在使用耳機用來當做鑑聽裝置的時候,常會覺得需要一個小型的放大器來推動耳機,使它有能力達到標準的高傳真境界。一個簡單的耳機放大單元將被設計來完成這種要求,而且易於將之商品化。它最有利的是有非常低的雜音電平,優越的頻率響應,並且適合寬頻範圍的電磁式耳機。發展耳機放大器的一個主要原因就是不滿意一般放大器在使用耳機時的背景雜音電平(甚至將衰減器單元亦包括在內),另一個原因是在商業市場上類似的裝備顯著的不足。
基本的放大器(見圖1)乃是一個運算放大器推動一個射極隨耦器,讀者看起來可能覺得很奇怪,為什麼只有單一的輸出電晶體?但是一個簡單的射極隨耦器却有數項的便利之處:
第一:可得到很低的輸出阻抗,同樣的亦可藉更進一步的減少總回授量來達成此目的。
第二:在A類的工作狀態時,是直接交連到負載,而這種利用射極隨耦器的方法,則可提供很低的失真,同樣的亦可以更進一步的減少總回授量來達成此目的。
第三:組成上可用最少數目的元件,因為不再有任何需要去分相了,就像是有成對的輸出晶體的設計一般。
這裡也有一個對電路不利的地方,不論如何,只要是在A類的設計上,先天上就是低效率的,但是在以低功率推動耳機上來說,實際上也並沒有任何的影響。
在使用負回授之下,其靜止輸出電壓將保持在零。放大器增益的設定以1+R3/R2(見附錄的理論),相同的使用運算放大器在推動級是有益處的。對於實際的差訊放大器幾乎完全的拒絕了電源供給線路的雜音,並且它能夠使用簡單的直流電源供給(見圖2),而仍然允許得到非常低的雜音電平。
在選擇電路零件的數值時,第一個要決定的變數就是電源電壓。而這電壓必須大得足夠去允許電壓擺動在全功率下去推動高阻抗耳機,藉著需要和可變的組成去配合它。一個13伏特的中心點轉換可使用一個簡單的電源供應提供±7伏特的電源。
同樣的電流隨著輸出晶體而有所選擇,所以供給其超過全功率推動所需的峯值電流以便推動低阻抗耳機,而選擇125mA的數值是有道理的。
將電阻R4設定在56Ω,用2W的任何形式,在這情況下則可得到上述的電流值,電晶體和電阻消耗是850mW的功率。本文中所有的電阻均是碳膜型式的,電晶體則是BYF51s,放置在散熱片上。雖然是800W的裝置,但它將會滿意的操作在適當的散熱片上(最好大於50℃/WATT),不能裝在完全密閉的機箱中,以免使它工作時過熱。如果讀者希望在使用上很安全,可使用更大功率的晶體,如此則可加上更大的固定電流了。
幾乎所有的NPN型低工作電壓的功率電晶體均可拿來使用,一種受歡迎的晶體就是Texas TIP29。本機所使用的運算放大器是大眾化的741 IC(並且便宜),在本機中它是工作在非反相型式的,輸入阻抗完全由電阻R1支配。所以其值設定為10K,但如有必要的話也可增加到100K。
實際的放大器(如圖3)可以用電位器預先調整,包括允許使輸出電壓完全被調整至0V。而立體聲音量控制同樣被包括進去,允許增益能被調整;它是藉著22μF鉭質電容連接至基本放大器之中。
全機增益固定在11,但如果需要的話將很容易的增加,藉著公式得到:GAIN=1+R3/R2。保險絲能給一些保護作用(對本機與耳機而言),但得到了增加輸出阻抗的損失。在基本放大器中輸出阻抗是非常的低,當保險絲加上時,則此保險絲變成了一種阻抗了。在典型值上,一個200mA的保險絲的阻抗是1.5Ω,理論上是說沒有保險絲的話,放大器能提供較好的控制能力於耳機。但卻沒有任何可信賴的方式去查出沒有保險絲時會有較好的聲音。
印刷電路板被設計成有通融性的立體聲組合方式,圖4顯示了印刷電路板的設計,而圖5顯示了正面零件的配置。集積電路如圖正確的8pin配置在確認的孔的左上角處,而輸出電晶體如果是BFY51s的話,則配置在板上,但是要用適當的套筒套住鉛的部分,並且要確定這裝置與集積電路隔離,且散熱片會變成相當燙,因此必須再次加強的就是散熱片的熱電阻至少要大於50℃/WATT,和更多的冷卻片去散熱。
如果使用了其他的電晶體,他們可能使用小型的散熱片,因為集極是共同有電的,所以不需要雲母墊片,由底座提供了散熱與其本身的絕緣。讀者或許會認為將晶體置於一片萬用板上是較好的組成(與電源裝在一起),事實上這方式已完成於原型機了。
增益控制的主開關配置在簡單機座的前面板上,並且與DIN輸入插座和耳機輸出插座在一起。輸入電容器是小型鉭質電容,配置在印刷電路板的上方。輸入線已被遮蔽住,並且與主線編織起來,以減少哼聲的放射。
詳細的原型機性能列在下面的表中,並有一系列的方波測試圖形在圖6中。放大器的方波測量加上了實際的負載耳機KOSS PRO 4AA,在40mW的輸出功率下測試。
頻率響應:(±1dB)20Hz TO 40KHz
輸出阻抗:DC電阻(由保險絲產生)在任何狀況下均等於保險絲之電阻值。
最大輸出功率:加上8 ohms時45mW,加上15 ohms時42mW,加上82 ohms時78mW。
S/N比:(參考50mW輸入)100Ω時89dB,8Ω時79dB。
原始的設計就如同早先的敘述,那就是有高的品質,而且像音控部分並不是必須的,明顯的這並沒有關係。如果我們考慮的是使用在一般聆聽用途的話,則音控的功能就很有用了,這有兩個可能的情形:
分離的前置放大器能夠被建立,在這方面有很多優秀的設計,或是可以修改現有的功率放大器去得到適當的推動信號。對第一個可能性的舉動,一個高到300mV的輸入信號是需要的。而任何前置放大器的建立最少也有產生這種輸出電壓的能力。對於這兩個可能的情形;將是都能滿足此項要求,並能得到含有自身單元而不必修改現有裝備的條件。
第二個可能的情形是由現有的完全擴大器中由在音質控制之後的一級引出信號。這意味著要探究放大器內部,並且並不會難於著手。這是明智的去得到輸出信號中,可能是最快的方法,有可能最好的方法是用永久的插座線從音質控制級的輸出處取出信號。
對這種方式而言,也允許使用耳機與喇叭互相連接的方法。在只用耳機當作唯一的聆聽音源時,則一個開關將會需要去將在其後的幾級輸入端接地。這表示在行動之前,要先查看電路才行。明顯的,如果前後級為分離式的話,這問題就很輕微了。在實際上,可能使用數種形式的耳機將其並聯使用,而不會擾亂耳機放大單元的工作。因為可能有幾個人有興趣去同時鑑聽一個音源。
在這情形下,提供的耳機都是相同的阻抗。唯一要改變的就是要調整耳機放大器輸出電晶體的標準電流。這將適當的提升了輸出級的工作能力。希望讀者會找到本機的基礎性能,並了解現代耳機的能力。有50mW的功率輸出時,並不是很好的主意,但傳遞到耳機時它真的提供了足夠大的信號。
配合低雜音也能得到極佳的動態範圍,特別是自從部分耳機除去外界的雜音且能得到相當好的聆聽效果。在很多的例子中,由耳機得到的性能能夠超過喇叭系統。
特別是如果價格是一種判斷的重要標準的話,對於人們的零星資金預算或是敏感的鄰居而言,耳機和一部好的放大器能夠成為非常好的方式去實現一個高傳真系統。
轉載音響技術第81期SEP. 1982 高品質耳機放大器製作/陳 忠譯
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