高品质全集成电路耳机放大器.pdf

2010年第5期 高品质全集成电路耳机放大器 徐轶 图1LME49600的内部结构 主要参数和引脚连接 耳机的种类很多 有些产品的音质非常不错 价格也合 理 为了让耳机能在最佳状态下工作 最好配备一个放大 器 本文介绍一款用NS公司的高性能运算放大器组成的性 能和音质均非常优异的耳机放大器 由于用运放组成 具有 组装容易 元件少的优点 运放选用失真率极低 残留噪声 极小的产品 用于输出缓冲器时最大输出功率可达25mW 转换速率为2000V s 一 设计方针 要想正确地驱动耳机获得良好的音质 必须采用恒压驱 动 即负载阻抗发生了变动 驱动电压仍保持不变 盒式收音两用机和综合放大器的耳机端子大多数都是从 扬声器的输出端经100 左右的电阻后输出的 这种驱动方 式不是恒压驱动 耳机的阻抗差异很大 从数拾到数百 要恒压驱动 放大器的输出阻抗必须为耳机阻抗的1 10 1 100 即内阻应 在数 以下 这完全可以实现 对于经100 电阻后与耳机插座相连的驱动方式来说 可以在很大程度上减轻放大器的噪声 如果耳机直接连接放 大器就必须采取措施减小放大器的噪声 同时 放大器的失 真和频率特性等基本性能都必须尽可能地好 二 使用的元器件和电路 选用NS的音频专用集成电路 输出级选用LME49600 AV 实作 57 实用影音技术 电压放大级选用LME49720 放大器电路基本上沿用NS推荐的电路 只在电源部 分和总体设计稍做改动 图1是输出使用的运放LME49600的内部结构 主要参 数和引脚连接图 用它组成输出电流最大可达250mA的小 功率缓冲器 其电压放大倍数为1 0dB 电源电压范围 为 2 25V 18V 用4节干电池供电就可以正常工作 相对于输入信号 输出信号的上升沿 转换速率 特 性达到2000V s的令人吃惊的值 这对于增益为1倍的电 路来说是很自然的 该耳放前级的集成电路转换速率在 20V s左右 另外LME49600还带有一个BW 带宽 引脚 用于控 制放大电路的带宽 使用时 如果BW引脚 第1脚 不做 连接 放大电路的带宽为110MHz 如果与第3脚 VEE负 电源 连接 放带宽将扩展至180MHz 由图1可以看出 改变BW引脚的连接状态 事实上是在改变驱动级Q1 Q2 的工作电流 当BW引脚与VEE连接时 无信号时的工作 电流从7 3mA增加至13 2mA 放大电路的带宽也随之从 110MHz扩展到180MHz 该耳放即采用这种扩展带宽的工 作方式 该集成电路最大输出电流为250mA 实际工作输出的 电流由负载电流决定 负载电流由负载的电压和阻抗决 图2耳机阻抗与输出功率的关系 图3放大电路工作原理和参数的确定 照片1借助于衬垫和铝片将LME49600固定在散热器上 58 2010年第5期 定 图2为这三者的关系 左下方的三角形表示电源电压 5V时负载阻抗与最大输出功率的关系 由此三角形可知 当负载阻抗为14 时可以获得0 9W的最大功率输出 由于该耳放的电源电压选定为 15V 所以由图可知 当选用42 的耳机时的输出功率最大可达2 7W 大多数的耳机的能量转换效率可以达到90 100dB mW的极高水平 而以普通音量听音乐时耳机需要的功率 很小 0 01mW左右 所以对耳放的输出功率要求不高 也就是说 耳机在实际工作的输入功率只有图2最下 端的0 1W的千分之一 图2中所示的输出功率范围主要在 设计电路时和确认工作状态时使用 NS推荐的电路中没有串接电容 属直流放大器 并 使用了运放组成的直流伺服电路 该放大器的工作原理如 图3所示 最上边是简化后的放大电路 开环时A 1 A 2 A 3三个运放中 A 2的增益为0dB 1倍 A 1和A 2 为 40dB 1000万倍 虚线 T 1 T 2 是两个RC低通滤 波器 截止频率Fc由图中的元件参数可知 Fc 159 CR 159 1 F 1000 k 0 159 Hz 也就是说 对于音 乐信号来说A 3不起任何作用 相当于不存在 中图是交流等效电路 此时总的增益A0 1 Rf Re Re是Re 1和Re 2并联后的值 在图中为500 Rf 1k 所以对音乐信号来 说 其 增 益A0 1 1000 500 3倍 约 9 5dB 下图是直流等效电路图 其中A 3的增益 开环时 为140dB A 1输出的直流电压经A 3放大1000万倍后回馈 到A 1的输入端 总的结果是输出端的直流成分减小至原 来的100万分之一左右 采用图3的电路只要选择好元器件 抑制噪声并不困 难 前级选用的LME49720HA是一种金属外壳的低噪声运 图4稳压电源电路的工作原理和参数确定 照片2放大电路板 元件面 照片3放大电路板 布线面 AV 实作 59 实用影音技术 放 它还有采有塑料封装的产品 价格只有金属外壳的四 分之一 其参数是完全相同的 选用金属外壳是出于可靠 性和音质方面的考虑 图4是该耳放的稳压电源电路 上图是正电压的稳压 电源电路 由LME49720 塑料封装 和LME49600组成 LME49720的开环增益为140dB 1000万倍 LME49600的 开环增益为0dB 1倍 输入信号从运放的同相端输入 组成非反相放大器 其放大增益A 1k 300 4 33倍 增 益可以在1 4 33倍之间调整 所以输出电压也可以在E V 至4 33 E V 间变化 中图是负电压的稳压电源电 路 基本结构与正压电源电路相同 不同之处仅于改用负 电压供电 下图是将上面的两个电路合并后的正负稳压电 源电路 选用价格便宜的塑料封装的LME49720 实际使用时为了能与各种耳机配合使用 充分发挥 耳机的特点 在放大的输入端增添了一个网络 除此之 外 增设有进行基准校验的开关 在电源电路中还增加了 傍路电容 图5是设计完成后的放大电路图 图6是设计完 成后的电源电路图 三 制作 实际制作时 决定将放大电路和电源电路分别装在 两块常见的万用印刷电路板上 LME49600有五条引脚 必须使用散热器 并采用45 倾角的安装方式 在安装前 如图7所示 将1 3 5脚搬直 使它们与2 4脚间的排间 距 离 为1 8mm 并 如 照片1那 样 通 过 衬 垫 和 铝 板 将 LME49600牢牢地固定在散热器上 安装时要注意 所用的万能印刷电路板纵横间的孔 距为2 54mm 由于LME49600是斜着安装的 所以两排引 图5设计完成后的放大电路图 60 2010年第5期 脚的间距应该是2 54mm的二分之一 即1 8mm 焊接时务 必小心 不要让相邻的不该相连的焊点出现粘连 电路板 上需要安装的元器件不多 焊接时间不会很长 图11是机箱的加工尺寸图和电路板在机箱内的配置 示意图 机箱是选用市售的成品 左右两侧装有散热器 前面板和背板为3mm厚的铝板 顶板和底板为2mm厚的铝 板 机箱非常牢固 内部空间也相对比较宽裕 对耳放而言 机箱两侧的散热器没什么用处 只是 从美观的角度来选用的 如果希望让机箱所占的面积更小一些 可选用更高 一点的机箱 高度从70mm增加至88mm 将两块电源电路 板重叠起来安装 当然 可以根据自己的条件和喜好采用 不同的组装方式 放大器输入端用于切换网络和工作模式的开关最好 选用信号接点型开关 信号的接点容量很小 为14mA或 0 4VA 大多采用镀金触点 接点容量达数A的开关是电源等通断大电流用的 用 这种开关切换微小电平的信号时一开始时还能正常工作 图6设 计 完 成后的电源电 路图 AV 实作 61 实用影音技术 图7LME49600引脚的加工示意图图8放大器部分的电路板图和元器件配置图 图9稳压电源的电路板图和元器件配置图照片4稳压电源电路板 元件面 图10电源整流 滤波部分的电路板图和元器件配置图 同样采用万能印刷电路板 照片5稳压电源电路板 布线面 62 2010年第5期 图11机箱前面板和背板的加工尺寸图和电路板和安装示意图 但时间一长就会出现接触不良的问题 该放大器选用可直接焊接在印刷电路板的开关 将 两个开关安装在一块小型印刷电路板上 在电路板上还 安装有网络用的电阻 见图12和照片9 为让该网络衰减量的精度尽可能高 必须选用误差 为0 1 三位数的电 阻 两个声道的衰 减 量 也 应 做 到 一 致 由于没有找到 2 87k 的电阻 所 以 在 电 路 板 上 将 2 4k 和470 电 阻 串联 图5的 电 路 中 有几个电阻的阻值 加有括弧 表示即 使是使用括弧内的 两位数的电阻也问 题不大 耳机用的插头 有6 3mm的 标 准 型 和3 5mm微型两种 高档耳机几乎都用 标准型插头 但i Pod用 的 高 挡 耳 机 也有采用微型插头 的产品 所以机箱 上同时安装有两种 插座使用会更方便 一些 四 测试 组 装 完 成 后 按下述顺序对放大 器的各项性能进行 测试 首先测试电源 部分 图13是测得 的稳压电源的输入 输出电压间的关系 将输出电压设定 为12V 由曲线可知 当电压达到13V之后输出电压就恒 定为设定值12V 输入输出间的电压差最小仅为1V 而对 于三端稳压器来说 输入输出的最小电压差至少也不能小 于1 4V 图14是稳压电源输出电压与输出电流间的关系 此 AV 实作 63 实用影音技术 照片6整流和滤波电容器的电路板照片7完成后的耳放 前面的两块是左 右声道的专用 稳压电源电路板 后面右边的是放大器的电路板 图13稳压电源输入电压和输出电压的关系 输出电压设定为12V 图14稳压电源输出电流与输出电压的关系 输出电压设定为15V 照片8前面板上的音量调节旋扭 网络切换开关和模式切换开关 图12输入部分的电路板的布线图 铜箔面 照片9输入部分电路板的实际安装状态 64 2010年第5期 时是将输出电压设定为实际使用时的15V 由曲线可知 当输出电流超过250mA时输出电压就不再为15V 而是随 着输出电流的增加而逐渐下降 图15是通过接通或者断开负载测量稳压电源直流内 阻的电路 当开关接通时在负载上流过的直流电流设定为 150mA 用数字万用表测量稳压电源输出端的输出电压 测量结果表明这种稳压电源的直流内阻极小 无论开关是 开还是关数字万用表上的电压读数始终都是15 00V 图16是测量直流稳压电源交流内阻的电路 用正弦波 信号发生器输出的正弦波控制流过三极管2NC2563的集电 极电流 用直流电压表监测5 发射极电阻上的电压降 用示波器和交流毫伏表监测稳压电源输出端的电压变化 稳压电源的输出电压此时仍设定为15V 图17是测量得到 的特性曲线 可以看出该稳压电源的低频交流内阻很小 当频率升高时交流内阻会随之增大 与三端稳压器相比 其交流内阻要低很多 并且在音频频带内交流的特性曲线 几乎是平坦的 上面的测量结果表明稳压电源的性能非常优秀 超 出了预想 当然这也与集成电路的性能出色密不可分 图18是接50 低阻负载时耳放的频率特性 测量时将 1kHz正弦波信号的输出设定为 10dB 由频率特性曲线可 知 3dB点正好出现在500kHz处 表明耳放的频带可达 500kHz 且带内的频率特性非常平坦 照片10是输入 100kHz方波时示波器测得的输出电压波形 方波的前后 沿虽说有些变形 但基本形状没什么变化 图19是失真率特性 所使用的失真仪最小失真率只能 测到0 02 由图可知 当输出电压不大于7V时失真率都 很小 接下来测量恒定电压驱动负载的情况 方法与测量 稳压电源的输出阻抗相同 通过接通或者断开负载电阻 测量输出电平的变化通过计算求出其结果 首先在输出端 接入0 5 的电阻作为负载 经测量后发现放大器有无负载 图15测量稳压电源直流内阻的电路 图16测量稳压电源交流内阻的电路 照片10输入电路板上的衰减电阻 照片11衰减电阻的接线面 AV 实作 65 实用影音技术 图17稳压电源的内部阻抗特性 照片12放大器输出的2Vp p100kHz方波波形 图18频率特性 50 电阻负载 图19失真率特性 50 电阻负载 照片13完成后的耳放和索尼MDR SA5000耳机照片14索尼MDR SA5000耳机 66 2010年第5期 输出电压都几乎不变 于是将负载电阻改为0 1 此时电 流过大 波形出现了限幅 于是将信号电平调至最大 测量后得知该耳放在音 频带域内的内阻约0 015 如果用阻尼因数 DF 来表 示的话 例如对50 的耳机来说DF值为3300 DF值如果 相对于负载而言能达到100倍以上的话就可以认为是恒压 驱动 所以该耳放在恒压驱动方面十分圆满地实现了原 定目标 五 试听 试听时使用的耳机以索尼的开放式耳机MDR SA5000 照片13 14 和AKG的密闭型耳机K272HD 照片1