对HI-END声音的追求无止境－记我设计的LP1参考电子管前级(全文完)

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首先要声明的是，我会用很大的篇幅来阐述一些看似基本但是很重要，且有必要的理论。如果你的理论基础还停留在欧姆定律的水平，以及照猫画虎仿电路抄PCB的水平，你是不能理解这个设计的精髓。但是即使看热闹，也能看到许多非常精彩的东西，不过我相信如果你的技术水平不断增长，过数年后再翻回来看这篇文章，你会有更多的感悟。

对资深DIYers：希望我的经验和这个作品能对你有所帮助，同时欢迎技术、声音以及试听艺术方面的深度交流。

PS：请勿灌纯水。

PS2：版权所有，未经允许请勿转载。本文仅发表在耳机大家谈，虽然这里人气并不是很旺，但是能看到的朋友说明我们有缘份，不来大家谈的人，就不让他们看到好了[s:29]

144楼更新预期技术目标，整机结构
145楼更新再生电源部分原理图
186楼更新再生电源调试装箱
190楼更新放大电路设计调试
267楼更新供电部分电路设计
277楼更新机箱设计与二次测试结果
284楼更新2008年2月2日测试结果
378楼更新关于校声的一些感想
410楼更新2008年5月30日测试结果

后续会有最终版PCB完成后的详细AP测试结果以及大量图片

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前言

设计制作这台机器的起因非常简单，2006年的这个时候，几个朋友在茶余饭后讨论HIEND前级。在列举了大量的品牌、型号后，我们最终发现每一款电子管前级，即使是很高档的参考级机型，也有或多或少的缺陷。电子管前其中没有像FM 266，Boulder 2010以及ML No.32这样的几乎完美的产品。如ARC的参考3缺乏音乐感染力，Nagra的PL-L声音精致细腻但是过于矜持，CJ公司的ART近乎于完美，看似没有任何缺点，十分平衡，但是和FM一比，整体低了一个档次。想一想，似乎仅仅只有AudioNote传说中的神器M10因为没有听过而无法下结论。

那么电子管前级是否真的就达不到晶体管的水平，对于这个观点，当时大家意见并不统一，我认为基于电子管结构的前级应当可以做到和晶体管相同的水平，同时我就萌生了制作一台可以媲美顶级晶体管前级的电子管前级的想法。

系统设计流程规划



制作工作开始于2007年1月，截至2007年12月1日，已经完成整机装箱前的所有步骤，后续工作将在3个月左右时间内完成，即2008年2月。在剩下的3个月时间内将陆续补完这篇文章，分享制作的过程。因为本人时间有限，只能有空的时候来写心得，稍安勿躁。

2008年1月30日：整机装箱已经完成，进入布线优化和校声阶段
2008年5月2日：校声已经完成，设计最终版PCB

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HIEND声音是如何实现的

任何一款售价高昂的HIEND音响器材都是视觉和听觉上的艺术品，他们的价值绝对不仅仅体现在声音上，而是体现在产品的每一个细节。抛开这些与听觉无关的因素，如果从声音角度分析，顶级的器材在测试数据上都有相同的地方：

1，满足要求的信噪比。在正常听音音量下的器材信噪比应当达到足够的要求，且噪音频谱成份不能在某一频段凸出。信噪比不足的器材在进行回放时候会淹没声音的细节，而某一特定频段的噪音，如50HZ的电源干扰，会与音频信号发生调制引起声音的歧变。在两个频率的差频和和频会产生互调失真。例如1K的信号与50HZ的电源噪音相调制会产生950HZ和1050HZ的新频率成份，从而背离的原始信号。一台HIEND前级在正常听音音量下的信噪比应当满足>90DB的水平（不记权，不低切，测试带宽20Hz-20KHz），如果需要回放DVD,SACD等新一代记录载体的要求，则应该达到更高的水平。

2，满足要求的动态范围。对于CD而言，16BIT记录载体动态范围的极限是96DB，然而dither这个东西是很神奇的，24BIT的原始素材通过POW-R算法dither到16BIT仍然能有110DB的动态范围。HIEND放大器的动态范围一般都达到110DB以上，只有达到足够的动态范围，才能无压缩地回放声音。对新一代记录媒体如DVD以及SACD，应当达到120DB，甚至130DB以上。

3，极低的总谐波失真。任何一款HIEND前级和HIFI级别产品最直观表现在失真上。一款HIEND级别的前级在正常听音音量下的总谐波失真+噪声应当维持在0.001%甚至更低的水平。现代的HIEND晶体管前级已经将总谐波失真+噪音控制在了0.0005%甚至更低的水平。有人认为自60年代以来音频电路已经没有了发展，这是一种非常无知的想法。模拟电路结构在60年代确实进入了成熟阶段，但是人类对音频以及人耳听觉的认知程度在那个年代还处于原始的阶段，随着音频测量技术的发展和听觉心理学领域的进步。人们已经意识到使音质劣化的主要原因并不是全部谐波失真，相对来讲，人耳对诸如2，3次这样的低次谐波十分不敏感，这些谐波成份人耳听觉分辨的极限在0.6%左右；而高次谐波，诸如5次，7次，9次确十分敏感，这些成份的失真即使很小也能引起明显的听觉上的变化。现代HIEND级别器材已经充分意识到了这一点，除了将失真控制在极低的水平外还尽可能抑制高次谐波成份，甚至不惜牺牲总谐波失真等级，也要将高次谐波充分抑制。像Boulder 2010，Halcro DM10这样的前级已经无法从FFT得谱线中找到4次以上的失真。

4，极低的互调失真。互调失真产生的原因从根本上讲与总谐波失真相同，但是他能更直观地反应放大器的失真水平。一个10K和11K的双音信号，在二次谐波的作用下会产生1K的频率成份，在3次谐波的作用下会产生9K，12K的频率成份，在四次作用下会产生19K的频率分量。如果对于一个1K或者更低频的信号，诸如5，6，7次谐波也会在听觉范围内（20K频率内）产生新的频率成份。这实际是各次谐波成份真正的危害所在。一个中音A的频率440HZ，不同乐器对演奏这一音准其基音频率都是440HZ，而你之所以能听出这是钢琴，小提琴或者双簧管的是因为他们的高次谐波成份不同。很显然，如果你的系统因为互调失真产生了大量不该有的频率成份，乐器的音色必然发生变化，这也是HIEND器材与HIFI器材的差距所在。

5，极低的瞬态互调失真。瞬态互调失真的产生的根本原因是开环频带不足+开环增益不够。那些靠负反馈展宽频带的器材如果开环带宽不及20K，那么在高频端的总谐波失真等级会迅速上升。早期的晶体管放大器声音硬，冷，所谓的晶体声，这些的元凶就使瞬态互调失真。一款HIEND器材会具有极好的开环特性，保证开环通频带的上限截止频率高于20K，这样在闭环状态下总谐波失真就不会随频率的上升而有大幅度提升。这也是好声的关键。

6，较高的声道分离度。人耳对立体声声像的建立是通过双耳效应实现的。时间差、强度差、音色差以及部分频率的相位差是声像建立的基础。对于回放声音的器材而言，具有优秀的声道分离度是具有十分重要的意义。只有具有良好的声道分离度才能建立良好的立体声声像，它对声场的宽度和深度具有直接影响。HIEND前级在中频段的声道分离度应当达到-100DB，高低频段因为容性和感性耦合的缘故声道分离度不可避免会产生劣化，但是在音频范围内应不低于-90DB，极高频端不应低于-80DB。当然了，最好的办法就是声道分体，电源分体。这样声道间的串扰几乎可以认为是0。

7，平直的带内频响特性。人耳最高只能听到20KHz是经过科学证实的，而且人的听力在20岁以后会随着年龄衰减，也就是说大多数人都不能听到15KHz以上的信息。但是人的大脑是非常精密的，他会对听力的衰退进行补偿，这也是为什么那些录音大师到了40,50岁还能保持正常的水平。人耳对于相位是否敏感目前仍然处于科学探讨中，但是种种试验表明对相位的变化要高度重视。理论上讲我们只要涉及一个上限截至频率到20KHz的放大器就足够了，但是要保证20KHz点的相移为0。这显然只是存在于理论中的，过渡带的存在导致我们必须要将频带展宽，超过20KHz。那么频宽究竟多宽才够用呢？这个不一定，看电路设计，应该以20KHz点作为参考，保证20- 20KHz幅频特性在+/-0.1DB以内，相位最好不超过3度。

那么，让我们来看看现代的HIEND级别前级都有什么样的表现。


Boulder 2008的总谐波失真加噪声对输出幅度曲线几乎达到了AP测试的极限，中间的锯齿是AP增益换档所致，这款前级的失真度低地让人吃惊



Mark Levinson No.32前级总谐波失真在音频范围内没有变化，这是十分可贵的，它的声道分离度也极端出色


Nagra PL-L的失真频谱显示它的主要谐波成份集中在2，3次，而4次以上谐波成份被完全抑制，这也是它具有极佳音色的原因。

写了这么多，你也许会想，如果我的放大器达到了这种水平，是否也具有了HIEND的声音素质呢？首先，同时达到上述要求是一件很难的事情，需要记住木桶原理，盲目追求某一项指标并不会带来音质的飞跃，需要的是在各种指标间妥协达到平衡点。如果你达到了，那么恭喜你，你已经完成了50%。也许你会问：什么？！才50%？没错！只有50%。上述列举的仅仅是一款HIEND放大器所应具有的基本素质，也就是说它是必要条件而非充要条件。目前人类还没有在听觉的主观感受与客观测试数据间建立系统且完整的关联，主观评价与校声仍然是至关重要的环节。剩余的50%需要依靠主观的判断。主观判断的标准依靠的是丰富的听音经验（尤其是现场），对音乐的了解，对音响美学的熟知。因此，一款HIEND放大器并不是一个简单的工业产品，它是一件艺术品。通过它，你听到的是设计师对他所追求的完美声音的诠释！

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对于看得懂测试数据的，推荐以下器材评测的测试。

电子管的：
ARC参考3：http://stereophile.com/tubepreamps/1206arc
Nagra PL-L：http://stereophile.com/tubepreamps/716
ARC参考2：http://stereophile.com/tubepreamps/288
C-J ART：http://stereophile.com/tubepreamps/8

晶体管的：
KRELL EVO202：http://stereophile.com/solidpoweramps/1206krell
HALCRO DM10：http://stereophile.com/solidpreamps/404halcro
Boulder 2010：http://stereophile.com/phonopreamps/621
ML No.32：http://stereophile.com/solidpreamps/196

如果你有兴趣可以比较90年代和这个世纪器材的测试结果的变化。各种指标都有很大幅度的提高。而这并不仅仅是因为原件质量的提高，可以对比ARC参考1，2，3的变化，同样是电子管设计，失真度的降低指标逐代降低。

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我的文章不会有一句废话，一字千金 [s:2]

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2007年1月份我花了33000RMB从美国购买了这片NI PCI-4461动态信号分析卡，这是我有史以来在仪器上最大的一笔投资。PCI-4461目前世界上唯一采用24BIT AD/DA芯片的动态信号分析卡，动态范围达到了118DB，数字采样频率也达到了204.8KSPS，最大测试范围可以达到+/-42.4V。同时内置2通道的任意波形输出具有最低-100DB的THD+N水平，使得它成为了目前最理想的测试音频的分析卡。配合LABVIEW可以制作出任何想要的虚拟仪器。



前面帖的STEREOPHILE测试中彩色的测试图采用的是MILLER AUDIO RESEARCH测试系统，这套系统使用的就使PCI-4461这片卡作为采集卡。



关于PCI-4461的详细介绍：http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/202236

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AP我也在用，如果不是因为已成大家都认同的测的手段，其配套已显得有些落后了，尤其是数据分析方面已经显得不够强大了，同时不可编程也是硬伤。对比用下来还是基于labview的虚拟仪器强大。

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相位失真要分情况，如果全频带相位差相同无影响，如果带内差异大则影响定位

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80小MM，答案如下：

声音风格一部分原因是器件自身特性造成的，但是主要还是有机器的电气参数决定，但它不是由某一项参数决定的，而是一系列相互关联的特性，这个问题极其复杂，目前还没有人类还没有在理论上完全解答，但是通过经验实现不难。我在前面已经说了”目前人类还没有在听觉的主观感受与客观测试数据间建立系统且完整的关联“，这不是我妄下结论，我阅读了最近40年美国AES论文中与音频测试以及主观听感方面的论文最终得出的这个结论，这同时也是被AES认可的观点。

关于第二个问题，既然选用了不同的元件，电器参数上必然有不同，但是如果差异不大，不会引起听觉上的不同。但是可以肯定的是不用元件声音肯定不同。比如20年前的老MARK LEVINSON的机器，现在仍然可以回厂保养维修，但是当他们更换了里面所有的电解电容，让机器焕然一新后，许多人发现声音都发生了变化，这就是元件的缘故。20年前用的许多元件现在都没有了，必须用其他品牌代用。比如老MARK机器用思碧电容多，思碧后来被收购了，现在就用飞利浦了。

HIEND厂商基本不会通过元件来校声，他们不会追求元件的品牌，尤其是那些作晶体管机器的厂商。他们选用的都是普通产品，只是这些厂家买回去会按自己的要求筛选，达到一定要求。有些胆机厂家相对迷信一点，他们会要求电容供货商给他们提供什么什么声音的电容，而这些电容厂商因为有长期制作的经验，也可以满足要求。但有些胆机厂商也不迷信，比如NAGRA，机器里面用的都是大俗类型的元件，但是人家一样作出了HIEND的声音。总之，HIEND厂商早已跳出元件的限制，他们以在电路上寻求解决方法来校声为主，以元件校声为辅。

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NAGRA PL-L的内部图，电阻全部是贴片的。电容是常见的飞利浦和魏玛，都是很普通的元件，但是或许经过了筛选。黑色的方块是继电器。两个变压器是给输出用的，它的平衡输出是靠变压器转出来的。

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引用第38楼fu-80于2007-11-30 22:37发表的 :
上面的金属板下面是开关电源？还是外接直流电源后的稳压部分？

YES，外接的是一个锂电池，通过开关电源获得高压，稳压没稳压就不知道了，里面我没见过，不过如果开关电源设计的好稳压根本不需要，纹波可以做到极小。

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引用第40楼fu-80于2007-11-30 22:40发表的 :
有些胆机厂家相对迷信一点，他们会要求电容供货商给他们提供什么什么声音的电容，而这些电容厂商因为有长期制作的经验，也可以满足要求。



不是很赞同，和一些做电容器销售的同行交流过，其中不缺进口大牌的厂家，还没听说哪个客户会对声音表现有要求```````
.......

在美国是有的，我在一篇CAT公司访谈录里面看到的。CAT公司是购买了作电容的机器自己卷电容，这篇文章里面提到他们曾经找到电容厂，厂家说可以作出任何他们要求的声音的电容。我都说了，大多数厂商是相信指标的，但是迷信的确实是有的。并不是所有的公司都是靠技术，有靠吆喝的，比如AUDIONOT（不算KONDO）。

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引用第39楼日王贝才于2007-11-30 22:38发表的 :

北京羽商的于大胡子见解和楼主一致

羽商现在是不是已经专心给国外厂商作ODM了？据说搞的还不错。国内厂商现在大多忙着赚钱，什么东西利润最大搞什么，HIEND这种东西他们根本没兴趣。

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引用第44楼fu-80于2007-11-30 22:50发表的 :
厂家说可以作出任何他们要求的声音的电容



绝对是骗子
.......

CAT确实忽悠这没错。但好多器材厂根本没测试手段也没建立主观和指标的联系的数学模型，他们根本无法通过给电容厂一大堆参数然而得到满足自己要求的电容。有的电容厂很NB的，他们通过长期实验建立了一些数学模型，借此来忽悠器材厂。当然也不能算忽悠，因为声音变化没有错

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你那个电容厂不是做这方面东西的，你没接触过。美国有很多小作坊式的电容厂，有些给大HIFI厂供货。我明确告诉你，ARC机器的输出电容就是作坊做的，按照ARC的要求设计制作的。

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SOLO是我很不屑的机器，以我目前的水平，做出来机器轻松干掉它。音乐修养是我很早就开始注意的东西，正是因为这个我研究生才抛弃电子转读艺术类专业。


回楼上关于扬声器失真的问题。扬声器的失真很大一部分是线性失真，其非线性失真主要集中在2，3次。对高档单元，高次谐波失真几乎没有。开头已经说了，人耳对低次谐波失真失真的分辨能力只有0.6%。但是高次谐波和因互调失真产生的非相关频率对听觉影响很大。作为一个放大器的设计者，应该关注于将放大器尽量完善，而不是瞻前顾后去想其他地方的问题。

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开关电源设计好了优于线性电源是必然的。HALCRO的机器无论前级还是后极，一律开关电源。


Halcro dm10 line stage, spectrum of 1kHz sinewave, DC-10kHz, at 1V unbalanced into 8k ohms (linear frequency scale).

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引用第63楼purer于2007-12-01 09:29发表的 :
坦白而言。现在抗着英国声美国声大旗或托着文化大旗的……
呸！
现在市面上很多机器都是中国人的设计中国人制造的了…… [s:29]

所谓名牌的主流产品基本全部DESIGNED AND MADE IN CHINA OR TAIWAN，扬声器也不例外[s:2]

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引用第76楼云海于2007-12-01 14:00发表的 :
关于线路，不知道是否布线对电路播放效果影响大不~
日本和国内产品大多比较紧凑，零件密集度高~
欧美，特别是欧洲的产品除了用贴片的，大多看上去比较宽松[瑞士的最漂亮]

布线的影响远大于元件。同样一个电路，同样的PCB层数，我可以给你布出一个开环带宽到50K截止，失真度很高且噪音很高的PCB，也可以给布出一个开环带宽过1M，失真度极低，噪音极低的。元件都是完全一样的。贴片元件，尤其是电阻从性能上优于直插的，因其分布参数较小，因此线性更好。

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HIEND都是用钱砸出来的没错，但是不是砸在天价元件上，而是反复大量实验过程的投资。