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运放型耳机放大器设计(THE HEADWIZE) (3)
(接前篇)<P>四、输出级 电压增益型运放可能可以直接驱动某些耳机（参照生产厂家的数据手册）。例如，有人用Burr-Brown公司
的OPA132运放按照图5的同相放大电路做了一个便携耳放（如上彩图）。对大多数耳机来说，这个放大器能够
输出足够的功率。关于这个耳放的制作方案，请参看“A Pocket Headphone Amplifier“一文。现在的电动耳
机只需要几个mW的功率就可以驱动（看“Understanding Headphone Power Requirements“一文）。
然而，当一运放没有足够的驱动电流或易受输出负载误差的影响（参照以上选择运放章节），就要在它后
面接上一级输出级。本节比较了固态和电子管甲类跟随器，甲乙类对称射级跟随器和缓冲型运放（可以认为就
是一个精心制作的射级跟随器）等各种输出级的性能。对电子管前端放大模块来说，我们讨论电子管和固态输
出级相连接的相关问题。（注：当对电压增益没有要求时，下面所述的甲类跟随器和大电流缓冲器也是一个不
错的独立耳放）
（1）甲类MOSFET跟随器
HI-FI爱好者（？狂热者）认为甲类放大器才能重放出超高保真的声音，因为输出电压摆动只在一支晶体管
或电子管的调制下输出。甲类放大器的效率低，需要消耗它们输出功率4倍以上的功耗，但吸引人的是它们的布
局简单明了（特别是甲类单端放大器）。虽然甲类扬声器功放工作起来可以给整个房间取暖，但耳机爱好者不
必为这担心，因为耳机需要的功率很小。
图9所示的MOSFET源级跟随器是一个单端甲类输出级。MOSFET跟随器（和它们的兄弟：两极型射级跟随器）
是电流放大器，同相单位增益放大（或放大系数接近于1）。一电压分配器为MOSFET置偏压。调节偏压调节电位
器Rp使得输出直流电位为0，这样就可以直流耦合了（交流耦合请参看GREG SZEKERES的“CLASS A HEADPHONE
DRIVER“一文）。只有当前级输出有直流偏移时才需要输入耦合电容。
晶体管可以用任何功率MOSFET管，只要电压和电流系数足够的话。MOSFET管具有和真空电子管相似的“软“
负载特性，在晶体管中是这种类型应用的首选。输入电阻有助于稳定MOSFET管，稳压二极管用于防止电压瞬态
击穿。MOSFET管的VDS参数应大于（至少两倍）空闲电压（空闲电压一般为1/2总电源电压左右）。Rs为负载电
阻，决定静态电流。若静态电流100mA左右、电源电压-V=-15V，则Rs=15/0.1=150欧姆；电阻的功率系数应大
于15*0.1=1.5W（最少3W以确保安全工作）。同时一定要给MOSFET管加上散热器以免过热损坏。
用一个精密恒流源代替电阻Rs将提高放大线性。电流源通常用晶体管组成，但图9所示的电路用一支LM117
或LM317可变稳压块构成，只用一支电阻就能输出10mA-1.5A之间的电流。稳压块的Vin和Vout（现为1.25V内置
基准电压）两端之间的压差应在7-15V之间。当两端压差过高时，内置保护电路工作，输出电流自动减小；因
而，可以多个电路并联以取得更大的电流。没有要求时，输出电容可以减少不稳定性。同时再一次要求：必须
配备散热器。
（2）交流耦合阴极跟随器
从设计的角度来看，电子管不适合做输出级，因为它们的输出阻抗和晶体管相比，实在是太高了。但是，
有许多非常好的耳放就是用电子管做输出级的。图10所示的交流耦合阴极跟随器（取自ADNREA CIUFFOLI的“
HEADPHONE AMP PROJECT“一文）的输出阻抗相当低，只有33欧姆左右，这是通过并联双三级管得到的。从阴
级电阻分出一部分提供自偏压。双三级管的每一部分的偏置电流为26mA（总共52mA）。
单管阴级跟随器的输出阻抗计算公式：: Zout = Rk / (1 + GmRk)，Gm 为电子管跨导，Rk为阴极电阻的
总阻值。所以，当设计阴极跟随器时，可以选高跨导的管子来获得低输出阻抗。
（3）乙类和甲乙类对称射级跟随器
甲类放大器的低效率使得它们不适合使用电池供电的场合。图11的电流推动电路为用每支器件再生音频信
号的一半的互补输出。和甲类电路相比较，这些方案的效率更高，因为它们的静态电流很小（可低到接近0MA）。
图11a的电路是一个乙类放大器，它的Q1和Q2在空闲时是关闭、不工作的。当音频信号是正相时，Q1工作；当
音频信号为反相时，Q2工作。然而，只有当信号超过晶体管的正相偏置电压（约0.7V）时，晶体管才有工作。
因此，当信号不超出正负0.7V范围时,两支晶体管保持关闭状态，从而导致交叉输出失真。既然耳机是在小功
率驱动下发声，这种失真在耳放里就非常明显。
图11b的性能好一些，它让运放输出电流通过电阻R产生足够压降，以正相偏置两支晶体管。但是这种设计
有输出阻抗变化的缺点。图11c的输出级通过让晶体管空闲时工作在小电流下，从而解决了以上两个问题。加
在二极管上的电压正相偏置Q1、Q2；射级电阻决定晶体管的静态电流（此时大概0.6mA）。此时输出级在小信
号输入时工作在甲类状态下-直到负载需要更大的电流或电压幅度超过一支晶体管所能提供的大小。对电池供
电的系统来说，在声音和电池寿命之间取平衡点，通常把输出级的静态电流设置在1-10mA。最好通过在示波器
上观察正弦波输出信号，调节偏置电流大小时交叉失真刚好消失，这时的偏置电流大小就是你所想要的最小
值。交流供电的放大器能通过增加偏置电流在超甲类工作状态下获得更好的性能。“EARLE EATON'S HEADPHONE
AMPLIFIER“这篇文章里就是这种方案的一个变种。“SHELDON STOKES' HEADPHONE AMPLIFIER“一文使用了甲
乙类MOSFET输出级。<P>(4)大电流缓冲器
大电流缓冲器主要是单芯片的输出级。因为它们是为特殊应用而优化设计、在某一方面特别擅长的特殊产
品。通常这些芯片有着优异的性能：数百计的转换速率，低失真，大电流。对耳放来说，一个能输出100mA电
流的缓冲器足以满足需要，但有额外的电流驱动也没有坏处，只要电源要求符合设计者的目标。图12a所示为
一个加倍原电流驱动能力的电压放大运放，它是使用一个相同的运放做电压跟随器来一起提供电流。其负载平
衡电阻Rc大约50欧姆。此电路的输出阻抗为Rc&#0124;&#0124;Rc&#0124;&#0124;( R + Rf )，但从耳机那边来看的话更小-由于反馈回路
的作用（Zout = Rout /反馈量）。
图12b和图12c所示为电压放大运放后接电流缓冲器放大-图12b缓冲器在反馈回路之外，图12c者相反。这
两种方式的总增益大小一样，但是全局反馈的线性可能更好一些。不过，有些设计者认为缓冲器本身的线性已
经很好，而且全局反馈将增加系统的不稳定性。所有的方案都能正常工作。如果图12c改为只有局部反馈，就
象图12b一样，那么负载平衡电阻可以减小到1欧姆，以获得更小的输出阻抗。当时用双电路或四电路的缓冲器
集成电路时，全局反馈有助于减小输出负载误差（看上面的有关章节内容）。
注意：甲类输出级可以在环路反馈之外，但是甲乙类输出级应该在环路反馈内，因为甲乙类工作在非线性
状态下。
为了提高单缓冲器的驱动电流或减小输出阻抗，可以并联缓冲器输出。如图12c所示，两个缓冲器并联后，
输出电流加倍，输出电阻降为原来的一半。电流求和输出电阻Rc（通常50欧姆）确保所有的缓冲器输出相同的
电流。因为反馈信号是取自并联后Rc端，对耳机来说输出阻抗小于1欧姆。BEN DUNCAN的PHONES-01耳放用磁珠
和白炽灯代替输出电阻（参看下面有关内容），他认为不平衡的负载分配可能是在RF范围内。磁珠也可以屏蔽
RF干扰。同时，反馈回路可以设置在并联缓冲器的前面或后面。<P>（5）电子管和固态输出级的连接
当电子管和固态输出级的相连接时，电子管的高工作电压带来了两个隐患。首先，电源可能处于“
STEPPED DOWN“状态；第二，电子管电路会产生危及固态器件的高压瞬态信号。解决方法：使用高压运放和缓
冲器，并且/或限制送往固态输出级的电压大小。使用高压MOSFET器件和上面提过的甲类源级跟随器降和电子
管放大级良好地配合工作，因为电子管和MOSFET管有着相似的音频特性。MOSFET放大器有过电压齐纳击穿保护。
同样也有高压两极型设备，但它们比较不流行。. Apex Microtechnologies和Burr Brown公司生产高压运放和
缓冲器。它们的很多产品很适合音频使用，并且一些芯片的电源电压高到正负600V。
由于电子管的高电平输出，高电源电压输出级可能也需要输入电压限制。如图13所示，这两个过压保护方
案能用在任何固态输出级。图13a是ERIC BARBOUR的建议。当有高电压输入时，齐纳二极管把输入限制在±15V
内。图13b是GREG SZEKERES在他的MOSFET耳放中使用的保护电路，超过电源电压的瞬态信号将通过硅二极管引
出，不会危及系统。输入电阻决定了电子管输出的负载阻抗最小值。<P>（6）输出电流限制
当耳机插头插入或拔出插座时，放大器的输出有可能暂时短路。没有电流限制措施的话，这样的短路有可
能会烧坏运放和/或输出级晶体管。除了求助于复杂的电流监测电路，图14列出了两种普通的保护措施以防止
短路带来的危害：限流电阻和白炽灯。限流电阻为放大器的最小负载大小-通常为100欧姆，1/2W。输出电阻会
减小输出功率和增加放大器的输出阻抗，但对大多数耳机来说，这是没有关系的。另一种方案是把限流电阻放
在反馈回路里（如图12），这样可以减小对放大器输出阻抗的影响。要了解更多内容，请看“HEADPHONE FAQs“
一文关于放大器输出阻抗对耳机声音的影响部分。
和限流电阻相比较，白炽灯有当灯丝温度低的时候电阻很小的优点。灯丝呈现正温度系数特性：当灯丝的
温度越高，它的电阻越高，因此可以减小输出电流。选择具有和输出级相应的电压、电流特性的灯泡。以前这
在扬声器过载保护电路中广泛应用。现在重新出现在BEN DUNCAN的PHONES-01耳放中。<P>
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