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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herculesvr请收短信，关于PCI与PXI的问题

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最近一段时间十分繁忙，这个主题的更新就耽搁了，这几天抽了一些时间把供电部分写了，但是因为时间很仓促，所以不是很完整，以后慢慢补全吧。

3，供电部分

供电电路的作用是给放大电路提供稳定的能量（基本是废话一句）。一个设计理想的直流电源应该具有极低的内阻和极高的纹波抑制能力。对于音频放大器的电源，电源内阻在音频范围内是否能保持在一个比较稳定的范围是十分重要，也是经常被人忽视的。对于工作电流比较小的前置放大器，电源在不同频率下内阻的变化一定程度上可以靠退藕电容的补偿进行修正，理论上讲在退藕电容满足足够容量的情况下，电源内阻只与退藕电容的特性有关。那么退藕电容是否越大越好呢，理论上是，但是实际并不是。上面说的是电源内阻对频率的问题，在内阻的绝对值上也应该保持足够低，这样才能拥有足够好的瞬态响应速度。对于带有反馈，既误差放大的稳压电源，如果退藕电容过大，负载的波动有可能不能及时反馈给稳压电路，返回会提高电压调整率，因此要将退藕电容的大小要根据实际应用调整。

电源的纹波控制是至关重要的，如果高压的直流成份中含有交流成份，对于一些结构的电路，将会直接反应在输出上。下图是一个半波整流电路滤波不良，高压的交流成份对输出的影响，这对信噪比的影响是很大的。



虽然在绝对值上，这个信号的幅度很低，在没有测试仪器的情况下，如果仅凭听喇叭的噪音，这些与供电和接地有关的50和100HZ噪音因为由灵敏度低的低音喇叭回放，所以不容易被察觉。但是，听不见并不意味着无所谓，噪音中固定的频率成份会对音乐信号的弱信号进行调制，乐器的音色会发生变化，这在进行THD+N的测试时候，因为不是测试信号的谐波成份，因此不会反应在THD项目上，但是它的影响非常大。

电子管电路的高压部分供电电压很高，但是因为输出的电压幅度与低电压供电的晶体管无二，因此对滤波以及稳压电路的纹波抑制能力要求十分高。对于一个200V供电的稳压电源，如果要求纹波低于1mV，那么滤波和稳压电路应该具有106db的纹波抑制能力，要想完成这一任务，仅凭LC滤波或稳压电路是很难达到的，必须两者协同工作。因此LC滤波＋稳压电路是必须的。

再说说灯丝的处理。电子管的噪声特性可以极低，但是为什么高增益的电子管放大器很难做，尤其是60db以上，这主要是灯丝的影响。对旁热式电子管来说，灯丝和阴极之间是高阻的，虽然在冷态下绝缘电阻很高，但是热态绝缘电阻会大大降低，在这种情况下，灯丝电流中的交流成份会耦合到阴极，对信噪比产生影响，虽然它的影响不是主要的，但是交流供电是肯定无法满足足够的信噪比要求，足够滤波的直流供电是必须具备的，如果可以，最好带有稳压电路。灯丝是恒定电流工作的，因此对稳压电路的内阻没有要求，对纹波的要求也没有高压那么苛刻，几十毫伏的纹波是可以接受的。灯丝稳压的另一大好处就是在市电波动的情况下，灯丝电压不会发生变化，可以有效保护电子管。

我的设计中，灯丝的供电采用的全稳压的设计，虽说有了再生电源，供电的波动等于0，采用足够大的CRC滤波即可保证，但是三端稳压一共没多少个元件，从追求完美的角度出发，我还是加上了三端稳压电路。需要提出的是，放大电路中阴极输出器E88CC的阴极电位已经达到了这个型号电子管阴极灯丝压差的极限，因此必须将E88CC灯丝供电的电位提高以保持正常工作。第一级差分的恒流源负压供电同样采用三端稳压设计。

高压的供电，为了满足纹波的要求，我选择了LC+稳压的设计方案。LC一级尽量选择较大的C和较小的L，这样做的目的是尽量减小电感直流电阻对内阻的影响。C的选用，我选择了10uF容量MKT电容并联，再好的电解电容在损耗和失真上都无法和薄膜电容相比，因此我的设计中在关键部位尽量避免使用电解电容。LC滤波之后选择的是317进行稳压，三端稳压的性能不差，但是被广大发烧友所不屑，但是它恰恰被应用在大量HIFI器材中，马蹄斯的高压稳压用的就是317。在如此高的电压下使用317所要注意的是要保证输入输出压差不大于极限即可，最可靠的方法就是在输入输出端加齐纳稳压管。此方法已经被证明绝对可靠。供电部分的原理图如下：



实验用的板子仍然采用特富龙搭成，炮灰机箱因为地方不够，把电感和变压器都甩到了外面…



这个是改过一次的高压稳压，其实各项测试指标和主观听感测试我都已经非常满意了。但是周围的朋友说这个电路竟然如此简单，不符合我的BT风格，强烈要求修改，在这种情况下，被逼无奈只好设计了一个全电子管稳压的电路。初版原理图如下：



事先声明，这个电路的工作点经过了演算没有大BUG，但是由于最近比较忙，电路搭好了而一直没时间通电调试，所以模仿请慎重，出现元件击穿、烧毁以及引发的火灾，爆炸，地震，海啸，火山爆发甚至地球毁灭本人概不负责……回到正题，这个电路中还有很多可BT但是没BT的地方，但是由于时间的缘故没有完善。先说说为什么选用EZ90，首先是体积小，小7脚，长度也短，满足机箱的体积要求；其次，EZ90和EZ80不同，有很多品牌的可以选择，必要的时候可以作为校声的备用手段。

对于调整管的选择，无需多说，ED8000是目前能找到的最佳电源调整管，可以工作在低屏压下，超高的电流，极低的内阻，毫无疑问是最佳选择，其次可以选择A2293，再次还有6C19……取样放大管的选择有讲头，首先看基准选择多高，这个电路里面，基准选择了20-30V，因此调整管的放大倍数是10左右。对于跨导不高的调整管，取样放大必须高放大倍数高跨导，而如果调整管有足够高的跨导，取样放大只要放大倍数足够就可以了。取样放大尽量选择五极管，主要原因是屏流不太随屏压变化，效果更好，当然了，像12AX7这样的三极管也可以，不过对于追求完美的我，最终的结果必然是放两个德律风根ECC803S上去，这样就太过分了。如果选择五极管，可以选择EF95，EF86，E180F等等，我最终选择了EF86，主要是因为EF86的工作电流比较小，此外工作点比较适合我的这个电路，另外EF86有德律风根，大盾，GEC等多个品牌选择，也算和EZ90一样，作为校声的备用手段。

忘记补充了，这个电路输出电压260V左右，输入输出压差70V，图上忘记标了。其实100V更适合ED8000，但是考虑到功耗问题，最终还是忍痛降低到70V，其实如果50V能够很好的工作我宁可选择50V。

下周有空争取把这个电路调试好进行测试，但是如果要试听，需要订新的变压器，因此节前估计是不可能了。从测试性能上讲，317的稳压电路绝对胜出，声音就还真说不好，个人意见是317不会比全电子管稳压要差。

下次讲一些机箱设计的想法和我现在的设计思路。机箱设计我不是专家，我只是按照我的理解来做，难免会有错误的地方，到时候估计高手要见笑了。

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原来测了，看了合格就PASS了，但是数据没SAVE，现在东西拆了正准备装正式机箱，所以等装好再测

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贴图贴图

面板做了两次，因为第一次的作坏了（上面的），激光刻字的时候那台机器边缘有枕型失真，打歪了，不爽。于是重新做了一块，就是下面的，把表头窗口减小了，音量旋钮预留了轴承托架，手感更好了

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控制开关直接接线显得太不专业了，明显是DIY产品。因此，开关一律加PCB，高品质的接插件和开关是必不可少的。正品NKK开关的手感是毋庸置疑的[s:2]

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前面板和上面的电路终于做好了，摆出来看看还是很COOL的，完全达到了预想的效果。

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引用第269楼locus于2008-01-13 13:04发表的 :
热点兄，可喜。上次见你，还在弄推600的放大器。

真高兴看着你越走越高。

那真是好久不见了。这几年刻苦钻研，付出了不少心血，水平也提高不少，虽然翻过来看当年做的机器真的感觉十分幼稚，但是任何都是这么走过来的，每个成品都代表了自己一个阶段的水平。我相信再过几年，回头看现在做的机器，也会觉得有很多不足和需要提高的地方。

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机箱设计与二次测试结果

经过漫长等待，机箱和最终测试版PCB终于到手，花了一个礼拜的事件慢慢装了箱，测试，试听感觉还不错，春节期间利用空闲对机箱屏蔽、振动进行彻底优化，同时对音色进行仔细调整。首先来说说机箱设计的心得。

由于水平还是有限，同时做到小体积高素质，比如nagra那样，我还完全不行，在这种情况下，为了不妥协声音，只好对放大器的体积进行妥协。在不能进行完整EMC测试的情况下，电源分体是保证信噪比的有效手段之一，各种高频干扰都被隔离开。为了达到更高的声道分离度，应该对两个声道进行很好的隔离，相对来讲，中频的声道分离度好做，但是低频和高频方面由于机箱的容性和感性耦合，很容易造成串扰，因此最理想的办法就是，声道分体，也就是4分体。4分体设计实在是太BT了，所以我决定只对电源分体，声道间不分体，而靠金属屏蔽，因为声道分离度相对来讲重要性要低于其他的参数。考虑到再生电源还有一个独立的盒子，这就已经3分体了，不能再多了。

再说结构，用整块铝铣出内部空间然后加盖是最好的手段，无敌的屏蔽，但是在问过成本以后，我彻底打消了这个念头！铁的屏蔽效果是好过铝的，以前我做得机器都是用铁做机壳，专业设备也都是铁皮机箱。但是铝的轻质决定了他可以在实用性和重量上达到最好的平衡，所以这次我采用了铝制机箱。一个方的机箱有6个面，上下左右采用对槽拼接的方式，前后面板用螺丝固定在侧边的立面上，这对板子的厚度有很高的要求。我的侧板选用了12mm厚的，后面板5mm，上下盖板个10mm，材质都是LF6。前面板采用了美国Alcoa的6061-T651铝板，Alcoa的铝板轧制肌理均匀，加工完无形变，因此拉丝和阳极化之后具有很好的视觉效果，同时6061-T651板在阳极化后有技术光泽，也比较好看。

整个机箱全部采用CNC加工，确保加工精度在+/-5丝以内，保证对接精度。最后在装配的时候发现当初的选择是何其正确，虽然付出了巨大的成本，但是装配精度极其完美，螺丝沉孔的定位精度都在0.2mm以内，效果十分震撼。

下面几张是稳压和放大机箱的图片：




表头点亮的效果是这样的！很漂亮


所有PCB仍然是测试版，装机调试过程又发现了一箩筐BUG，有待最终版修正。现在发现BUG越多越好，最好最终版一个都没有。内部图：




图片只照了两张，也就先这样了，等最后全部完成之后找好相机再多拍留影。


下面来说说当前测试版装箱后的测试情况。

残留噪声已经达到了很好的水平：

音量最小时候输出端的残留噪声：80uV，测试带宽1HZ-100KHZ

音量最大时候输出端的残留噪声：83uV，测试带宽1HZ-100KHZ

两个声道测试结果基本完全一样，基本上这一测试结果已经足够好了。但是，拿FFT看完，还是有改进的余地。50HZ，100HZ和150HZ分别有-105DB，-107DB和109DB的噪音，除此以外基线已经达到-120DB，SORRY图片忘记截了，只能靠嘴，相信看得懂的也知道怎么回事了。也就是说，机箱的屏蔽和接地选择还有提高的余地。下面有些测试要做。先来画一个当前的接地示意图：



当前的接地方式各机箱之间靠连线的屏蔽层相连，电器地在放大电路上接地，机箱与市电保护零连接。接地点这个东西基本上完全要靠具体情况分析，现在存在以50HZ为基频的噪音，虽然绝对值已经很低，但是仍然说明地线有可能还有改进的余地，如果采用另外一种方法，可以用如下方式接地：



在这种接法中。各机箱之间做单点连接，市电保护零仍然与机箱相连，但是具体连接哪个机箱，要看情况分析，而稳压和放大各自的电器地就近落到本机机箱上。在各种设别都连接的情况下，为了避免地环路的出现，可以将机箱和市电保护零断开，整套录音或者回放系统中只有一个设备与保护零连接，对前级来说，如果不接保护零，就应该采用下面的方法：



第二和第三种接法，尤其是第二种，至于屏蔽层在哪端接地还要试验，排列组合有很多种，因此需要有事件的情况下慢慢测试。也许目前的方法已经是最佳，但也有可能有噪音更低的可能，这个需要测试后再看。

带宽方面，线路本身的开环带宽已经轻松超过了1MHZ，因为我的信号发生器最高就到1MHZ，所以测不到下限。高带宽带来的问题就是噪音同样会被放大，为了做好EMC，信号的输入端加了一阶低通滤波器，下限截止频率为450KHZ/-3DB，选在这个频率为了保证在20KHZ基本无衰减，同时相位波动极低。实际的测试结果如下：


带宽和相移测试

这个结果就不多说了，基本圆满了，20HZ-20KHZ只有-0.1DB，相移3度，圆满的不能再圆满了。





500HZ，5KHZ和10KHZ下总谐波失真对输出幅度曲线，THD随频率提升很少，4V以下输出幅度保证THD低于-80DB（0.01%），达到设计要求。

频谱测试如下：


1V输入，直通放大

这是输入1V，输出5V的FFT，测试频率3KHZ，看着不是很爽，出现了5次、9次和11次谐波。在我百思不得其解的时候，忽然想起了以后大师告诉我的话：“测试过程的部分高次谐波是由于测试源和测试线缆引入的。”这句话一下启发了我，也许这些谐波成份是线缆引入的，于是我将测试线路对接进行了以下测试：


测试线缆对接，输出1V


测试线缆对接，输出5V

通过这个测试，结果就十分明显了，5，9和11次谐波是由于信号源或者线缆以及测试算法引入的。我的放大器增益15DB，因此很微弱的信号源失真也会被放大，这跟我的放大器没有关系！于是我立刻把源的输出幅度设定到5V，利用放大器输入端的电位器对信号源信号进行预衰减，这时放大电路特性没有变化，只是输入信号被衰减，因此依然可以通过输出幅度反应放大器的特性。测试结果如下：


5V输入，衰减后放大，输出幅度1.3V


5V输入，衰减后放大，输出幅度2V


5V输入，衰减后放大，输出幅度4V


5V输入，衰减后放大，输出幅度6V


上面的测试基本可以反应放大器的真实水平，先衰减后放大，THD没有什么改变，但是因为信号源和传输引入的高次谐波被排除，证明不是放大器产生。谐波失真的主要成份是2次，3次的幅度也很低。考虑到目前的测试都是采用单端输入单端输出，如果采用平衡输入平衡输出，预计偶次谐波，也就是二次将会大幅度降低，约6DB，在小信号输出的情况下达到-95DB显然可以达到。

最后是11K+12K CCIF双音互调失真测试：


0.5V输入，直通放大


2V输入，直通放大


5V输入，衰减后放大，调整输出幅度到和上图一致

线缆引入的互调失真大约3DB，衰减后放大的结果中已经没有高次互调产生的频率成份，只能看到2和3次谐波产生的频率成份！


装箱后的首次测试暂告一个段落，春节期间利用假期将进行地线的仔细优化，同时对放大器音色进行调整，现在高频有点亮，能量平衡感差一些。

要进行进一步测试，看来NI的测试系统已经无法满足需要，等开学以后回学校上AP进行更高精度的测试。但是无论如何，目前的测试结果已经达到设计要求。

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2008年2月2日测试更新：

前日测试由于NI的测试源只能达到-100DB，并且带有高次谐波，因此测试被限制。今天我采用DCS 954的信号发生器功能作为信号源进行了进一步测试。


dcs 954信号发生器模式，3KHZ，2V RMS输出失真度

可以看到，dcs 954的输出在3KHZ下有-110DB的失真度，1KHZ实测-112DB，已经达到了测试卡的测试极限，即使是AP的信号源也就这个水平了。下面来进行THD的重新测试


3KHZ，输入预衰减，1V RMS输出


3KHZ，输入预衰减，2V RMS输出


3KHZ，输入预衰减，5V RMS输出


3KHZ，输入预衰减，6V RMS输出

可以看到，1V RMS输出的失真度已经达到了0.0012%，即使在现实中不可能出现的6V RMS幅度，失真度也达到了0.01%的等级。可以说，LP1在测试上已经完全成功，对于一款电子管前级，这样的指标已经可以用完美来形容。下一步就进入校声阶段，电路方面将仍然进行进一步的探索，如果能有降低失真的方法，将进一步改进

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引用第281楼sense_mo于2008-01-31 17:28发表的 :
的确可以用震撼这个词了,虽然我不太喜欢看别人对机器音质的主观评价,但我还想知道你对LP1的音质有和感受.

听感是主观的，没有标准，写多了也没什么意义。我只会在以后谈谈我对正确声音的认识，我的机器会向我觉得正确的方向进行调整，具体调试完声音如何如何，写了也没有意义。

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引用第297楼knir于2008-02-22 14:27发表的 :
严重建议热点投入到商品机的研发中来，耳放、前级、后级都可以开发啊

做商品机似乎不赚钱，起码我认识的都是，搭了好多功夫进去，最后....


PS：最近手头事情稍多，后续文章要过段时间才能写好

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叶老师平时工作不忙,有很多业余时间可以搞这个.我空闲时间少,所以不太可能挤出时间搞.如果专职搞这个,多半是赚不了钱 [s:5]

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引用第304楼kopfhorer于2008-02-27 11:53发表的 :
heihei,你不知道hotpoint的人工是很贵的。

..................................


我觉得在中国，最难的就是QC，就是品质控制，工人的素质....哎

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我最近在做电子管稳压电源的试验，另外监工做一个LP的架子，所以一直没空写东西。

谢谢楼上关于DDS的建议和探讨。因为我没有找到集成16位D/A的DDS芯片，所以自己做的查表输出，我用AD9850做过，但是它的输出失真度不够低，所以放弃了，也许我是没用好吧。DDS的优势在于输出任意频率，并且相位可调。再生电源不需要进行频率的调整，只要输出稳态正弦波形即可，用DDS芯片比较浪费。真正最低失真应该是文式电桥震荡电路，可惜我目前没法把它的温度稳定性做好，还要附加额外的AGC控制幅度，太麻烦了。

对于抖动和相噪问题，说实话，对于这个50HZ生成器，我没有考虑过，我想应该无意义吧。如果你能通过任何测试说明抖动和相噪在这里有影响的话，请给我一个测试的方法，我测一下，然后看看，如果真有影响，那我一定想办法把它修正了。


关于LABVIEW的编程，目前还没时间针对他编写太多的VI，我只是做了个电子管特性曲线配对程序。。。前面贴的测试数量也比较少，最后必然还是要用AP来下定论，谁叫它是标准呢。

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关于检索表的精度问题，我想已经不需要论证了吧。再生电源带载后失真度的测试已经能够说明问题了。失真度-90DB（1V REF）我想已经足够了。说实话再生电源我觉得-60DB就足够了。关键是要将市电的各种干扰抑制掉，并且提供稳定幅度的输出。

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引用第313楼dracula于2008-03-16 05:39发表的 :
LS又是一位老師。

第一點，我也有過同樣的疑問，因爲本身對單片機不是很熟悉，所以。。

     硬件實現DDS有沒有比較成熟的例子？

由于DDS芯片随手可以搞到，所以DDS都是用DDS芯片来完成。

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发个关系不大的东西。我的DCS 954自带的信号发生功能输出的正弦波失真度。基本上已经把我搞崩溃了，比较NB的说...

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这是调试中的电子管稳压，这个是给唱放用的，先拿唱放做试验了...

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这个方案肯定不是最优的，我只是用最简单，成本最低的方式实现我要达到的功能，单片机5块钱一片，D/A是MAXIM申请的样品，要是再买个AD9850，还要不少钱。最理想的应该是用音频DA用FPGA+ROM输出I2S总线数据，失真度是最低的。关于再生电源的优势，我朋友也在催我做AB对比，我一直没时间，呵呵

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呵呵，也许吧。对于不相信的人，就当没用吧。如果真的没有意义，金嗓子，PS AUDIO还有其他牌子的电源处理器也就没有存在的价值了。