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基于电流倾倒原理的现代音频放大器设计

发布时间:2021-11-13
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基于电流倾倒原理的现代音频放大器设计

发布时间:2021-11-13
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介绍

QUAD405 是一款设计独特的放大器,但受到当时可用部件的高度限制。

凭借当今运算放大器、mosfets 和电源方面的技术和创新,设计可以被推到听起来很棒,我的意思是真的很棒。

通常我不会写这么多,因为我是一名工程师:-D。另一方面,我也很欣赏有据可查的项目。所以,这是我努力用简单的语言和一些基本算法来解释放大器拓扑、操作和一些薄膜声波决定的努力。

正如我已经提到的,我对最初的 QUAD405 原理图进行了大量修改。结果是一个非常具有启发性的放大器,具有非常低的失真。声音是分析性的,对有些人来说太分析性了。它不知何故缺少协同作用,在低收听水平下不知何故平淡乏味。否则,在高水平上,放大器是非常动态的。不幸的是,这与最初的 QUAD405 甚至最近发布的 QUAD606/707/909 相同。比我倒在发烧友势力的阴暗面,开始换运算放大器。有些声音比其他声音好,每个都有自己的声音指纹,但它们并没有太大帮助。

然后我决定走得更远,完全改变设计,采取发烧友的方法。不要把失真作为首要规则,而是让它听起来很棒。事实上,有很多放大器可以测量 1% 的 THD 并且听起来非常好。这并不意味着我的决定不基于模拟和测量,而是意味着我会比我的示波器更相信我的耳朵。:-D

声音是最重要的。无论在任何级别,它都必须听起来非常好。一定没有听力疲劳。声音必须生动、饱满、大量的泛音和长时间的衰减。从上到下的分辨率和清晰度。即使在大型乐队管弦乐队中,每种乐器都必须听起来自然、清晰且易于在空间中定位。

这是我最初的技术要求:

- 运行稳定。放大器在任何操作条件下都必须稳定。在任何频率下均无振荡。

- 100W 8ohm at 1kHz。只要他的“无法驱动”的扬声器在移动,这对于发烧友来说就足够了。

- 频率响应截止 10Hz - 100kHz。这也将允许一个不错的压摆率。

- 0.01%以下的IMD互调失真

- THD 总谐波失真低于 0.01% @ 1W&全功率

- 设计必须是负担得起的,具有相对容易找到的组件和等效 THT 或 SMD。

- 具有成本效益且易于构建。高端音频必须负担得起。

- 开源。QUAD405 是一个伟大的设计,它激发了像我这样的人去学习和想要更多。让我们保持这种方式并提供更多,原理图、仿真、源 pcb 文件和材料清单。

- 通过使用 LTspice 模拟设计,并通过广泛的台架测量和测试进行最终接触

- 最终的设计决定始终是我的白金耳朵。;-) 这意味着 Q17 是通过比较不同的拓扑结构设计的,最终决定是通过聆听而不是通过测量来做出的。Q17确实是耳朵设计的。:-D

以下是入耳式要求:

- 没有嘶嘶声没有嗡嗡声。不良的整流和过滤可能会导致不需要的噪声。

- 微动态。是的,这是最难的事情。我的脚在任何级别都必须跟上节奏。我不想要扁平、压缩和死气沉沉的声音。这通常与负面反馈合作 - NFB。在我看来,这是部分正确的,并且在很大程度上取决于您如何使用 NFB 和其他东西。质量好的电源滤波电容器也可能有所帮助。

- 宏观动态线性。放大器必须能够在瞬间从低电平变为高功率,并保持高功率电平而不会失真和压缩。它必须给人无限力量的感觉。这主要与电源有关。如果放大器有能力提供,电源也必须应付。

- 解析度。我喜欢提供解析力和全身乐器的放大器,而不会丢失谐波和衰减。精心设计的 SEDHT(单端直接加热三极管)能够做到这一点,我也希望我的放大器也能做到这一点。我知道是另一个困难。:-) 互调失真在这里有话要说。低 IMD 总是导致最高分辨率,但有时会丢失音乐性。

功能说明

今天,OPA1641 可能是市场上最好的运算放大器之一。事实上,它是如此之好,以至于分立电路几乎不会接近。OPA1641 是一种 JFET 输入操作,除了技术规格外,听起来非常好,而且也具有成本效益。我们没有驱动低阻抗输出,也不存在热问题。 

不喜欢JFET声音的可以试试LME49990。这听起来也很棒。

原始 Quad405 具有反相信号,这意味着输入信号将在输出端反相。有些人听不到相位差,因此这无关紧要。但恕我直言,相位准确非常重要,因此 Q17 不反相并将保留信号的原始相位。

与 QUAD405 一样,Q17 也分为两个独立的部分。我们称之为第一节和第二节。

第一节是用运算放大器制作的。输入阻抗由 R16 = 22K 给出。这是高阻抗和热电阻噪声之间的良好折衷。您想要更高的输入阻抗吗?您可以高达 47K。在这里使用一个好的金属箔电阻器应该就足够了。

R17 和 R18 是操作负反应的一部分,将增益设置为 (R17+R18)/R17=7,6。许多运算放大器在低增益时不稳定,稳定极限通常在增益高于 5 时。7,6 将提供良好的灵敏度,我们处于安全的一面,远离任何振荡。

通过 R30、R25 和 C3 输入操作将具有充当直流伺服的第二个角色。C3 可能是双极的,但是普通的极化电解液可以正常工作。使用低压电解 6,3V - 10Vdc。

R1C1 形成截止频率为 125kHz 的低通滤波器。一起 这个 RC 滤波器是操作的主要负载,也会限制整个放大器的全带宽。C1 必须是银云母或聚苯乙烯。 

操作由两个“合理的低噪音”调节器提供。

操作时每个原始电流不会超过 10mA,但他的声音性能高度依赖于这些稳压器的质量,所以我投入了一些时间和部件来获得声音与价格折衷的最佳拓扑。

下面是它的工作原理:

有一个 18V 齐纳二极管、D2 和 D3,它们提供大约 4mA 的恒定电流。

Q2、D1、R19 和 R2(分别为 Q3、D4、R20 和 R21,对于负轨)形成一个简单的电流源。D1和D4是Vf=2V的红色LED。众所周知,LED 是可靠的低噪声电压基准。通过齐纳二极管的电流将为 (LedVf-Q7Vbe)/R19=(2-0,6)/330=4,2mA。该参考电压由两个 mosfet Q1 和 Q4 分别用于向 OPA1641 提供电流。IRF610/IRF9610 在这里有点矫枉过正,但很容易获得且足够便宜。这些会变热,但不要注意散热器。

这是我的第一个观察结果。MOSFET 稳压器听起来比双极更好。不要测量得更好,听起来更好。

第二部分以 Q7 和 Q8 形成的共源共栅开始。该级提供高增益、高输出阻抗和高开环带宽,可能是防止其振荡的挑战。出于这个原因,R5 在那里。这将以一些失真为代价降低增益并增加稳定性。可以使用一些便宜的晶体管 BC8xx 代替 Q7,因为 maxVce> 45V 是唯一的限制。从声音的角度来看,一些共源共栅可能会扼杀“音乐的灵魂”,换句话说,提供不那么生动的声音。如果您使用 mosfet 作为顶级有源设备,情况会好得多。这将保持任何级别的动态。

Cascode- Q7&Q8 - 级具有高输出阻抗,因此由大约由 Q10 和 R3 制成的恒流源供电。4,5mA。Q10 可以是任何低成本、高 beta pnp bjt。是的,任何 pnp,没有限制。

CCS 电流通过 Q9&Q11 通过 R24&R25 镜像到 Q12。事实上,Q17 的核心是围绕这个 CCS+ 电流镜。可以用高 beta pnp 晶体管或 p 沟道 mosfet 制成的电流镜。

我两个都试了。BJT 镜面非常精确,并提供丰富的声音。对于 mosfet,我使用了 BS250P,在这种情况下,声音是具有更好中频的北斗七星。微动力学似乎也更高。经过大量的聆听课程和一些磨合后,我可以自信地说我会继续使用 mosfet mirror。 

您可以使用单个 1W 电阻器代替 R24&R25。这被分成两部分以分配耗散的功率。

接下来是A级阶段。在最初的 Quad405 中,使用达林顿三元组来增加输入阻抗。在这里,单个 mosfet 会做得更好,但代价是一些输入电容。与双极的相比,Mosfet 确实会产生更多的偶次谐波。由于我更关心谐波含量而不是 THD,这是我对 mosfet 的偏好。

P 通道 MOS Q5 是 A 类有源器件,根据我的观察,P 通道 FQP3P20 (IRF9610) 比 N 通道 FQP3N30 (IRF610) 的线性度略高。无论如何,在当前时间 - 2021 年 - 我们没有太多选择。Toshiba 的横向 mosfet(2SJ76、2SJ77、2SJ78、2SJ79 分别为 2SK213、2SK214、2SK215、2SK216)早已过时。如果您可以找到它们,请使用它们。如果这样做,可能需要一些电容器补偿,以防止它们发生任何振荡。Q5 由 Q12 和 Q6 形成的 60mA CCS 供电。Q12 Vbe 是该 CCS 中的主要参考,也可用作末级的热补偿。同样,Q12 没有限制。可以是任何高 beta、低电压、npn bjt。CCS 电流可通过 Q12Vbe/R13 计算得出,约为 60mA。这将推动 A 类中的 Q5 操作并提供足够的果汁来驱动最后的自卸车阶段。Q5 和 Q6 将耗散 3W,必须安装在散热器上。

Q12 也必须安装在散热器上,因为它将用于补偿最后阶段的热失控。

将 R13 更改为 2ohm,此处可以使用锗 AC181 作为更好的温度补偿。我必须提到这个模组不会将“锗声音”带入这个放大器。对不起,锗爱好者!

R9 是作为基本止动件并避免任何可能的振荡。R7 和 R8 也是门限位器。

选择最后一对 Q15 和 Q16。

我是 Semelab-Semefab-Exicon-Magnatec 制造的横向 mosfets 的忠实粉丝,无论背后是什么公司。这家苏格兰公司是最后一批制造非常好的高功率横向 mosfets 的公司之一。我很自豪地在许多 Quasar 放大器中使用它们,它们听起来很特别。Q17 的主要目标是负担得起,而这些侧线和许多其他好东西一样,并不便宜。它们非常坚固,允许高水平的“折磨”,有时使事情变得容易,但是……有一个“但是”。它们具有小的跨导。您需要使用双芯片并并联几个芯片以获得一些不错的跨导,因为发烧友扬声器使用复杂的分频器,它们喜欢在最意想不到的频率下产生大量电流。

Fairchild,现在是 ON-Semiconductor,是一家伟大的公司,他们的遗产之一是 FQA46N15 和 FQA36P15。如果您认为这些是 P/N 对,那您就错了。现实世界中没有这种 P/N 完美匹配,但我们可以选择最封闭的。

它们的销售名称为:“飞兆半导体专有的平面条纹和 DMOS 技术。”,并附上一句,这些可能也适用于“音频放大器”。

FQA46N15 的常规跨导为 36 西门子,而 Exicon 双芯片 ECW20N20 的最大跨导为 4 西门子。这相当于 9 个双模横向。是的,非常令人印象深刻!

FQA36P15 的常规跨导为 19.5 西门子,而 Exicon 双芯片 ECW20P20 的最大跨导为 4 西门子。这相当于 4 个双侧模。 

在 Mouser 的“阴暗面”中生活着一些野兽,它们可能会让这些 Fairchild 置身于尘土之中。这些由 IXYS 制造,一对可能是 IXFK220N20X3 和 IXT​​K120P20T。它们具有 120 多个西门子跨导,能够将您的放大器转变为真正的焊机。一点也不开玩笑。如果您的扬声器以前从未被移动过,请使用一对这样的扬声器来震撼您的世界、您的墙壁、您的邻居……

通过 R11 和 R12 将这些设备偏置为接近 A 类操作。FQA46N15 和 FQA36P15 Vgs - 阈值电压介于 3V 和 4V 之间。我发现P通道FQA36P15会在3V左右打开,而FQA46N15则需要100mV-300mV。(要使两者在同一水平上运行,R11 可能会增加到 51 欧姆或更多。)

显然 Q15 和 Q16 必须安装在一个大的散热器上。 

R31C17 是众所周知的 Zobel 滤波器。C17 质量很重要。在这里使用好的丙烯,或聚苯乙烯。我更喜欢聚苯乙烯 Multicap RTX 系列。如果您不想投资太多,请选择 Arcotronix。

R26,R27.R28,C10,L1 构成电流倾倒电桥。R27&R6 是第 2 节负反馈的一部分。这将整个放大器增益设置为 [(R17+R18)/R17]x[{R27+R6)/R6]=45,6,足以让放大器在 0.7V 输入下达到 100W/8ohm。 

Q13 和 Q14 是电容器倍增器,用于减少电源纹波。(如果您使用同步整流,则不需要这些 - 见下文。)在通电期间,Q13 和 Q14 上的栅源电压很容易超过 10V 并可能损坏这些 mosfet,因此 D5 和 D6 用于保护。 

您可能注意到有 R4、R7、R8、R9、R14、R15 作为门或基塞。我总是更喜欢门限位器而不是用电容器进行补偿。

R32 将信号地平面与电源地平面分开。对这一项没有特殊要求。

印刷电路板设计

一个好的放大器需要一个特殊的电源。如果我们在这方面也不擅长,那么所有的设计工作都将付之东流。

二极管远不是一个完美的设备。没有更好的设备,只有更好的解决方案。

同步或主动整流在专业电器中已有很长时间了。第一个同步整流器(机械整流器)已在 1950 年代用于高功率和高电压应用。

他在消费者中的有限使用是由于涉及的复杂性和非常高的成本。近几年,由于绿色电力需求和电动汽车的需求,消费市场出现了几款专用芯片。

使用同步整流的优势是巨大的。同步整流器是一种采用现代 mosfet 晶体管的无二极管桥,它用一个毫欧 Rdson MOSFET 代替全波桥式整流器中的四个二极管,以大幅降低功耗、发热、电压损失和二极管开/关切换噪音。不涉及 PN 结,只有一个低毫欧导电通道插入电源路径。与任何可用的结型整流器解决方案相比,这允许大电流能力、更好的电源管理、更少的功率损耗、更少的动态阻抗变化与负载电流以及更好的电路性能。

虽然普通二极管在 1A 时具有至少 600mV 的压降,但在相同的 1A 时,低 Rdson MOSFET 的压降仅为 3mV 或更低。这比 PN 二极管好 200 倍,比肖特基二极管至少好 100 倍。 

但这如何翻译成音频?最明显的区别是噪声,因为同步整流器具有较小的纹波和开/关噪声。每个桥接 mosfet 就像一个软开/关开关。整个中到顶级频谱更干净。声音柔和,钹充满和声。另一个效果是更好的动态。由于整流器没有功率损耗,或通过二极管pn结调制,单个限流器是变压器固有电阻,声音更加生动。

我们使用 Evotronix SRL制造的两个 Saligny 标准同步整流器。它们均在 36Vac 下运行,来自 300VA R-Core 变压器。C1、C2、C3、C4=10000uF/63V 为主电容滤波器。有一个由 R3C5 和 R4C6 形成的缓冲器。这仅在使用普通二极管桥式整流器时才需要,在我们使用 Saligny 整流器的情况下,您可以跳过这些部分。R2D3 和 R1D4 是轨电源指示灯。单个电源可用于两个 Q17 模块,或者在双单声道方法的情况下使用两个。

本方案所使用的一些代码

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