致敬劳动者——12小时手作“签名版”音频功放纪实
今天是五一劳动节，伟大劳动人民们的节日。 飞朱以一台纯手作功放致敬劳动者。此贴记录了飞朱“签名版”音频功放：飞朱1号（型号PA02Mini，有没有PA01？有，不过那是几年前的事了......）从：电路设计 -> PCB绘制 -> PCBA（电路板总成）制作 -> 整机装配 -> 测试的全过程。其中，PCBA制作和整机装配总共花费了12小时，这就是题目的由来。 PS：本文字数较多，需要点阅读耐心。
玩音响的老炮儿管自己DIY的音响器材叫“土炮”，这个“土”有多种含义：或土在外观，或土在零件，或土在性能，或甚至只为了图个响。然而，身为“准专业”硬件工程师的飞朱，岂能容忍“土”这个标签？所以飞朱DIY的目标就是：产品级的设计，Niubility性能甚至Saobility外观。 飞朱这次做的是纯模拟的音频功率放大器，只遵循一个原则：忠实的放大模拟信号。用集成电路自然b格不够，所以飞朱1号一共使用了32个三极管（一声道16个）。罗列一下设计规格： 1）功率：20W*2 RMS 连续，50W*2 RMS短时，8欧姆负载
2）增益：18.8倍
3）输入灵敏度：1V RMS 4）输入阻抗：10K ohm Min 5）整机尺寸尽可能小，匹配260mm面板宽度的机箱。
PART1 原理图及PCB设计下图是飞朱1号的原理图（慎用！有小Bug，或引起爆炸，原理图尚未更新）图1，飞朱1号功放原理图 这里简单介绍下设计要点，模电小白可以直接略过。 1）输入Q101 Q102构成差分输入对，作为电路的输入级。为了增加这两个管子的线性，输入级尾巴电流被设置成了6mA，因为三极管的非线性主要体现在发射级电阻re，增大电流能降低这个re。然而增大电流会提高三极管的跨导，输入级的优化目标主要是为了线性，而非增益，过高的跨导会降低电路相位裕度，所以增加R103，R104作为本级负反馈，降低了输入级的跨导。
2）Q103，Q104作为差分对的镜像电流源负载，主要目的是为了平衡Q101 Q102的静态电流。模拟电路课上，我们都学过差分对的电流是相等的。残酷的现实告诉我们，这其实是一厢情愿，除非Q101 Q102性能完全相等。那为什么非要静态电流相等呢？因为这能极大降低3次谐波。由于世面上高电压(Vce > 50v)的直插独立发射极的匹配三极管已经绝迹，比如2SA1349，而手工挑选管子实在是劳民伤财，所以这里使用镜像电流源负载确有其成本优势。
3）Q107 Q108构成了电路的VAS级(Voltage Amplifier Stage)，Q107作为插入的射级跟随器是这个VAS级的精华，能极大降低VAS级失真。
4）输出Q111，Q112，Q113，Q114构成了倒置达林顿输出级。由于是集电极输出，所以这个输出级在极小的静态电流下也是导通的，交越失真远小于射级跟随器输出。然而这样的电路用的人并不多，可能是这个输出级有时会震荡，解决方法也很简单，在Q111 Q112发射级插入一个小电阻即可。 下图是飞朱1号的PCB设计：
图2，飞朱1号功放的PCB设计 垃圾的PCB布线能让一台指标优秀的模拟功放瞬间变成一台鸡肋。所以飞朱1号的PCB设计虽然看上去凌乱，实际上非常考究。在有限的PCB面积上实现了：大小信号的隔离，星型接地，输入屏蔽等技术细节。如果要细细讲，可能得花上好几个小时，这里就从略吧。
PART2 PCBA（电路板总成）制作 顺便吐槽一下，本来飞朱准备用号称能超越单反的华为P30Pro拍摄图片，后来才发现，所谓的超越只不过是YY，古董级D7K+60mm F2.8 Marco直接把华为秒出翔。 图3，飞朱1号功放PCB 拿到PCB后，需要再检查一下PCB生产和设计是否存在BUG，虽然已经是第N版，但仍有几处丝印错误，哎......确认好BUG，就可以开始焊接了。先焊接最矮的元件：直插电阻。
图4，电阻焊接
对了，助焊剂在焊接时挥发的有机蒸汽是有毒的，建议各位硬件工程师在焊接的时候，佩戴3M的防毒面具，真的一点也闻不到助焊剂的味道，又能顺便锻炼肺活量。
图5，推荐焊接时佩戴3M防毒面具
接着焊接第二层高度的元件，比如三极管以及接插件。图6，焊接第二层高度的元件 最后，焊接高位元件，比如电容等。图7，放大部分PCBA焊接完成
焊接整流滤波及扬声器保护电路PCB。
图8，整流滤波PCBA焊接完成
一波PCBA总成美图图8，放大部分细节1图8，放大部分细节2图8，放大部分细节3图8，放大部分细节4图8，电源部分细节1图8，电源部分细节2图8，电源部分细节3
PART3，整机装配 首先飞朱需要准备散热器。功率三极管安装孔以及散热器安装到机箱底板的安装孔，需要用2.5mm钻头打入散热铝10mm，同时使用3mm丝锥制作螺纹。在攻丝时，滴入机油可以让攻丝过程更顺滑。由于需要准备7个螺丝孔，报废一个意味着整个散热器报废，所以这里需要特别小心。飞朱在这个环节花费了差不多1个小时。图9，丝锥攻螺纹图10，丝锥的扳手
图11，散热器准备完成 准备完散热器，就可以安装大功率输出三极管，这里飞猪选用了日本Sanken的2SA1386A和2SC3519A。这两个互补三极管具有180V耐压，15A电流以及高达130W耗散功率，用在飞朱1号上有点杀鸡用牛刀的意思。不过，由于是三肯的畅销款，所以价格非常具有性价比，而且具有50MHz ft以及100以上极佳线性的Hfe，强悍的性能真的非常适用于音频功放。图12，安装Sanken大功率三极管图13，2SC3519A 2SA1386A特写
图14，换个角度看看 至此，飞朱进入整备机箱阶段。本着节约成本的原则，飞朱选用了丽扬五金生产的S260铁铝结合机箱。这个机箱成本不过100元。但是拿出机箱配件后，飞朱发现此面板电位器开孔并不适配我常用的Alps50型电位器。没事，简单DIY一下就好，需要用到DIY不常用的台阶钻。
图15，台阶钻 同时，需要对电位器的长度截短，以适配S260廉价的音量旋钮。
图16面板电位器修改完成 Nice，面板DIY完成！
图17，面板DIY成功 面板整备完成后，需要整备机箱底板，精确开安装孔。这需要耐心定位，装配时才不至于抓狂。机箱一共需要开16个安装孔。
图18，底板钻孔完成 最后一道步骤，就是拧螺丝和布线了，由于这个工序相当繁琐，但也没啥好多说的，就用一波图来代替吧。
为什么说这个功放是“签名版”呢？原因是飞朱用油性笔在面板上签上了大名啊，哈哈哈！
图19图20图21图22图23图24图25
图26，试听中，体积对比IPAD Mini
PART4，测试指标 最后，上一些测试参数，这是之前的测试版测试的结果。抱歉，手机拍摄屏幕，图像质量相当差。图27, THD+N @ 20W 负载8欧 从图可以看出，1Khz的THD+N<0.001%(-100dB)，而20Khz的THD+N缓慢上升到0.004%。图28, THD+N @ 50W 负载8欧 加大输出功率对飞朱1号性能影响不大。图29，A计权输出噪音，源阻抗140ohm，输出噪声14.x uV
总结，飞朱1号功放应该算是一个成功的设计，不论是从成本还是从性能上来考量。
PS，本来想给大家录个音的，无奈麦克风坏了一支，而且是第一次使用，只能作罢，Daytone不靠谱啊！
咳咳，模电基本没啥好搞了，大甲是乡下人爱弄，铁甲威龙装下逼，啥啥噪声，谐波失真再讨论也没意思，关键是转换速率，方波响应，听说没啥人敢说 dfying 发表于 2020-5-2 13:29
我以前也做过，LZ有空能练练书法吗？
emm...我看来得签个中文名字，狂草体 赞一下楼主动手能力
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