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发表于 2004-1-16 00:33:58
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跟我自制耳机放大器（一）
［ 作者：任保华 转贴自：耳机爱好者俱乐部 点击数：242 更新时间：2002-11-23 文章录入：电视 ］
七十年代以后，耳机技术有了迅速的发展和提高，其重放的效果几乎达到了完美的程度。而今世界上最著名的电声、电器厂家，如德国的森海塞尔（ＳＥＮＮＨＥＩＳＥＲ）、拜亚动力（ｂｅｙｅｒｄｙｎａｍｉｃ），奥地利的爱科技（ＡＫＧ），美国的歌德（ＧＲＡＤＯ）、高斯（ＫＯＳＳ），日本的铁三角（Ａｕｄｉｏ Ｔｅｃａｎｉｃａ）、索尼（ＳＯＮＹ）更是生产了大量不同系列不同规格的优质耳机。这些耳机中有的频响超越了人的听觉范围（２０Ｈｚ——２０ｋＨｚ），达到了５Ｈｚ—３５ｋＨｚ，谐波失真和互调失真也减少到了小于０．１％的高标准。它们的音质已明显超过扬声器放声系统。德国著名交响乐指挥家卡拉扬，在对比了很多立体声扬声器系统、耳机系统以后，曾经非常肯定地说：后者能够更好的重现音乐的立体感，因而具有更强烈的临场效果。
但是，绝大多数的优质耳机仅仅凭借随身听、ＣＤ机、ＭＤ机、ＭＰ３机或者电脑声卡来推动是远不能发挥出它们的优异性能的，在很多情况下还需要一个中间设备——耳机音频功率放大器Ｈｅａｄｐｈｏｎｅ Ａｍｐｌｉｅｒｓ，通常简称为耳放。那么什么是耳放呢？就让我们来给它一个确切的定义吧，耳放——就是提供给耳机放声系统音频功率、并对其重放的音色、音量及立体声状态进行调节与控制的独立装置。所谓的独立装置，是相对于有些机子中内置的耳放电路而言的。我们不把这些内置的耳放电路定义为耳放的范围。
实际听音证明，耳放的作用的确很大，而且不同结构的耳放具有不同的声音风格和特点，很值得耳机和音乐爱好者们玩味。可是市场上的商品耳放动辄千元以上，电子管耳放更是价格惊人，而且品种又少，很难满足我们的需要。所以在“ＤＩＹ”风日盛的今天，“ＤＩＹ耳放”也应成为一种时尚。自己动手“ＤＩＹ耳放”可以随时改变线路，聆听不同线路搭配引起的声音微妙变化；还能使你领略成功的喜悦和品尝犹如咖啡般的甘苦滋味！动心了吧，那就赶快来体验这其中的乐趣吧！
“跟我自制耳放”由四篇文章组成，分别介绍“集成电路耳机放大器”、“晶体管耳机放大器”、“ＯＴＬ电子管耳机放大器”、“带输出变压器的电子管耳机放大器”的制作。每一种耳放都提供完整的电路原理图、印刷电路图和自制元件的各种数据。所有这些电路又都是经过实际制作验证过的，只要按照要求一步一步跟笔者“ＤＩＹ”下来，一定会拥有一台自己心仪、性能优良的耳机好“伴侣”。通过这四种不同结构的耳放的制作，相信大家还能积累一定的实践经验，然后举一反三，还能“ＤＩＹ”出“集成电路和晶体管”、“晶体管和电子管”等混合结构的优质耳机放大器来。
集成电路耳机放大器
在千姿百态的集成电路（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｌ Ｃｉｒｃｕｉｔ简称ＩＣ）大世界里，有一种被称为运算放大器（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ简称ＯＰ）的小角色格外引人注目，由于它能模拟数学中的加、减、乘、除及微积分等运算，便由此而得名。最初的运算放大器由分立元件构成，随着集成电路技术的发展，在数字电路集成化完成之后，尤其是美国仙童公司（Ｆａｉｒ Ｃｈｉｌｄ）首先推出了μＡ７０２、μＡ７０９、μＡ７４１以后，大批的集成运算放大器竞相而出，并在各个领域得到广泛的应用。目前仅常用于音频ＨｉＦｉ领域有口皆碑的就不下数十个品种。
用运算放大器设计电路，一般不需要复杂的电路知识，任何人都能用它来制作从音频到工业控制的各种实用装置。这里我们首先介绍的集成电路耳机放大器（见上图），就是全部使用运算放大器来完成的。这个电路综合了多项技术，是一款功能比较完善、性能比较优良的ＩＣ耳放。它具有以下特点：
⑴ 采用单运放皇作输入级，音色更加细腻、通透；⑵增加了双运放并联功率扩容，推力十足，能满足各种阻抗的耳机使用；
⑶具有立体声耳机声场模拟电路（Ｓｏｕｎｄｆｉｅｌｄ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ Ｓｔｅｒｅｏ ＨｅaｄＰｈｏｎｅｓ），效果十分奇妙；
⑷使用直流伺服（ＤＣ Ｓｅｒｖｏ），使放大器工作更加稳定，对耳机的使用更加安全；
⑸采用高性能的“有源伺服电源”，为耳放增光添色；
⑹安装镀金ＩＣ座，可方便更换不同的运算放大器，感受其中微妙的音色变化。
（图１）是耳放主机部分的原理图。
图中ＩＣ１是输入级 单运放ＮＥ５５３４Ｎ被接成同相放大器使用，具有输入阻抗高和低噪声的优点。ＩＣ１与ＩＣ２之间为立体声耳机声场模拟电路，改变电位器ＳＲ的阻值可引起声场的变化。 ＳＷ１和ＳＷ２为声场模拟电路的接入和切断四刀双掷按钮转换开关，当开关处于接入位置时声场变窄，当开关处于切断位置时声场变宽。
ＩＣ２、ＩＣ３为双运放ＮＥ５５３２Ｎ，其中ＩＣ２中的一只运放作同相放大器使用，另一只作直流伺服使用。
ＩＣ３中的两只运放并联相接，作为输出级功率扩容。下面我们着重叙述一下模拟声场调节电路和直流伺服电路。
对于耳机立体声听音系统的声场再现，有两种截然不同的看法。一种认为耳机相对扬声器有一个突出的优点，那就是没有交叉信号的干扰。当用一对扬声器重放立体声节目时，左侧扬声器的声音不仅到达听音者的左耳同时也能到达听音者的右耳，右侧扬声器也是相同的情况，这就形成了特定的交叉信号它在一定程度上冲淡了立体感。于是认为耳机听音系统的左右声道信号因分别进入左右耳，完全不存在交叉信号，立体感就更加明显。另一种观点认为，左右声道如果完全分离就缺乏交叉音，反而不能再现正确的立体声声场。于是就有人设计了立体声耳机声场模拟电路，试图找回这个交叉音。笔者通过实验美国工程师切斯特·西姆普森（Ｃｈｅｓｔｅｒ Ｓｉｍｐｓｏｎ）设计的耳机立体声声场模拟线路经过反复比较试听觉得并非像所说那么好 声场宽度明显被压缩了。但是在听一些独奏、独唱曲目时也觉得有点意思。当不接入这个电路听德德玛“我从草原来”这首歌时，一声“啊——嗨——啊”就把我带到了广阔无垠的草原上。当接入这个电路时，我立刻感到德德玛从草原来到了身边，“…百灵鸟唱起歌来…诉说我久别的情怀…”，她是在我的面前轻轻诉说，而不是像刚才在脑际迥响了，音乐是在我的客厅中飘荡，而不是来自四面八方了。真是别有洞天另有一番滋味呢！所以难以割舍，最终还是采用了这个电路。只是原设计对信号衰减稍大，于是将电阻Ｒａ、Ｒｂ从原来的７５Ｋ改为１５０Ｋ。为了简化电路，在实际制作时，也把１００Ｋ双联电位器中的Ｓｒａ、Ｓｒｂ和１００Ｋ的电阻ＡＲｓ、ＢＲｓ分别用一只１５０Ｋ的电阻替代了。如果你喜欢声场能随意调节，按图“施工”就行了。另外还应该说的是，当你播放“仿人头录音”或“真人头录音”的ＣＤ片时是应该切断此电路的。
说到伺服Ｓｅｒｖｏ，这原本是一种机构，叫作伺服机构（Ｓｅｒｖｏｍｅｃｈａｎｉｓｍ）是一种对机械运动实现自动反馈控制的系统。如ＣＤ机中的聚焦伺服、循迹伺服、滑动伺服、主轴伺服等等。所谓直流伺服（ＤＣ Ｓｅｒｖｏ）它实际上和机械毫不搭界，它是将放大器输出的直流变化量经过积分（可理解为在一定时间内，各瞬间变化量的集合。在高等数学里积分是微分的反运算，也就是微分之和。）后，再通过运算放大器处理，最后反馈到放大器输入端，进而调整放大器输出端直流电压的自动反馈控制电路，它是对付放大器两大杀手之一的“输出端直流”（另一个杀手是振荡）的有效措施。能将输出直流电压控制在几个毫伏之内，确保放大器工作的稳定和耳机使用的安全。
（图２）是电源部分原理图。
采用了Ｔｅｃｈｎｉｃｓ（松下公司）研制的号称性能凌驾蓄电池之上的“有源伺服电源”电路。Ｔｅｃｈｎｉｃｓ在干电池、蓄电池、分立元件稳压电源、三端稳压集成电源之间使用猝发信号进行试验发现三端稳压集成电源的性能较好，比较接近蓄电池。在频率很低的直流范围性能非常好，而对于音频高端的信号变化就显得力不从心。于是应用高速运放与三端稳压集成电路搭配，研制出了有源伺服稳压电源。在本例中三端稳压集成电路选用ＬＭ７８１５、ＬＭ７９１５，运算放大器选用ＮＥ５５３２Ｎ。
好了该说的基本上都说完了现在我们就开始动手吧！
首先我们应该制作的是印刷电路板（ＰＣＢ），本来也可以使用一种叫作“洞洞板”的实验板，但是那样显得不够专业，所以我们还是自己做吧。
（图３）是印刷电路图。（图４）是元件安装位置图。
印刷电路板是安装各种元件的基板，一定要选择质量好的厚度在１．５ｍｍ的板子。为了容易制作我们用单面敷铜板。按照印板的实际尺寸１６８×９６ｍｍ扩大复印一张ｌ １的印刷电路图，用复写纸把这个图描绘在印刷板的敷铜面上，一定要描绘得准确、无误。事先应该把敷铜面清洗干净并用细砂布打磨一下。用小中心冲子（也可以用一寸半铁钉）在所有需要钻孔的地方打上定位眼，然后用０．８ｍｍ钻头打孔。调好油漆，用绘图仪中的小圆仪在钻孔的地方以孔为圆心画上直经为ｌ．５ｍｍ的圆（接地的地方可以不画，待会要全部涂上油漆），个别点的直径要画大，见（图５）。
现在可以休息一下，一定要等油漆干了以后才可以接着画。想一想为什么我们先打孔，而不是像通常的那样腐蚀完板后再打孔呢？因为这样才可以确保每个孔都在印刷电路圆形焊接点的中心位置。这可是一个小诀窍呀，奉献给大家吧！
接下来用直线笔注上油漆，一次不能注得太多，否则画的线不均匀，把直线笔调整到０．８ｍｍ的宽度，按图连接各圆点。（为了大家描绘方便，所有的连线没有使用曲线），最后把接地的地方画出，见（图６）。等油漆干了以后，用工艺刀把图稍微修整一下。
在一个方盘中倒入５０克左右的三氯化铁，加入２５０克到５００克的热水，待三氯化铁溶化后将敷铜板放入盘中，见（图７）。
可以轻轻的晃动盘子加快腐蚀，或者干脆不用管它，早晚它会腐蚀完。如果你太心急，给盘子稍微加点热或干脆再加点三氯化铁好了。板子腐蚀完后用清水反复冲洗干净，并用汽油将油漆擦掉，你看非常漂亮的印刷电路板就做好了，见（图８）。
不要像有些书上介绍的那样在板上涂上松香水，那样等你焊完元件，板子就显得格外脏，日后也容易粘结上灰尘。
现在我们的耳放其实已经完成一半了，制作印刷板是最费工、费时的工作了，不过也很有趣。对了，如果你想在印刷板上腐蚀出你的标记或名字什么的，事先画上就行了，注意了没有，我示范的板上就有一个标记呀。
接下来就是焊接元件了。见（图９）。
元件在焊接前一定要用万用表检测一下数值和好坏，这样以后可以减少很多麻烦。另外你在购买零件时就可以预先测一下，最好能买到数值误差小的元件。零件在板上插上几个就把它焊上，见（图 １０）。这样插好的零件不容易跑掉，焊好的零件多余的引脚线用斜嘴钳把它剪掉。个别引线、引脚粗的元件，像电位器、耳机插座等的安装孔需要再扩一下。因为使用的是单面敷铜板所以很多地方需要用“跨接线”连接起来，“跨接线”可用剪掉的引脚线制作，转换开关的连线最好使用屏敝线对照图纸一一把它们焊好，屏敝层的一端接地。你看这就是焊完的板子，见（图１１）。
另外，在焊接过程中一定要注意两点：一点是零件不要插错地方，另一点是不要有虚焊和连焊（把相邻的并不相连的焊点焊到一块）的地方。
现在我们就先来调试一下主板。调试前再仔细把板检查一下，根据我的经验，到了这个时侯恐怕很难静下心来作检查了，不过一定要强迫自己养成这个好习惯。
临时焊接上变压器和左、右声道的ＲＣＡ插座，只插上ＩＣ４运放集成块，给电吧。用万用表测一下整流过后的电压，应该是３０Ｖ左右，稳压输出的电压是＋１５Ｖ、－１５Ｖ。可能有些微小差异，问题不大。如果差别较大就要换稳压集成块看看了。然后测一下所有ＩＣ座上的供电电压也应该是＋１５Ｖ、－１５Ｖ。断开电源，插上所有运放块，再给电，用万用表直流２．５Ｖ档测一下耳机插座左、右声道对地的电压，正常情况下电表指针只有一点点移动看不出移动更好，当然你要有数字表或毫伏计那就更好了，只要不超过５—６ｍＶ就没什么问题。如果正常就插上耳机吧。为了避免在调试中发生意外也可先用一个廉价耳机实验。接上音源，再调一下音量电位器，反复按动模拟声场转换开关按钮，一定会感觉到明显的声场变化，是不是很有趣呀！
业余条件下耳放的外壳是让人有点头痛的事，不过现在电器元件市场有许许多多的仪表成品盒子可供我们选择，到那儿买上一个大小合适、自己喜欢的回来，安排好开关、各种插座、指示灯、保险、电源线的位置并打好孔，再一一把它们安装好，见（图１２）。
最后焊接它们和主板的连线，固定好主板就行了。为了减少交流声，缩短输入端到音量电位器之间的连线长度，我们将电位器布置在了印刷电路板的后侧，这样还要做一个延长杆，你看这是用废拉杆天线做的，既漂亮又好用，在电位器柄上缠绕二层双面胶条将延长杆紧紧套上就行了。最后安上电位器的旋钮和模拟声场转换开关的按钮我们的耳放就大功告成了，见（图１３）。
上盖可以先不盖，等到你看够了、机器也煲好了、各方面都没什么问题了再盖上它吧。
在这篇文章的最后我们再说说元件的选择和几个要注意的问题。这个耳放使用的元件都是市面上比较容易找到的普通品种，电源滤波使用电解电容，其它的使用小型的ＣＢＢ电容和云母电容，只有１０Ｐ和３３Ｐ分别用了瓷片和独石的。电阻全部使用五色环金属膜电阻，至于电位器为了固定起来结实，用的是带等响度补偿的双联八脚电位器，其中补偿脚空置不用，外壳用导线和地连接。如果你想用好点的就买一只阿尔卑斯（ＡＬＰＳ）蓝色电位器吧。 ＮＥ５５３４Ｎ采用美国Ｓｉｇｎｅｔｉｃｓ公司生产的低噪声高转换速率的运算放大器：称大Ｓ ＮＥ５５３４Ｎ、 ＮＥ５５３２Ｎ采用荷兰Ｐｈｉｌｉｐｓ产品，市面上称为德克萨斯公司的最好不要用，容易引起自激而且很难消除。当然能使用更好的运放（如ＯＰＡ１３４、ＯＰＡ２１３４、ＡＤ８２７、ＡＤ２７５、ＯＰ２７５、ＴＬ０８２等等）效果会更好。三端稳压集成块需加散热器。电源变压器用５ＶＡ的Ｒ型或ＥＩ型铁芯，次级绕组为２１Ｖ×２带中心抽头的那种。如果找不到也可使用１６Ｖ－－－２０Ｖ×２带中心抽头的，自己制作的话可用舌宽１４ｍｍ叠厚２０ｍｍ的ＥＩ型冷轧硅钢片按电路图中所给的数据绕制。次级最好双线并绕以求得两个绕组电阻一致。因为很多书和资料中将运放和三端稳压集成块的引线定义给搞错，所以也把它们的引线图在（图１）、（图２）中一并画出。请以后多留意。
由于集成运算放大器内部是由多级直流放大器组成每级之间都存在阻抗和分布电容，这就形成了Ｒ—Ｃ相移网络，当信号每通过一级就要产生一个附加相移。此外在运放的外部由于各方面的不良耦合都会形成附
加相移，结果运放输出的这种相移信号通过反馈进入输入端就可能引起振荡，破坏放大器的正常工作。ＮＥ５５３４Ｎ的５和８脚就是消除这种自激的补偿端子，Ｃ是补偿电容，根据情况可在１０Ｐ—３３Ｐ之间选择，只要不自激越小越好。由于本电路使用了直流伺服电路，所以ＮＥ５５３４Ｎ的调零端子１和８脚之间没有接入可调电阻。
这个耳放可作为前置放大器使用， 只要拔下耳机插头输出的一组ＲＣＡ插座上就有信号了。工作中集成块要发热，用手触摸它会感到稍微有点烫手，不用担心，放心用吧。
大家也许最关心的是它的实际效果，我想就不必再一、二、三、四的评点了吧，如果一定要说，那就是一个字——好！ （未完待续）
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好象用的是这个电路吧？ |
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