放DIY的最高境界，分立元件不同于集成电路，需要前期精密的设计和元件配对，后期复杂的调试，不少朋友对于这种放大器都有点头疼。其实电路设计本身并不难，难的是如何把电路做成一台高品质的耳机放大器。国内的电子书籍讲理论是头头是道，实践绝对是垃圾到家，这里推荐大家看一下科学出版社出版的《晶体管电路设计》非常实用。

　　辽宁大学耳机爱好者联盟在一年之前推出了一款便携式耳放作为试水之作，反响还不错，运放搭配合适很容易出好声。今年在多方帮助下我们设计并制作了我们辽宁大学耳机爱好者联盟第一款全分立元件甲类耳机放大器，和大家交流一下，希望通过本文能激发大家DIY此类耳放的兴趣，同时能更好的识别市面常见耳放的线路，对症下药的进行磨改。

　　目前市面上使用分立元件的耳放其实不少，但多数都不是全分立元件的，这倒不是成本的原因，采用运放输入，能有效简化线路，利于批量化生产。全分立元件的优势和缺陷同样明显，和使用运放输入的相比，不容易出好声，不过如果调教得宜那么效果也不是使用运放比得了的。运放的优势是晶体管配对性非常好，体积小，测试数值较高，不过由于在一个小硅片上做出全部电路，因此存在耐压低，元器件数值有限制，电路不能随意调节等问题。

　　耳机放大器可以简单地分解成输入级电压放大级和输出级三部分。输入级是整机的咽喉，对于整机性能有重要影响，不少耳放都采用运放担任输入放大以简化线路。分立元件耳放一般是采用差分输入其中包括单差分和全对称双差分两种，具体根据使用元件不同又可以分为BJT和FET两种。欧洲机器使用单差分比较多，日本机器则喜欢全对称双差分。这两种线路本身没有高低之分，使用得当都能做出高品质机器。从DIY的角度讲，我更倾向单差分，因为双差分线路需要异极性配对，成本高一些。为了提高整机性能，一般输入级都使用了恒流源和共基共射（沃尔曼）线路，一个比较典型的线路如下（此图为高文机器线路）

　　这里借用别人一张图，对图片原作者表示感谢。这个线路可以说是非常经典的单差分带恒流源和沃尔曼电路，使用美国NS出品的DIP8封装的2N5565孪生FET作为输入管，下部一对MPSA42构成的镜像电流恒流源，上部一对MPSA42与2N5565共同构成的共基共射电路。关于第一级工作电流的选取也是一个很重要的问题，一般来说现代功放普遍采用2ma左右，由于JFET是电压控型元件，而且输入阻抗很高，因此提高工作电流对于噪音影响比较小，如果是使用BJT作为输入管建议电流取在2ma以下。

　　电压放大级的作用是对输入级传送来的信号进行放大，以便于更好的驱动输出管，这里面就涉及到级间匹配和输出功率的问题了。根据理论设计，在采用±15V供电的情况下，如果忽略一切损耗，那么在32Ω阻抗的负载上可以输出3.515W，此时需要输出管能够持续输出0.177A的电流，假设末级管的β值为60（根据不同的管子有不同的β值，可根据个人需要调整）则电压放大级晶体管需要输出2.95ma以上才足以驱动输出管，这里工作电流取4.5ma。电压放大级的晶体管β值都比较高，这里我采用β值为200的2N5551（可替换为MPSA42）那么输入级只需要提供0.0148ma的输出电流即可。当然这些都是理论设计，实际取值可以稍微大一些，这里采用第一级2.25ma ，第二级4.5ma，第三级100ma即可满足要求,。需要注意的是，不同晶体管最大集电极损耗不同，而且晶体管需要留出较高的功率余量，因此根据不同输出管，末级电流也可以做出不同调整。电路设计方面，高文比较喜欢采用差分线路，也就是我们常说的二次差分。英国的音乐传真则比较喜欢单端放大并采用恒流源负载，典型代表就是XA50，具体线路如下

　　输出级的设计，就要简单得多，采用三极管可调节偏置，由于耳放输出功率不大，因此不必进行热补偿，输出管的选择很多，常见的2SA1930/2SC5171就很不错，全塑封的TO-220封装不必担心绝缘的问题。散热的话直接用机壳就可以了，既方便又可以减小PCB面积。

　　我们设计的线路如下，采用Altium Design设计的.

　　此为PCB截图

　　板子采用2mm FR4板材 2oz铜箔（即铜箔厚度70μm）镀金处理

　　这是焊接了一个声道的图片

　　在PCB设计上，我比较倾向全独立模块化设计，电位器耳机插座电源全部独立，这样设计不仅利于DIY中元件重复利用，而且调试比较方便。毕竟ALPS 27型电位器也不算便宜，而且电源板上的电容和稳压芯片都是可以重复利用的，以后实验不同线路的耳放可以避免重复投资。变压器最好选择进口产品，我是用的是TALEMA 50W 18V*2，效果很好。不少国内耳放喜欢用密封TALEMA变压器，我觉得没有必要，一方面环牛使用次级绕组进行散热，密封之后散热不好，另一方面价格也比较高，倒不如在环牛之外加一个屏蔽罩。

　　机箱采用HIFIDIY的耳放机箱，和常见的E3 E4机箱不是一个级别的，做工精湛

　　国内的耳放很多，说是甲类输出的也不少，但是实际上大多数用户并不是特别了解甲类放大器的定义，因此有必要解释一下甲类耳放的计算方法。

　　这个耳放的输出功率根据此公式计算， Po=（ηV）2/2RL，η为功率因数，采用±15V供电，此时在32Ω负载上最大输出功率为3.515W，当然如果真的输出这么高的功率那么失真已经很大了，而且由于晶体管本身的损耗也达不到这么大的功率。那么到底在多大的输出功率的时候是甲类输出呢？参考资料我们能够查到甲类状态下最高输出电流是两倍的末级管静态电流，即2I，采用100ma的末级电流，此时输出甲类功率为0.64W（根据公式Po=2*I*I*R）以此计算需要工作电压为12.8V（根据公式Po=V*V/8R），此时机器功耗为1.28W，符合甲类放大器50%的理论效率。这些计算说明了一个问题，甲类放大器在末级管工作电流不变的情况下，低电压效率更高，当然，为了提高输出电压摆幅，通常采用高一些的工作电压，本机采用±15V供电，那么静态功耗约为3W，此时效率仅为21.3%而且实际运用中效率还要更低。目前市面上常见的耳放末级管电流大多在100ma以内，那么无论它采用多高的工作电压，甲类输出功率也不会超过0.64W（32Ω）。

　　如果是高阻耳机就是另外一种情况了，我们以300Ω的耳机为例，I=100ma，甲类输出功率为6W，此时需要±60V的工作电压才够。实际上考虑到小功率管的功耗问题，很少有采用这么高电压的耳放。如果采用±15V的工作电压，那么最大输出功率为0.375W，当然这并不是甲类输出功率。如果要使其工作在甲类，那么需要将静态电流调至25ma，此时采用±15V甲类输出功率正好是0.375W。

　　通过这些计算我们知道，如果推高阻耳机那么静态电流并不需要太大，相反低阻的则应该调大静态电流。但是对于TIP41/42这种40W的管子来说，小电流情况下并未进入最佳线性区。这也是为什么诸如莱曼 A1之类耳放，输出管采用BD139/140之类功率比较小的中功率管，也没有采用很大的静态电流，但是能够良好驱动DT880 HD600这类高阻耳机。

　　说明了甲类的定义和计算方式，下面详细介绍耳放的调试。

　　接地是非常重要的，关键是信号地和电源地的分离。输出端参考地是电源地，输入地的参考地则是信号地，二者之间采用10Ω的电阻进行隔离，值得注意的是信号地包括了反馈回路。下图就是一个错误的接地方法，会形成地线回路。

　　我们这款耳放在输入端左右地线汇合到一点，然后通过一个10欧姆电阻统一接到电源地，这种设计是比较简单的，对于左右声道分离度不利，如果有能力的话最好做成双单声道，效果更好。

　　板子上已经预留了补偿电容的位置，不过可以都先不装，需要用示波器看波形才能确定，合适的补偿对于整机稳定性有利，不过需要根据实际需要不要盲目，补偿电容建议选择银云母。

　　退偶电容建议选择高速电解电容，如果能够承受，那么使用音频电容也是可以的。现在国内发烧电容不少，我比较推荐nichicon MUSE KZ体积不大，性能也很好，这里采用100μF 25V的就可以了，淘宝上2元一个有的是。LED旁边并联的电解电容的作用是消除LED的齐纳噪音，选择原则和退偶电容相同，不过没必要用那么高的耐压，16V的即可。这里我采用ELNA Cerafine 镀金脚定制版 100μF 16V，品质不错，就是体积稍微大了一点。板子上预留位置最大支持外径12mm的电容，各位可以根据自己的实际情况进行选择。

　　输入耦合电容可以省略，这里预留空位只要是为了那些喜欢用电容调音的朋友，可以用一个100Ω的电阻或者是直接用导线短路即可。反馈回路可以不使用电容，直接将电阻连接到地线上，具体根据每个人需要不同，可做不同选择，反馈电容并联小容量薄膜电容，是为了补偿电解电容的高频缺陷，也可以不装。