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从47电路谈起——个人做47电路的总结

 liukai007 2008-10-22
首先介绍一下,小弟我是学模拟电路设计的,最近才发烧到耳机领域来,所以当我看到47电路的时候,就想自己做一个,体会一下。前段时间,总于吧自己的47二房做好了,总结自己做的经历,感慨万千,再加上正好DIY版块有同学想讨论47电路,所以我就把我知道的东东写下来,和各位同学讨论。
再次申明,一来我比较菜,写的东西很有可能有错,大家帮忙指出;二来我主要做电路设计的,所以理论方面分析的比较做,说到动手,嘿嘿,我自己做的耳房,性能还不好呢。这张是47的电路图,说句实话,这个电路间接明了,做得非常好。首先我们分析一下这个电路。



这张是47的电路图,说句实话,这个电路间接明了,做得非常好。首先我们分析一下这个电路。

从结构上说,电路由两块运放组成,其中IC1a起到放大的作用,IC1b形成跟随器,进行电流扩充,增大驱动能力。

从信号的走向上来说,信号首先经过一个音量控制电位器,信号的一部分通过一个由0.47uf和100K电阻构成的高通,到达IC1a的+端。IC1a的—端接了两个电阻,分别是4.7K和10K的电阻,这2个电阻构成了反馈网络,提供了约3.1倍(1+10/4.7)的电压放大倍数。IC1a的输出分2路走,一路通过47欧姆的电阻,达到耳机的输出;另外一路,连接到IC1b的+端,由IC1b构成的跟随器,在通过另外一个47欧姆达到输出。
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下面针对每一个元件,结合我做这个二房的体会,小弟我胡乱乱说2句。
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1、 音量控制电位器。也就是我们常说的音量开关。对于这个音量控制电位器是否需要,我曾经犹豫了一会。因为我个人认为“Simple is the best”,如果加入这个电位器,这个电位器将会引入不必要的噪声和非线性问题,而且我用的音源是随身听,已经有了音量控制电位器,所以在我做的耳房中,没有加入这个电位器(其实一个主要原因也是我手上没有比较好的音量控制电位器)。


但是等我的二放做出来,发现这个音量控制电位器还是非常有用的。这不是为了控制音量,还是为了减少前级音源的本底噪声问题。在我使用自己做的耳房的时候,就发现前级的音源(松下Ct570)有一个本底噪声,在CD直接推耳机的时候,CD本身送出的信号比较大(虽然有失真),本底噪声察觉不出来,但是用了耳房以后,CD本身送出的信号比较小(这时候信号线性度很好),本底噪声就察觉出来了。考虑到本底噪声是一个相对固定不变的值,如果安装了音量控制电位器,就可以让CD输出相对较多的信号,让本底噪声的相对比例下降。

后来我找到了一个音量控制电位器,装上去以后,的确降低了CD的本底噪声,但是需要注意的是要适当提高电压放大倍数,我将10K的电阻又换成了15K的

但是必须注意的是,这个音量控制电位器在信号的输入通路上,它的好坏直接关系到二放的好坏,所以如果有条件的话,还是选取好一点的电位器。


2、 0.47uf和100K电阻构成的耦合网络


首先一点,这个网络在信号的输入通路上,所以不能马虎。
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这其中,我觉得这个0.47uf的耦合电容非常有讲究。前2天在DIY论坛上有同学说用大容量的电解电容是否可以,我觉得这里就牵涉到一个电容特性的问题了。电解电容的特点在于它的容量大,但是非常不幸的是电解电容的容值对频率而言不是一个定值,在频率升高以后,电解电容的容值变得随频率变化,这就不满足我们的需要了,要不然,做出来的二房对低频放大倍数和对高频放大倍数不一样,那就失真了(这个是不是传说中的低频肥大?)。所以这个电容采用CBB等比较好的电容,要求在一定频率中,针对各个频率的响应都比较平坦(也就是图像是一条直线)。在这个0.47uf的电容上,我选择了红威马的0.33uf的电容(因为手上只有0.33uf的这个电容)。

至于100K的电阻,理论上也应该用好电阻,但是由于我手上没有什么好电阻,只好用了很一般的电阻,需要注意的是左右2声道需要配对。


3、 4.7K 和 10K 电阻构成的反馈网络


需要注意的是这2个电阻的比值构成了整个电路的放大倍数(暂时忽略47欧姆输出电阻的影响),这个电压放大倍数大约在3.1左右。一开始的时候,我觉得这个放大倍数太低了,所以把10K的电阻改成了15K,电压放大倍数提高到4.1,但是后来发现电压放大倍数太高了,不合理,又老老实实的改成了10K,这才比较均衡,所以建议各位同学做的时候,还是选用10K电阻比较好。


***********后来加上了音量控制电位器,又用了15K的电阻,通过音量控制电位器调节输出信号的强弱********

至于这2个电阻,当然了,有条件的选择好电阻,如果没有条件的,我个人认为只要选取相同材料的电阻就可以了,因为这2个电阻本身就是取一个比例关系,只要比例不变,问题就不大。


4、 输出的47欧姆电阻

说句实话,我第一眼看到这个47欧姆电阻的时候,没有理解这个电阻是干什么用的,但是分析了一下以后,觉得这2个电阻放得非常好,的确是高,实在是高。

这个电阻的作用我个人认为主要是由于电路的其他元件(如电阻、电容)以及运放本身的不匹配引起的。打个比方说,如果没有这2个电阻,在某钟情况下,运放IC1a要输出4.000V,在这时候,运放IC1b要输出4.1000V,这时候如果把2个运放的输出直接相连,那2个运放输出就要“打架”了,一个要4.000V,一个要4.100V,到底输出几伏?在这种情况下,就很容易损伤到运放的输出级,也很容易在输出端造成很大的电流(输出4.100的运放向输出4.000的运放灌电流)。但是,如果加上了这个47欧姆的电阻,那问题就解决了,就算2个运放输出有不匹配,没有关系,相差的部分在电阻上消耗了,就没有问题了。

至于47欧姆这个电阻的阻值,我个人认为,针对不同的耳机,需要修改。比如说针对低阻耳机,这个阻值就需要适当的降低,要不然放大的电压全部消耗在这个电阻上了,耳机得不到有用信号了。我的个人建议是这个阻值取耳机阻抗的10~20%,因为我用K66(低档了一点,大家不要笑话),这个阻值我取8.2欧姆。

5、 运放

哈哈,到运放了,这个可是小弟我的特长了,我就是专门作这个东东的,哈阿

好了,说正经。在47电路中,个人觉得,可以用得运放很多,从1、2块钱的NE5532到大几十块的AD827都可以,不过如果您用AD827的话,那也稍微太有钱了吧?其实如果是自己DIY的话,一般来说焊接的水平都不高,所以用AD827比较浪费了,我用的就是NE5532(哎,其实是没有钱,只能买得起这个)。

也许有同学想知道为什么不同的运放价格差这么多,在性能上有什么区别,哈哈,小弟我就卖弄一下了。

运放有很多参数,个人觉得,对于做二房来说,比较重要的是带宽增益积,也就是说在信号增益为1时候的频率。比如说NE5532的带宽增益积是10MHZ,看起来很高,其实芯片的-3dB点在1K左右,也就是说在1K信号,衰减了30%了。再看看AD827的参数,AD827的带宽增益积是50MHZ,芯片的-3dB点在10K左右,档次比NE5532提高了不少。不过这个价格也贵了不少。需要注意是这时开环的情况,闭环的时候-3db点就扩展很多了,不在是1K和10K了,这就与反馈的网络有关了。






6、 题外话,自激问题


在做二房的时候,很容出现自激现象,自己现象,简单的来说如同上面,出于某钟分布点容,分布电感等等了,运放的输出端的输出信号中某一频率经过了180度转向,到达了运放的负端,然后通过运放在放大(不巧的是对于这个频率放大倍数大于一),再到输出端,再回到运放的负端,那就震荡了,系统就完蛋了。

好在系统的震荡频率都比较高,都是MHZ数量级的,所以解决的办法也很简单,在运放的负端和地之间加上一个小电容,注意要用陶瓷电容(对高频响应比较好)。


这我做这个47二房过程中,得到了很多同学的帮助,觉得也应该把自己的心得写下来,和大家一起讨论,同时也给后来的同学可以借鉴参考的东西,哈哈。

不过再次申明,我还是比较菜的,自己的理解肯定在很多地方有问题,各位同学一起讨论。

7、失调问题的讨论

自己做好了47电路,但是发现存在一个问题,就是输出信号中含有不小的直流分量,一开始的时候有80mV左右,后来改善了走线(我的板子是手工焊接的,走线很不好),降低到了4、50mV左右,再也降不下去了,很是解释不通,测量运放2输入端,电压相差0.2mV左右,但是出来就有了4、50mV,一直没有理解是怎么回事。
后来,一个偶然的原因(我找到了一个音量控制电位器),焊接上去以后,发现失调电压变小了,只有了20mV左右,于是很鼓舞,仔细分析了一下电路,觉得自己没有改动多少,唯一变化的是改变了运放输入端的等效电阻,于是联想到是否是由于运放2输入端等效电阻不同造成的失调?于是很小心的调整音量控制电位器,看看随着电阻的变化是否失调电压也发生变化?结果很让人振奋,随着音量控制电位器的调整(也就是滑动电阻器)的变化,失调电压随之变化,在2反馈电阻分别是4.7K 15k的时候,音量控制电位器调整到约10K电阻的时候,输出失调电压基本上将为零(由于自己工艺水平不行,左右声道还不是完全匹配,大约差1-2mV左右)。这下完全明白了,由于由于运放2输入端等效电阻不同造成的失调。

找到问题,还需要解决问题。现在的问题在于,如果为了降低输出失调,将音量控制电位器调整到合适的位置,那么二房的放大倍数不够,用示波器观察,放大倍数只有在1. 1倍左右,远远不够,等于没有放大,于是想到更改那2个反馈电阻。为了避免过大的变化反馈端的输入电阻,4.7K的电阻我没有动,而是将15K的电阻一下子变成了82K,将放大倍数提高到了约18倍,呵呵,厉害了一点点。然后再调整音量控制电位器,同时测量输出的失调,基本上再上次位置附近,找到了一个比较平衡的一段,这时候输出失调比较小,左右耳机都控制在正负3mV之间,同时,电压放大倍数2~4倍之间。个人感觉是个比较好的平衡点,现在就在听呢,感觉不错,哈哈。


当然,这不是最好,也不是唯一的解决方案,只是我在做这个电路中遇到的问题,所以写出来,供大家参考,上面的数据,我还没有具体分析。还有一点,还不知道我用的5532是否是真货?上面表明是TI的,不知道是不是假冒的。

总结一下,运放2输入电阻的不匹配,给输出带来失调,各位同学做电路的时候不妨留心一下,针对失调做一定的调整。

8、运放电压的讨论


有同学讨论到运放的电压和放大倍数的问题,我结合我知道和大家讨论一下


就运放的输入输出信号如上图(手画的,比较简陋,大家就将就一下吧,哈哈)。从这个图上,可以看出,只有在2个输入信号比较接近的时候,放大信号最好,最线性,如果型号大了,就开始失真了,特别是信号大的时候,失真非常严重。个人感觉这就是我们需要二房的原因。如果要推高阻耳机,同是要有一定功率的话,就要输出的信号大,但是如果用比较小的电压供电,那得到的大信号失真非常严重。

说远了,图上有2个图,一个是底电压的,也就是在中间的线,一个是比较高电压的,也就是上面和下面的线。从图中我们可以看到,电压的提高,可以让那段线性区域的范围大一些,这样,就算前面输入信号幅度比较大,运放也可以保证输出的信号有很好的线性。

其实这个是比较简单的解释,其实在这个曲线上,除了两输入相等的时候那个线的斜率是知道(也就是放大倍数),其他地方都是曲线,加大电压,使得曲线于直线的误差相对变小。比如说用双9V供电,输出信号正负10mV,线性失真1%,那么用双15V供电,同样输出信号正负10mV,线性失真就可能降低到0.3%。(注意,数字只是打比方)

但是需要考虑的是运放能承受的最大电压,如5532的最大电压写的是22V,标准电压是15V,我个人认为放到15~18V就很好了


以上是我对电压的理解,不知道对不对,各位同学补充阿 

9、运放放大倍数的讨论

至于放大倍数的理解,我觉得这个要综合考虑,放大倍数是通过2个电阻来反馈达到的,而运放的波特图如上(手工花的,比较难看的说)。


从图上可以看出,放大倍数越底,频带越宽,也就越稳定,但是问题是放大倍数低了,那就没有二房的意义了。放大倍数高,频带就窄了,所以这个要在2者之间平衡选择。一般来说,个人建议放大倍数的上限是20倍左右,再高了好象问题很多。很多音频放大芯片,如LM1875、LM3886,这些都推荐20倍的放大倍数。

当然了,如果想2者都要,那还有一个办法,就是换运放,环好的运放,带宽增益积大的,这样就可以扩展频带,当然,好运放,这个价格也上去了,哎。


不知道我的理解是否有问题,各位同学补充。

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