Ultima第二章---钻石璀璨般的DB-01前级兼耳扩【转帖】

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Ultima第二章---钻石璀璨般的DB-01前级兼耳扩
摘自：www.diyzone.net    作者：mtlin12
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DB-01命名的由来
这些日子由mtlin12贴图在Head-Fi网站并引起热烈讨论的Diamond Buffer，正是从DT-01高压版本修改而成的DB-01前级耳扩输出级的主要架构。下图即为由两对共集极模式NPN、PNP晶体和CRD所组成的电流缓冲器。



DB-01的钻石输出架构
钻石缓冲器 (DB)，是一种许\多OP IC内部、耳机扩大机(例如DZ 的BUF634) 常见的电路，”学名”是 a complementary offset-compensated emitter follower，(漂移抵补的互补式射极随耦器)。其优点是：

1.超高速 (如BUF634达2000V/Us)。
2.大电流的缓冲器(BUF634可达250mA)。
3.没有交叉失真。并有高输入阻抗、低输出阻抗的特性，能够担任前级放大器和负载之间的缓冲。

Ultima DB-01使用分离式组件设计，比由IC OP组合而成的电路 (例如热门的META42)，能更进一步达成级数少、相位差小和低杂音的理想。此外，其供应电压可高达+/-50V，足以适应各种难缠、难推的著名耳机，同时因为其高速、高电流、高电压输出、杂音小、低失真、低输出阻抗的特性，对于各种难缠的后级或是容抗高的讯号线，皆可迎刃而解。

所以DB-01是少数可以兼具HI-END前级和耳机扩大机的优秀设计机种，毕竟现代人的音乐聆赏环境里，高级耳机或是称为耳边式扬声器已经越来越重要，无论是用独立式的耳机扩大机，还是前级、综合扩大机附带有耳机座，都是考虑高级音响设备时不可或缺的一环了。

图说：DB-01 V1.0 双声道PCB大小为139mm*100mm (零件与V1.1稍微不同)，尽量用高级零件，照得稍微模糊是希望网友参考就好，这张照片就有美国人蛮仔细端详的。

DB-01具有极致不凡的实力
虽说DZ才刚推出超卓不凡的STAX串迭式JFET前级，怎么我也来凑什么热闹? 我想有以下几个理由:

1.SACD极致录音的时代已经来临，我们现在需要更先进的前后级扩大机了。
2.DB-01的输入级刚好可以印证这颗LS844以及串迭式架构的优越性能。
3.可以显示DT-01架构加上DB钻石缓冲器有许\多极致不凡之处。

而至于两个串迭式JFET前级之间也存有许\多不同的设计观点:

☆JFET串迭设计的方式不同，DB-01由JFET源极接上一颗的闸极比较常见。
☆我很喜欢恒流源的电路设计，算算DB-01总共有五处恒流源之多。
☆第一级超高阻抗、低电容量、零温度效应恒流源设计，因而CMRR可以再提高。
☆第二级DB-01用单端JFET放大加上恒流源线路，并且在双边架高加稳压(我称之为Double Trestle，简称DT)，使得正负供应电压可以提升许\多倍，却仍然保有 JFET极为高解析、极优雅细腻的音质和音色。即「治大国如烹小鲜」的精义。
☆再就是DB-01比较特殊的地方，即采用两对NPN、PNP晶体管和两颗CRD (恒流二极管)所构成的Diamond Buffer，输出阻抗经测量仅约0.06Ω，电流输出可达200mA左右，静态电流超过30mA的Class A output Buffer。

DB-01 BJT钻石缓冲器 vs DT-01 MOS源极随耦器
DT-01的设计用MOSFET (可以是IRF610/9610或2SK214/2SJ77) 推挽式源极随耦器来驱动后级的两对Toshiba Power MOSFET 2SK1529/2SJ200，当然也可以将驱动板DT-01两个输出源极电阻中间接到FeedBack的位置，基本上就成为高压版本的MOSFET前级，但是经过几个月的试听和测试，我觉得用MOSFET当前级仍然有些未尽理想之处:

1.就是MOSFET输入电容量颇大。
2.就是我认为MOS当输出级，必须有相当大的静态电流才能进入线性区域。
输入电容量Ciss即使只有90pF仍会对高频响应的造成致命伤，在这方面由晶体管组成的钻石缓冲器从各方面测量的结果显然会比MOS源极随耦器表现为佳。下面我将几张照片来做说明：

图说：DT-01原先用MOSFET推挽式源极随耦器，10KHz 方波输入与输出的图形，上延稍微有些钝化。

图说：DT-01原先用MOSFET推挽式源极随耦器，100KHz 方波输入与输出的图形，上延严重钝化且上下 Slew Rate 有些不同，另外相位偏移程度也可以很明显看出。

接着，让我们再看看改为钻石缓冲器的DB-01测量结果：

图说：DB-01 10KHz 方波输入与输出的图形，这张美国人同样也仔细端详，他看到输出稍微有突起，但是无振铃(overshoot)的现象。

图说：DB-01在100KHz方波输入与输出的图形，上延下延很相似都只有一点点相位差，显示DB-01频宽极高 Slew Rate因为Diamond Buffer设计的缘故也一样很高，而且补偿电容也很简单就稳定了，性能相当优异。

就DB-01第二级放大电路的观点，本来用来驱动MOSFET电压控制组件，是可以避免JFET那实在有限的输出电流被下一级负载给瓜分，不过如果采用钻石缓冲器则不会有太多这方面的困扰，因为如果用高hfe 的Q25、Q26在共集极(CC)模式下接上高阻抗的恒流二极管，即使并联了推挽式射极随耦级较低的输入阻抗当其负载，其输入阻抗仍然相当之高，所以不至于影响第二级的JFET太多，但是这样推挽式射极随耦级的输出阻抗确实非常低，经测量估算仅只有0.06Ω左右，因此可同时推动低阻抗耳机和前级输出。最后决定将 MOSFET的DT-01前级版本改为有钻石缓冲器的DB-01。

DB-01电路工作原理简介

差动输入级
DB-01一开始时就非常注重第一级差动输入的设计，我决定用高频宽的串迭式DUAL-JFET当输入有几个因素:

1.高输入阻抗。
2.超低杂音。
3.很低的组件匹配误差。
4.低温度漂移。
5.降低输入电容以获得高频宽。
6.比BJT有更大范围的线性区域。
7.比BJT有更高的Slew Rate。

Q7、Q9、Q8、Q10分别构成串迭式JFET，至于Q7、Q8我是根据Erno Borbely他在网站贴有两篇谈到JFET的设计，是很好的文章http://www.borbelyaudio.com/ae599bor.pdf及http://www.borbelyaudio.com/ae699bor.pdf，采用2SK246BL来取代高价的LS844，那上面的JFET只要Vp值、Idss电流均够大，而且最好是恒流源专用的就可以。当然JFET的增益不够大，CMRR也比BJT射极随耦组的CMRR差很多，所以DB-01使用电流镜的主动式负载设计以提高增益，并且用SVR2当作共源极的电阻以增加线性范围。

而利用Q14 (2SK246BL)、Q15 (LM334Z)及D1所组成的超高阻抗、低电容量、零温度效应恒流源就是要尽量提高CMRR，若光只有LM334Z的恒流源，依其datasheet看在10KHz时阻抗已经降至1MΩ左右。如果再加一JFET串迭则其将成为超高阻抗，则CMRR提高，有助于共模放大时减少泄电极的电平变动，可使功\率管的中点电位稳定。R3、R4及未标示的R9、R10在此可以用跳线将它们短路，R9、R10也可以采用51Ω并将SVR2 200Ω改为100Ω。Q1的集极输出与Q9的输入是反相的，C1、C10最好用0.1uF PP质电容。



第二级串迭式单端电压放大级
此部份是我设计Ultima系列的精华所在，即我所称双边架高加稳压的串迭式架构Double Trestle DT原本是很单纯的单端JFET共源极放大加上恒流源线路，由Q3、Q4、Q17和R6、C3、SVR3所组成，Q3、Q4 P-ch JFET工作点设计在A类的中间左右，若是能配对并联，不但输出电流可以加倍，还可以降低杂音，Q17是互补的N-ch JFET所以只用一颗并且利用源极电阻SVR2来调整输出中间参考点，R6是也源极电阻，除了提供 ((1mA*R1+Q1_Vbe)+Q3_Vgs﹞/R6 ≈ 6mA的电流外，也和SVR2一样可以增加放大器的线性范围，C3则可以增加在中高频时的增益，不过我不喜欢用电解电容，所以特地用薄膜塑料电容来代替，数值不需很大。

以下是用EXCEL模拟Q3、Q4的Id图形(纵轴单位:mA)以及加上R6源极电阻之后与Vgs电压的关系(横轴单位:V) 粉红色的线是原本Id=Idss*(1-Vgs/Vp)* (1-Vgs/Vp)的二次曲线，黄色代表其接近的直线 (表示线性与否)紫色的线是加上R6源极电阻之后的二次曲线，很像真空管的两头翘曲线，褐色代表最其接近的直线，可以看出在0.5V~1.0V之间两条线几乎是重迭的，其意义就是在这范围内即使没有负回授，其失真依然很小。

这里因为采用JFET当恒流源所以阻抗也非常高，因此电压放大率Av也很高，总体而言第一、第二级的增益很大，有适当的负回授，失真度就会变成很低。



为何要在双边架高加稳压来串迭
但是一般JFET的耐压都不高，而且我认为其工作电压Vds也不宜太高，最好还需要有稳压，因此DT-01的这个串迭架构就成为必要，这并非我的创见，只不过一般的电压参考都是用zener稳压二极管，再并上电解电容而中间就简单用一个电阻以提供必要的电流 (如Borbely)，或是像VIRGO用LED晶体管串迭再接到恒流源线路上。我希望能在这部份作出更严谨的电路，而且又可以另外创造出stand-by的电路。

☆首先我将晶体管改为达灵顿接法，如此Ai电流放大率可以因hfe大增而更接近于1，而且阻抗更低。
☆采用达灵顿接法的另一项好处是hfe特高，所以C2、C11不必使用大电解电容。
☆DB-01采用高耐压的晶体管可以大幅增加供应电压至+/-50V，DT-01更进一步可达+/-150V的电压驱动。
☆Q23、Q24采用Vbe倍增器接法，动态电阻低，加上利用Q16当恒流源，使输出电压更稳定。
☆如果再加上stand-by的电路，就能控制Q16的开或关，进而控制Q5、Q6、Q18、Q19达灵顿晶体管的开或关，使后面的输出级可以进入shutdown模式，因而省电。不过DB-01建议用DZ SPEEDO等并联式稳压器，所以无法获得省电效果，因此DB-01取消这项功\能。
☆再一个高频宽的串迭式电路，而且其Q3_闸极到Q6_集极之间的相位补偿电容只用22pF就很稳定了。

DB-01 钻石缓冲器的工作原理
一般钻石缓冲器的输入晶体管的基极是接在一起的，例如下图Burr-Brown在超高速模拟IC技术一篇文章提出的OPA660电路架构一样。但是在DB-01里面的输出级推挽式射极随耦器我用了两颗1W 10Ω的射极电阻，所以我把Q13的CB相接等于是diode，就有Vbe/20Ω≈30mA够大的Class A静态电流了，Q20的Ib=30mA/(1+hfe)对2mA的CRD而言很小了，若是照Head-Fi ppl先生的讲法还可以在Q20、Q21的基极前面加上R*，以调整“Q”度，阻值为何我没有实验，应该100R左右，但DB-01的PCB蛮紧凑的所以距离不长，即使短路也没关系。

至于先前有介绍Q25、Q26为共集极加上高阻抗的CRD，Q25的最大Ib=2mA/(1+hfe)，假如hfe>200那从Q3、Q4流向Q25大约只有10uA而已，对JFET而言影响很小。由于Q20、Q21均为主动，所以没有任何交叉失真存在。



DB-01的组装与调整
DB-01的PCB在工厂出货时已经做过Open、Short测试，所以即使电路走线很密除错时也不会太难。当初第一版LAYOUT时我为了保密，并未附加零件图面，由于DB-01上面的OPTION接法与零件不少， DIYer必须依照另外附上的零件图并且对照零件表才能完成，例如以下的三种前后级接法就略微不同：

1. DB-01前级无Stand-by电路。

2.DT-01 MOS驱动板2SK/2SJ版 。

3..DT-01 MOS驱动板IRF版。

为了PCB能够更紧密，当初电阻是以1/4W设计的，长度也只有10mm比一般1/2W的12.5mm小，若使用DALE电阻会稍微拥挤，晶体管等腰三角形的顶点大多数为基极，唯有Q6、Q19要留意，上面的电容均为无极性的塑料材质，LED1、LED2可以短路或者留下当指示灯，不会对音质有不良影响，但是输出电压的幅度会稍微受到限制。

Q9、Q10建议用内镀金Socket，可以适合LS844兼NPD5566，若是用14 Pin的IC Socket，则建议Q7、Q8也插入Socket，配对完成后再将JFET焊上。有些红线指示的地方是要跳接，或者短路。SVR1短路，R16不装使得偏压固定在Vbe，不会因为偏压调太高而烧毁晶体管。

SVR3调整方法为先将Q1、Q2的集极电压调整到相同，由于JFET的电流会隔些时刻才会稳定，所以几分钟之后再调整一次，然后调整SVR2，(在这之前我通常会先调整至SVR的中间再焊接)，SVR2原本应该是调整到Q9、Q10的泄极相同电压，但是我自己却只是当作中点调整，DB-01的中点调整通常可小到+/-2mV以下。

调整的工作不算困难，比较重要的功\夫是JFET的量测与配对，虽然SEPP的架构对配对不像全对称推挽式电路那样讲究，但是像Q1、Q2的电流镜PNP晶体管，Q3、Q4并联的JFET，Q7、Q8串迭用的JFET最好还是挑选很接近的当一对，至于Q17应该挑选Idss>0.5*(Q3+Q4)的为佳。C7依据ppl看法如无振荡最好拿掉，可以不用。

注:C2、C3的标示以PCB1.0为准，C2(1.1图的C3)脚应与Q3的源极相接，标示R5-Q23-R7以及R24-Q-R23 是因为PCB1.0设计的位置是给电阻使用，如此不但是要挑选JFET或CRD的Idss，稳压达灵顿对的输出阻抗也增加，所以建议用Q23、Q24先各自以骑马式焊接R5、R7以及R23、R24然后再将C、E脚分别焊接到预留的位置，注意C、E极的标示，用三用电表量两端的DC电压应约为+/-9.6V左右。

CRD1、CRD2因为PCB1.0各少了一个+/-VCC的孔，请按照零件图的方式跳接。原PCB也没有预留散热片插孔的位置安装时请留意。至于分离式双声道之间哼声的干扰我依旧用Eric Chu建议的Pass电阻约0.2~0.5Ω解决，即输入讯号的地，有一端连同VR的地皆以Pass电阻分隔，输出级到负载的地则接到稳压电源的共地。

DB-01是极致钻石级的耳扩兼前级扩大机之一，值得DIYer最精良细心的制作。

DB-01建议使用并联式稳压器
我建议使用并联式稳压器才能真正发挥DB-01高速、大电流输出的特性，照片中我用大宝二号修改的并联式稳压器输出为+/-24V、320mA，变压器是用T96 O型变压器。这照片DB-01另外使用了DT-02的Relay PCB，一般的DB-01是没有如此复杂，也没有必要，因为这个DEMO板是有Stand-by电路的，正式的DB-01没有。

很多人已经拥有的SPEEDO并联式稳压器，若是用T96我建议串联成为0-15=0-9、0-15=0-9使用，如此两个9V之处就变为24V，而中间的0-15、0-15也可以另外使用于其它地方，例如喇叭保护器、DC-SERVO等。如果要电流更大建议将R1、R13再并联2W 10Ω电阻使阻值成为5Ω，这样电流大约有260mA左右，电压一样最好是+/-24V就好。如果想要将电压再调高到+/-30V，那目前只有使用DZ的T270较为合适，但体积太大了。

Ultima第三章即将进入介绍 150W MOSFET后级扩大机，敬请期待。 Ultima DB-01前级/耳扩PCB供应计划
钻石缓冲器 (DB)，是一种许\多OP IC内部、耳机扩大机(例如BB的BUF634) 常见的电路，”学名”是 a complementary offset-compensated emitter follower，(漂移抵补的互补式射极随耦器)。其优点是：

1.超高速 (如BUF634达2000V/Us)
2.大电流的缓冲器(BUF634可达250mA)
3.没有交叉失真。并有高输入阻抗、低输出阻抗的特性，能够担任前级放大器和负载之间的缓冲。

Ultima DB-01使用分离式组件设计，比由IC OP组合而成的电路 (例如热门的META42)，能更进一步达成级数少、相位差小和低杂音的理想。此外，其供应电压可高达+/-50V，足以适应各种难缠、难推的著名耳机，同时因为其高速、高电流、高电压输出、杂音小、低失真、低输出阻抗的特性，对于各种难缠的后级或是容抗高的讯号线，皆可迎刃而解。

所以DB-01是少数可以兼具HI-END前级和耳机扩大机的优秀设计机种，毕竟现代人的音乐聆赏环境里，高级耳机或是称为耳边式扬声器已经越来越重要，无论是用独立式的耳机扩大机，还是前级、综合扩大机附带有耳机座，都是考虑高级音响设备时不可或缺的一环了。

备注：本产品由「极致音响」（mtlin12）规划设计，DZ代理销售。

Ultima DB-01前级/耳扩PCB开始供应！