运放型耳机放大器设计(THE HEADWIZE) (2)

mogle

(接前篇)
三、计算运放的电压增益
   运放通常用作电压增益级。基本的电压放带大原理图如图5a，5b。输入阻抗为输入电阻的值。输出阻抗Zo
与具体的运放型号有关，但一般随着增益的减小而降低（请看相关运放手册中输出阻抗部分）。如果运放要直
接驱动耳机，它的输出阻抗应小于耳机阻抗（音频范围内）的十分之一。不论是选择同相放大器还是反相放大
器，要牢记：经过运放的处理后，放大器的输出要仍然保持正确的相位。根据经验所得，同相放大的噪声较低，
输出阻抗较高，带宽更宽，但可能受到某些设计要求的约束（可看生产厂家的规格书）。
   耳机放大器通常从前级放大器或便携式立体声设备的输入端取得输入信号，虽然这些设备的电压增益很高，
但是，却没有足够的电流来推动耳机。如果耳放有电压放大级的话，那这一级的增益一般设置在2-10之间。某
些运放在低增益环境下的声音听起来更“干净“。反馈电阻Rf应该小于1M，以保证稳定性（请参看生产厂家的
规格书里关于反馈网络的说明），还有反馈网络的阻抗（Rf||Rin）也要低一点，这样做的好处是可降低放大器
的噪声。
   现在的运放在基本电路下就能工作得很好，但有很多设计手段能让性能进一步提升。例如，由一个方法可
以降低JFET输入型运放的源阻抗输入误差（这在前面的如何挑选运放章节里讲过）。重新回忆一下，源阻抗输
入阻抗误差只影响同相放大电路，是由于不相等的同相和反相输入端阻抗引起的。如图5C的同相放大器可以取
值Rs = Rf||R，这样就能平衡两端的源阻抗。在一个耳放里，Rs很可能以音量控制的形式变化大小，因此2-3K
的取值是一个近似值。在一个多级运放系统里（比如一个电压放大级后面接着一级电流缓冲-参照输出级章节
的相关信息），如果输入级运放为两极型输入，且开环带宽小，那么在输入高电平、高频率信号的情况下，它
将呈现非线性放大特性。图5d所示的系统有一输入级运放，它通过使用局部反馈大大拓宽了开环带宽。整个系
统的增益大小为5，而输入级本身的增益大约为100（此时有良好的开环带宽：100KHz）。系统的带宽范围超过
音频范围是不成问题的。
   如果运放的增益设置成1（R = Rf），它变为一个电压跟随器。大多数固态运放把反馈电阻用一直通导线代
替，这样在同相跟随器状态下工作（如图6）。同相电压跟随器具有高输入阻抗和低输出阻抗的优点。反相跟随
器的输入阻抗就是输入电阻的大小。电压跟随器通常用作驱动耳机的的缓冲级，而电压放大运放只有提供足够
驱动电压跟随器的电流。大电流缓冲运放是为需要大电流的应用特别设计的-这很适合用来驱动耳机。相了解更
多的信息，可看下面的输出级章节。
   平衡信号输入：有的专业的音响设备有平衡输入、输出端子-它把信号地和其他的接地点分离开来，这样能
取得更好的噪声屏蔽效果。这样，每个声道由3根接线：信号、信号地、地线。耳放仅考虑平衡输入。图7的电
路把平衡输入信号转换成单端信号，增益为1（输入电阻和其他元件分别构成一个RF滤波器-参照一下有关内容）。
使用电阻的配对误差必须在0.1%以内,否则共模抑制比(CMRR)将降低(例如,一80dB的CMRR可能因为输入电阻不匹
配而降到60dB)。这个电路也能设计成具有放大作用（增益大小由Rf / R决定），但最好保持所有的Rs为同一阻
值，这样整个电阻阵列的配对更加容易。
   交流耦合和RF输入滤波器：限制输入信号带宽可以滤除直流电压和RF噪声。如果音源的输出直流电位为零，
就不必再加直流保护，但一些设计师更喜欢加上这额外的保护。如图5a所示的由1uF和100K构成的高通滤波器，
其分频点在1.6Hz左右，如果使用高品质的器件（如薄膜电容和金属膜电阻）的话，它对低音响应或整体声音
质量的影响是非常小的。音频电位器用来代替电阻作为音量控制。
   如果信号混有RF噪声，可在输入端加一低通滤波器来将其除去。如图7b所示的低通网络的分频点在200KHz
左右。超过分频点的频率混合在一起，因此能利用运放的CMRR将其除去。同电阻阵列一样，RF电容也应该尽可
能的匹配。同时传输输入信号时要使用屏蔽电缆进一步降低感应噪声。
   低通和高通滤波器可在输入端层叠使用，只要各个滤波器的电阻值相比系数在10以上。同时，输入网络的
阻抗将影响整个输入级的阻抗，因此必须选择合适的滤波器阻抗。这些带通滤波器也能嵌入反馈回路中。图8
所示电路的带宽范围在2Hz-150KHz左右。一些高保真音响爱好者可能可以分辨出信号通道里的电容所引起的失
真。就象运放的失真一样，并不是每个人都能分辨出电容引起的失真。在最后确定之前，试听你的放大器在有
无电容的不同情况下的表现，否则你可能会错过得到一个声音更好的放大器的机会。(待续...)

chenjieo

我支持你!谢谢你的好文章!