音响发烧友DIY精品制作--采用场效应管并管缓冲前级 电池供电

电器维修

我刚刚启动这个前置放大器项目，它将接入我的音视频系统。
目标是让它的工作原理尽可能简单：
- 无增益（单位增益）
- 信号路径上既没有串联电容，也没有并联电容
- 同时失调电压低于毫伏级


放大电路部分的架构：
- 一个缓冲器
- 一个电位器
- 一个缓冲器

整套设备采用电池供电：它将使用配套的电池管理系统，该系统的相关项目已经启动，在另一个DIY板块中有介绍。

前端将设置RCA接口的信号源选择。

输出也采用RCA接口。

至于放大部分，采用的工作原理将极其简单。下方是第一张说明示意图（并非最终原理图，但整体架构将保持不变）：

工作原理：

左侧是由J1和J2构成的第一级缓冲器，之后接电位器，再之后是另一路基于J3和J4的同规格缓冲器。每个缓冲器都采用两只场效应管组成的所谓“自偏置”结构。如果两只场效应管的传输特性完全一致，该结构的输出失调电压为零，输入和输出端都无需加装电容。更具体地说，它的工作逻辑是……J2的基极连接到发射极电阻的引脚，因此J2的栅极与电阻R4引脚之间的电压差为零。由于J1与J2特性完全一致且二者流过的电流相同，输入端栅极电压与输出端电压的差值也为零。这就是一个缓冲器，输出失调电压为零的前提是……两只场效应管的特性完全一致……

选用经过“配对”的场效应管对，就几乎可以实现零失调。我们选用JFE2140型场效应管，其数据手册标明在相同电流下，栅源电压的偏差不超过4mV，性能十分优异。

这样的电路基本可以运行，但4mV毕竟不是0mV，而且如果输出拉取的电流过大，失真会偏高。需要对该电路进行修改来解决这两个问题：

- 增加少量额外电路来精细调节失调电压

- 将更多缓冲单元并联，以输出更大的电流。我们计划在电位器前设置4个缓冲单元，电位器后也设置4个缓冲单元。

这里提出的可将输出失调电压精准调节到位的方案：

通过略微调整J2的栅极Vg与电阻R4下端之间的电压，可改变J2中的电流，进而改变J1的栅极Vg与输出端之间的电压。目的是能够在±4mV范围内调节偏移量。

需遵循完整原理图，以及Spice仿真器下的各项测量。

仿真最终方案：

使用50%电位器进行带宽与相移测量：

10千欧负载下电位器调至50%时的失真，10千赫兹正弦波输入

项目后续内容，附带完整前置放大板的第一版原理图……
它搭载了4选1信号源选择、静音控制、与音量电位器的连接以及两个缓冲器（一个位于电位器前，一个位于电位器后）。

关于信号源选择：我们将断开冷热两个触点。这样任意时刻仅有一台设备会电连接至前置放大器（减少接地问题与干扰）。

电位器将采用5位继电器控制（32档位置），是一块为两个声道单独设计的专用板。该板夹在左声道前置放大板和右声道放大板之间，因此板上设有两个连接器：一个声道在下方，连接到电位器板朝下的排针上；第二个声道的板在上方，连接到电位器板朝上的排针上。

音量选择将由旋转编码器及配套电子电路处理，音量控制部分同理。

信号源选择编码器的按键用于控制开关机模式，音量控制编码器的按键用于触发静音功能。

前置放大板由两块电池供电（对称供电+12V、音频地、-12V）。其余所有部件均由市电供电的电池管理系统部分供电（数字电路和继电器用12V，搭配数字地）。两块电池的电压会被降至与电池电量状态无关的固定值：±10V，这是前置放大器的工作电压。

最终机箱内将包含：
- 一块电池管理主板
- 两个电池管理模块
- 4块12V 0.8Ah AGM蓄电池
- 2块前置放大板
- 一块电位器板
- 两块编码器+按键管理板
- 一个屏蔽变压器

所有部件必须全部装入330×230×80的机箱内：我们将尽可能叠放所有元件。所有电池管理板均设计为可叠放结构，前置放大板和电位器板也同样如此。编码器管理板将平行于前面板安装。

前面板显示部分：
- 32颗LED用于显示所选音量档位
- 一个静音指示灯
- 一个m/A指示灯
- 4颗LED用于显示所选信号源。

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你好威利：

关于电位器，我认为继电器电位器是目前能实现的最优方案，这也是我一直选择该方案的原因，尤其是搭配威世RN55或RN60电阻，贴片版本甚至可以用进和RG系列电阻。它相当于纯机械电位器的等效产品，但价格要低得多。继电器电位器有一个优势：它可以安装在距离电子电路极近的位置，而面板电位器做不到这一点。此外，它可以很方便地远程控制，这是Kozmo电位器永远无法实现的。

至于场效应晶体管或双极结型晶体管，在放大器输出级的选择上我非常认同你的观点。我个人更偏爱双极型管。不过在小信号场景下我没有偏好，会根据每个项目的需求任选其一。

小场效应管的问题在于电流容量非常小，所以这里我用了4个并联。这能让它在约20毫安的纯甲类状态下工作，驱动13千欧的电位器完全足够。不过，配对的结型场效应管存在13皮法的寄生电容，这点不太理想。4个并联之后输入电容达到了52皮法。至于优缺点如何，等实际试听之后我们就能知道效果了！

再见 雅克

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项目进展：PCB设计……
针对继电器电位器部分，PCB控制的最终设计：
原理图



关于前置放大板部分：



前置放大板与电位器板的集成（两个通道共用同一块立体声电位器板，与前置放大板不同。

第二通道从所有这些部件上方走线，接入电位器板顶部的连接器。

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最新完成的印制电路板...
旋转编码器管理板：包含无处理器的电子电路，用于解码旋转编码器信号、管理32个位置并输出数字信号。它还搭载了用于显示所选位置的电子器件。
该板承载编码器，固定在前面板上。
显示由32颗LED实现，这些LED在前面板上环绕按钮排布：32颗LED中仅有一颗点亮。
信号源选择为四选一。



正面：

背面：

现在只需等待印刷电路板（三周）。
外壳尺寸：230×230×80

元器件昨天刚到，第一通道立刻就组装好了。

效果如下：

我还没有向电路板输入信号，但它看起来运行得非常完美。实测结果：

- 每个场效应管的工作电流为4.9毫安，这是噪声表现的最优值：0.9nV/Hz，还要加上两个100欧电阻的噪声，二者噪声水平相当。由于有四个部分并联，整体噪声除以二，最终噪声极低。

- 输出失调：调至0毫伏，误差不超过100微伏，数分钟后也没有波动。电位器前的缓冲器表现同样稳定。

- 单通道消耗电流：45毫安，因此电池供电输出电流可达100毫安。

- 双场效应管栅源电压的配对校验：所有差值都低于4毫伏，德州仪器兑现了标称承诺。

下一步：10千欧继电器式电位器。

接下来是这块10K立体声中继卡，它插在两块前置放大卡之间。剩下的工作就只剩把第二通道装上去。

下一步：先测试带电位器的第一通道，运行正常的话就制作第二通道。之后再进行电池供电部分的相关工作。

下方的电路板是主电路板，它为1至4块电池管理板提供主电源，包含各管理板的共用逻辑，还额外设有12V输出，用于继电器控制和前置放大器的数字电路。

上方的电路板是一块管理板。它管控两块电池（同一时间仅有一块处于激活状态）、实现低电量检测、通过CLC滤波器完成电池电压滤波，还控制音频电路的启停。

还需制作第二块管理板，才能为音频模块提供对称供电输出。机箱内总共将配备四块电池。

你好，

感谢您的鼓励。

我下周肯定能完成布线工作。

至于听感评价，我后续会给出，但内容会比较简略，且仅围绕我对这套装机的预期展开：

- 极低噪声水平：4组放大电路并联+10K电位器

- 完全不存在任何交流嗡鸣

- 左右声道平衡近乎完美（继电器控制电位器）

- 全音频频段内动态表现无缺陷：全程直接耦合，无负反馈，无频率补偿，偏置电流大（20毫安），足以在甲类工况下轻松驱动2伏有效值下150欧姆的阻抗负载。

我们继续处理最棘手的部分：旋转编码器的管理。

该电路集成了信号解码逻辑、32点双向计数、极值锁定逻辑、用于驱动继电器电位器的二进制输出、32颗LED的显示解码，最后还有带记忆功能的按键管理。

所有功能都采用“经典分立逻辑”实现，没有使用微控制器，仅用HCMOS和CMOS数字电路。当我们不操作编码器时，电路上完全没有跳变信号，因此音频电路完全不会产生空中电磁干扰。

这块印刷电路板之前存在一些错误，但都已经手动修复了。

该电路使用电池管理模块的12V电源，是常供12V电，因此只要设备接上市电，音量设置就会被记忆保存。

这块电路板紧贴前面板的音量旋钮位置安装。

还有第二块用于信号源选择的电路板待制作。

每个编码器都自带按键结构，因此我们可以向右或向左旋转旋钮，也可以按下旋钮。这就为前面板提供了两个开关功能：信号源选择的旋钮按键将用作开关机功能，音量旋钮的按键将用作静音功能。

在后续的项目中，我会开发新版本，加入红外遥控功能（全程仍不使用处理器）和LED延时显示功能（仅在操作过程中点亮）。

搞定了，组装和外壳封装工作已经全部完成。过程并非毫无波折，我们需要在不重新制作电路板的前提下修正数字电路中的几处错误。不过现在所有功能都运行正常了。

我还没有进行深度试听，不过直接把一副高灵敏度耳机接在音频输出端后已经得到了一些初步感受：

- 完全听不到任何可闻底噪或干扰杂音，完全静音

- 继电器电位器的档位切换不会产生恼人的噪音。人耳直接听到的是继电器本身的咔哒声，而非耳机里传出的杂音。不过和所有数字设备的常见情况一样，在第31档和第32档之间（也就是二进制01111向10000切换的节点）还是能听到一个小脉冲干扰，这也是最多继电器同时切换的位置。

几张组装收尾阶段的照片……

大家好，

我们在以下配置下试听了这款新款前置放大器。

第一种配置是将其接在解码器输出端与60瓦A类合并功放之间。把合并功放的音量开到最大时，它会绕过自身的前置放大模块。

第二种配置是让它直接驱动那台“小功率”20瓦A类功放。

试听所用的音箱是铁氧体版本的Kerloas音箱。

所选曲目涵盖了通透人声到低频铺底音，用来测试这套设备的性能极限。

巴洛克、摇滚、电子乐，这三类是绝佳的测试曲目组合。

测试结果：搭配60瓦功放时，接不接这款前级完全没有区别。这款前级完全不会给声音添加任何多余音染，也没有底噪。什么异常都没有，音量拉满也没有任何底噪。它仿佛存在，又仿佛完全没有介入信号链路。

我们之前试过一款带独立供电的顶级前级，结果糟得一塌糊涂，声音闷糊、音染严重，完全是翻车现场。而这款前级的表现完全等同于纯净直连。

接下来我们切换到20瓦A类功放测试，愉悦感仍在延续，依然没有任何底噪，这点相当出色。毕竟音箱的灵敏度高达97dB，稍有底噪就会被完全暴露出来。整套系统安静到你甚至会怀疑它有没有通电。

我们接着播放同样的测试曲目。和上次一样，这款小功放能传递出的鲜活感让我十分惊艳。如果我没有那台大功率的旗舰功放，我肯定直接入手这套组合了。

这是一款非常成功的产品。

不管搭配20瓦还是60瓦功放，音箱的表现全程没有出过任何纰漏。海尔单元从来没有出现过失真，音箱也完全没有力竭的迹象。20瓦功放加前级的组合，在音符瞬态的密度表现上比那台大功率旗舰功放稍逊一点点，但必须做近乎直接的A/B对比，而且对设备足够熟悉才能察觉到这点。