我要ㄧ個好耳擴！(上集) (文/李孟育)
CatKing (貓貓站長)
2015/03/27 02:36 #1
我要一個好耳擴！ (文/李孟育) 本文經原作者李孟育先生授權刊載，轉貼請註明出處，謝謝。
我並非要設計一台宇宙超級無敵的耳擴, 我只是不想花了幾萬塊買的耳擴,打開才發現裡面竟然只是一顆 Class-AB 的 IC配上兩三顆不怎麼樣的交連電容, 或者是ㄧ顆OP加上四個電晶體Buffer…更有甚者，網上許多號稱能夠推動HD800的耳擴，只用了3.3V的鋰電池！簡直是胡說八道,簡單算一算就知道,要輸出100mW到HD800,至少要15Vpp的電壓,而這還不到HD800的極限！HD800的Max. Long term input power 是500mW,34Vpp! 這樣看來,擴大機的電源至少要+-18V,一二個小電池又怎能推到令人振憾心弦的極限音壓！
聲音的好壞是一回事, 心裡的爽度又是另外一回事! 心裡??爽怎麼能夠聽出好聲音?
心目中的理想線路
那麼什樣的線路是我心目中的理想呢?
至少要真空管吧！而且要單端, 再加上要A類(廢話，單端當然是A類), 配上HD800希望能夠達到120dB的音壓!! 也就是說輸出電壓要夠高,才能推動HD800或T1這類的高阻抗耳機,然後頻寬要夠寬(至少要100kHz),失真要低等等…會不會太貪心了？但這是多麼夢寐以求的聲音，如果要用傳統的單端真空管擴大機加上好的喇叭系統，沒有個幾百萬大概也很難, （一對效率86dB的喇叭在3米的距離要達到120dB的音壓,大概要1000W的擴大機才行, 1000W的單端管機要多少錢？！）
我不否認我喜歡真空管的音色，其失真的持性及頻寬的優點加上美麗的視覺效果真的是很迷人，而真空管的確也有不可取代的音色特性, ㄧ些超級的錄音室用的麥克風也藏了三極管在裡面（NEUMANN 的 M149 即是）就是很好的例子, 其實真空管耳擴也不稀奇, 在網上搜尋了一下也能找到一大堆線路,但是效果呢？看完了我的說明,您就不會再花冤望錢了..
我們就來談談SF801的電路架構，取這個名字只是為了好唸好記憶，別想太多！
做了非常多的實驗,最後的電路大致如Fig1.的線路：
輸入是真空管單端，單端的負載是Q5恆流源，採用恆流源的目的是為了提高本級的增益，並改善線性度，這個恆流源的參考電壓由D1紅色的LED提供大約1.7V取其低雜音的優點,而分壓網路上還串聯了ㄧ枚藍色的LED,以點亮真空管底部作為裝飾用(不喜歡藍色也可以換成綠色！反正只是裝飾用!笑!),本來擔心會有光電效應的影響,事實證明是我多慮了,這ㄧ級的輸出直接交連至Q2PowerMOS，直接交連的好處是為了省掉那個麻煩的交連電容,又貴,又影響聲音。而壞處是必須克服DC的不穩定性。而且PowerMOS必須吃掉4v左右的Vgs，降低了輸出的動態範圍（Head room）。
為什麼不用輸出變壓器？
由於耳機的阻抗相差很大，從20歐姆到600歐姆的耳機都有，因此一個夠低阻抗的輸出級是很重要的, 我說的低阻抗涵蓋了超過100kHz的高頻,唯有好的高頻響應才能完整重現泛音,之後的電路解說也可以看出我對高頻阻抗的苛求. 輸出變壓器無法匹配如此巨大的阻抗變化而又維持良好的線性,因而做罷！而PowerMOS的特性與真空管相似，同樣是高頻寬，其換算ft超過300MHz，高輸入阻抗。因此很適合做為這裡的輸出級，我在PowerMOS之前再加上一級的射級隨耦器（EmitterFollower）,由於PowerMOS的閘級有頗高的輸入電容, IRF610大約在140pf左右，加上一個射級隨耦器可以改善真空管的負載而進一步改善頻寬。
SimuIation 上看來也是如此, 頻寬被大幅度的改善,唯有夠寬的頻寬,極低的失真, 才能完整且正確再生樂器及人聲中的泛音。
Q1是PowerMOS的恆流源，這個線路恆流源的電阻正是真空管的燈絲，由於打算採用12AU7，其燈絲電流大約是150mA。而且由兩聲道來共同分擔，因此每聲道需提供燈絲75mA，我在這枚電晶體的射級上串聯一個小電阻，用以改善電晶體因特性的差異而造成電流不平均的問題，千萬別小看了這個電阻的重要性。
兩枚電晶體共用一個13V的ZenerDiode，以提供穩定的燈絲電壓,並且在Zener兩端並聯一個小電容以吸收Zener?生的雜訊。
採用電晶體及穩壓二極體來提供恆定電壓給燈絲，而不是採用穩壓IC，問我為什麼？這只是個人對主動元件的偏好罷了，我喜歡在輸出級採用美國管，最好是On Semi的?品。也許是我聽習慣了！從Motolara 的2N3055到今天…
坦白說我並非音響神話的擁護者，科學數據，理論基礎還是很重要，雖然經驗告訴我，數據好的擴大機不一定好聽，但是我相信做一台數據好聲音也好的擴大機是?對可能的。（要數據好還不簡單, LME49710+LME49600 數據好到小數下四個零）…
即然如此，何必忍受心裏的疙瘩？
前面提到真空管的屏極負載採用了恆流源是為了提高本級增益，一個重要的目的是我希望加上一點負回授，加上適當負回授的擴大機，聲音較為精緻細膩，整體穩定度也較高,要知道,耳機的標示阻抗只是代表耳機在某個特定頻率時的阻抗,通常耳機在不同頻率或電壓下會呈現不同的阻抗,未加負回授的擴大機,除非輸出阻抗夠低,否則整體增益勢必隨著頻率/阻抗的變化而上上下下…R18及R19即組成了負回授網路，整體的增益控制在大約在3倍左右。
負回授的加入不但改善了失真，頻寬，更降低了輸出阻抗，simulation上至少我希望能驅動30 Ohm的負載而沒有問題。
另外真空管的最大麻煩是雙三極管的兩半往往特性不會很一致，如果沒有負回授, 左右增益很容易誤差超過1dB。你可以忍受兩耳朵的音量誤差超過1dB嗎？
怎麼樣！加上了負回授後實測真空管單端的失真度也能小到百分之零點零零幾 (小數下兩個零喔!)，和一般真空管單端動不動就好幾趴的失真決然不同. 而且兩聲道的增益誤差也小到0.1dB以內, 頻寬超過200kHz！
爽嗎？很爽！
Fig2,Fig3,Fig4,分別代表了無回授,有負回授,及加上emitter follower 的有回授線路的模擬結果(請留意Y軸的比例不同)：以Fig2.為例,增益在100kHz時比1kHz下降了17dB,Fig3.加了回授後在100kHz只下降了1dB,而Fig4.是再增加一級emitter follower,結果100kHz時只下降了0.1dB ! 厲害吧！
增益在100kHz時比1kHz下降了17dB
加了回授後在100kHz只下降了1dB
再增加一級emitter follower,結果100kHz時只下降了0.1dB !
數據會說話.如果只是照網上的線路抄,保證你聽到的是一堆失真,而且頻寬也不足！而一般網路上賣的,大概都是如此,…
整體增益降到三倍的的另一個好處是音量控制的範圍更細緻,不會稍微轉一下就太大聲,轉回一點又太小聲…這個線路如果沒有回授, 增益會超過20dB.
電源電壓的決定
我希望能有足夠的動態, 因此電壓就不能太低, 加上真空管也需要高一點的電壓, 然而考慮零件的耐受度及體積, 超過50V以上電容器的選擇就會少很多, 散熱片也要夠大等等, 最後決定42V,而根據這樣的電源電壓計算,輸出應可達到7Vrms以上.足可將HD800推到120dB的音壓,這樣耐壓50V的電容,及質優的小黑豆電晶體都能用.另外我在12AU7的陰極加上一只可調電阻用以設定屏極電壓, 如此一來就不怕管子的特性偏差而對整體性能有影響,很容易就可以調整輸出級的DC準位,以達到最大的動態範圍,以42V的電源電壓計算,輸出級偏壓應該調在25V左右.至於TP1,TP2的測試點,因為還要加上5V左右,所以應該在30V。
雖然在網路上也可看到調整屏極的恆流源電阻的做法, 那麼為何我不採用？
我心裡明白調整陰極電阻是比較好的做法,為了佐證,還是實際測量了..
事實證明我是對的, 失真小了一大截,某些管子甚至相差一個order !
我若不說,您也不會知道,設計者的苦心往往隱藏在細節之中!
(魔鬼藏在細節裡！)
零件的挑選煞費心思
成就一台好聽的擴大機, 零件的選擇真的非常重要:
從輸入端講起, VR 是ALPS for Audio的製品,我偏好在輸入端採用阻值小一點的可變電阻,對降低雜訊很有幫助.缺點是音量可能不會完全降至0. 但我覺得有時這反而是好處!
輸入交連電容採用WIMA, 2.2uF/50V, 小巧漂亮,視覺上賞心悅目。
電晶體一律選擇歐美管, 沒辦法,這是我個人的偏好（偏見）！我喜歡歐美管比較淳厚的聲音特性, 因此：
PowerMOS 採用IRF610, 以Vishay的製品來說 IRF610比IRF510或IRF710的Ciss要來的低. 200V 3.3A的規格綽綽有餘。
輸出級的電流源採用On Semi 的 MJE15030,這是非常好的管子.但是也不便宜。
其他的小黑豆我選了2N5210及2N5087, 裝過SF106N的人ㄧ定對這對晶體不陌生,低雜音,線性度高, 高ft（1mA時超過100Mhz）聲音非常好。
再來是Zener, Zener 有什麼好選的呢？
已經斤斤計較的設計,怎能在Zener的選擇上便宜行事！
比來比去,我還是選了On Semi 的產品,On Semi 的規格就是比較好, 擁有最低的阻抗(2.5 Ohm)。
輸出的交連電容是我最傷腦筋的部份,一再的試聽最後決定用了Panasonic 的FM系列,這是特性非常好的電容器, 壽命長（7000Hrs@105C),超低的高頻阻抗,幾乎是一般電容器的1/2~1/3,（18mOhm@100kHz),以及超高的漣波能力. 陰極的旁路電容也採用相同的系列, 我是多麼在乎高頻阻抗啊！
電源輸入電容則選用nichicon for Audio 的產品,3300uF/50V,在這麼小的位置下要找一顆容量夠大(容量愈大漣波雜音愈低),耐壓夠高,又是質優for audio的電容, nichicon這顆似乎是唯一選擇 .同樣的位置也可以裝 MUSE 1000uF/50V 的補品! 可以自行換裝聽看看。
被動元件的電容器儘量選了質優的德國或日本的製品, 以免整個耳擴最後聽起來真的太“混厚”(含混厚重也)！
線路上還有3個退交連電容,因為體積和高頻阻抗到關係而採用了陶瓷製品,後來才發現好的陶瓷電容還蠻貴的！真空管的燈絲也要並聯一顆高頻特性好的電容。再者,不要看那個長像怪怪的耳機插座,那可是Neutrik的製品!
行文至此，相信大家已經對於整部耳擴的架構與品質有相當程度的概念了，我打算將此耳擴套件的價格壓到三千元的價位，讓絕大多數的朋友都能負擔，但大家一定要有拿起烙鐵的勇氣！
下一期我會再談真空管的挑選與實際製作的程序。
colin (Colin)
2015/03/27 05:32 #2
(舉手發問)
12AU7 放大，如果直交 MOSFET ，隨偶輸出無回授，會得到第二張圖
圖中顯示，從1.5KHz 就開始衰減，逐次降低到-3dB點，就是在 15KHz 左右，(我有看錯的話跟我講一下)，
以我多年真空管經驗顯示，這也未免太低估了一些，實做上+/- 1dB 拉到 30KHz 不難才對
KEN19680124 (KEN19680124)
2015/03/27 12:10 #3
colin :
(舉手發問)
12AU7 放大，如果直交 MOSFET ，隨偶輸出無回授，會得到第二張圖
圖中顯示，從1.5KHz 就開始衰減，逐次降低到-3dB點，就是在 15KHz 左右，(我有看錯的話跟我講一下)，
以我多年真空管經驗顯示，這也未免太低估了一些，實做上+/- 1dB 拉到 30KHz 不難才對
正確，雖然數據上是這樣但以實作上來講並不會差異那麼大，不過無負回授有些很重要的問題存在，那就是左右聲道的音量會不一致，而且增益隨負載不同而有很大的變化，下面是一台無負回授耳擴的AP實測圖，上面那組(藍紅)是接上330歐姆阻抗的負載，下面那組(紫綠)是接上33歐姆阻抗的負載，可以看到增益相差非常多，而且不管是哪一組，左右耳音量都相差超過1dB。
HunkLin (HunkLin)
2015/03/27 15:50 #4
KEN19680124 :
(恕刪除引言)
剛組好，感想是我要是早一點知道它就不用花那麼多冤枉錢，這台耳擴聲音太讚!
PINK (PINK)
2015/03/27 19:17 #5
HunkLin :
剛組好，感想是我要是早一點知道它就不用花那麼多冤枉錢，這台耳擴聲音太讚!
SF801聲音太讚+1 還有無法用金錢衡量滴DIY成就感! 
colin (Colin)
2015/03/28 02:17 #6
KEN19680124 :
正確，雖然數據上是這樣但以實作上來講並不會差異那麼大，不過無負回授有些很重要的問題存在，那就是左右聲道的音量會不一致，而且增益隨負載不同而有很大的變化，下面是一台無負回授耳擴的AP實測圖，上面那組(藍紅)是接上330歐姆阻抗的負載，下面那組(紫綠)是接上33歐姆阻抗的負載，可以看到增益相差非常多，而且不管是哪一組，左右耳音量都相差超過1dB。
沒錯，
那如果我們一級一級去量測從哪邊開始有這個放大差異的 ?
第二級隨偶，沒有放大率，所以不是
最後一級也是隨偶，沒有放大率，所以也不是，
所以是 12AU7 放大率差很多，差一下資料，12AU7 放大率 17，加上負載效應以後，約是13倍，
以我幾年經驗，真空管兩邊放大率要差到 1dB 也就是 13 倍比 14.6 倍，
有機會差這樣多嗎 ? 有的，但是這樣的管子不多，也不容易遇到，
所以我猜，會不會是做恆流源的關係? 設計一開始就是打定要做回授來拉平這個差距，
恆流源設計成加大倍率，再由後端整體回授來抑止放大率，同時讓兩聲道的放大率一樣大 ( 應該是一樣小)
我個人聽感比教不喜歡整體負回授，一個是動態壓抑，一個是相位混亂，
所以比較偏向用電阻負載給 12AU7，放大率可以不那樣大，同時也不需要整體回授的部分，
來得到我喜歡的音色，當然這也是設計習慣的問題，沒有誰就一定對或是不對，
可以好好聽音樂就好了。
colin (Colin)
2015/03/28 02:22 #7
colin :
沒錯，
那如果我們一級一級去量測從哪邊開始有這個放大差異的 ?
第二級隨偶，沒有放大率，所以不是
最後一級也是隨偶，沒有放大率，所以也不是，
所以是 12AU7 放大率差很多，差一下資料，12AU7 放大率 17，加上負載效應以後，約是13倍，
以我幾年經驗，真空管兩邊放大率要差到 1dB 也就是 13 倍比 14.6 倍，
有機會差這樣多嗎 ? 有的，但是這樣的管子不多，也不容易遇到，
所以我猜，會不會是做恆流源的關係? 設計一開始就是打定要做回授來拉平這個差距，
恆流源設計成加大倍率，再由後端整體回授來抑止放大率，同時讓兩聲道的放大率一樣大 ( 應該是一樣小)
我個人聽感比教不喜歡整體負回授，一個是動態壓抑，一個是相位混亂，
所以比較偏向用電阻負載給 12AU7，放大率可以不那樣大，同時也不需要整體回授的部分，
來得到我喜歡的音色，當然這也是設計習慣的問題，沒有誰就一定對或是不對，
可以好好聽音樂就好了。
對不起，
我忘記考慮到兩聲道 VR 的差異也要量一下，以一般旋轉 40~60 度為常用聆聽音量點，
來測量一下雙連 VR 的誤差，應該考慮進去。
TOM1970 (TOM1970)
2015/03/28 19:01 #8
這台SF-801實在是經典的好設計、當年SF-106N的作者寶刀未老!
ucchang (Yuchen Chang)
2015/03/29 20:33 #9
KEN19680124 :
(恕刪除引言)
有機會聽到一台8萬多的耳擴，說實在跟S F801比沒有差別太多，當然訊源也一樣重要，可是這台的性價比實在太高，謝謝李前輩。
JohnTsai (John Tsai)
2015/03/31 19:26 #10
TOM1970 :
這台SF-801實在是經典的好設計、當年SF-106N的作者寶刀未老!
當我知道他重出江湖時就已經對這個作品的表現做好了心理準備，又是一個經典
TOMY (湯米槍)
2015/04/02 21:57 #11
JohnTsai :
當我知道他重出江湖時就已經對這個作品的表現做好了心理準備，又是一個經典
精彩的文章! 李前輩連小細節都很用心的設計，sf-801會那麼好聽一點也不意外!
