致敬劳动者——12小时手作“签名版”音频功放纪实

iflyingpig · 发表于 2020-5-1 22:42:04

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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。