用三种运放制作LP唱机的唱头放大器教案资料.docx
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用三种运放制作LP唱机的唱头放大器教案资料
用三种运放制作LP唱机的唱头放大器
2011年购买了一台皮带传动、全铸铝唱盘的LP黑胶唱机——美国狮龙PM-9805。
此唱机唱头是动磁型（MM）的。
狮龙PM-9805底噪非常低，即使戴上监听级别的耳机来听，其微弱的交流声也几乎不可闻。
但此唱机没有内置的唱头放大器，需要自己另外制作。
为了使用此唱机，DIY了MM唱头放大器。
先后用三种IC，实验了两种类型。
一、先用LT1057制作反馈型唱放。
LT1057是1992年专程去上海一家无线电/音响商店买的。
电路图和做好的实物及印版图片如下：
该线路放大倍数计算：
低频：
【（0.68K+910K+56K+4.7K）/1.2K】+1=810
中频：
【（0.68K+56K+4.7K）/1.2K】+1=52
高频：
（0.68K/1.2K）+1=1.57
RIAA均衡网络转折频率的时间常数计算：
高频（4.7K+56K）×1.2nF=72.84µS
中频（4.7K+56K）×4.3nF=260µS
低频910K×4.3nF=3913µS
与RIAA标准转折频率的时间常数相比，有些误差。
RIAA标准转折频率的时间常数如下：
t1=trebletimeconstant,75uS（2120HZ）
t2=mediumtimeconstant,318uS（500.5HZ）
t3=basstimeconstant,3180uS（50.5HZ）
这可能是此系成品机线路，采用非标准系列元件不方便所致。
由于我第一次DIY唱头放大器，没有经验，所以没有修改，照搬原线路的设计值挑选元件。
所有元器件都从手头已有的元件中挑选。
LT1057采用金属封装的。
±15V稳压电源用美国线性技术公司LT317和LT337制作，而不是常见的LM317、LM337。
LT317和LT337也是1992年在上海同一家无线电/音响商店购买的。
当时国内《无线电与电视》杂志介绍说，美国线性技术公司LT317和LT337的稳压性能特别好，共模抑制比很高，输出紋波极小，输出电压漂移极小，特别适合用来制作±稳压电源。
电路图如下。
图中可调电位器采用多圈精密电位器，以避免阻值漂移引起输出电压波动。
稳压电源图片如下，±15V分别用LT317和LT337。
整流元件采用60V、10A肖特基二极管。
此管内部有2个二极管，本身是共阴极结构，引出1个阴极，两个阳极。
我在外部再将两个阳极引出脚并联起来，实现两管并联运用，达到进一步降低内阻，提高开关速率，减少整流输出波形毛刺的目的。
此举效果很好，唱放做好后，没有来自电源的任何干扰。
试机在重播音乐时，反馈型唱放的定位、三维（3D）、空气感和速度反应等等的表现平平，很一般，尤其高频虽然较柔顺，但细节不多，有些暗晦：
中频不够饱满，人声底气有些不足；低频的量感虽然较多，但无力——较"肥"。
尽管听感上有这么多的缺点，但唯一的优点也是明显的：
信噪比较高，唱头输入端对地短路时，唱放输出0.02mV（RMS），放唱片时输出500～1200mV（RMS），信噪比88～94db。
对于唱头放大器，信噪比固然重要，但是听感更加重要。
然而定位、三维（3D）、空气感和速度反应等等表现平平正是反馈型唱放先天缺点，无法从根本上改变。
于是想试试RC衰减型唱放音音质如何。
二、用美国线性技术公司LT1058制作RC衰减型唱放。
（1）首先确定唱放所需的增益：
MM唱头输出2.5mV，
带前置放大的合并式功放所需的输入电平：
550mV～1000mV（RMS）
输入到输出所需增益：
20㏒（550/2.5）=20㏒220=46.8db
RC衰减网路将衰减增益约20db,
所以电路总增益：
47db＋20db=67db
第一级运放增益：
20㏒（160/1）=20㏒160=44db
第二级级运放增益：
20㏒（180/10）=20㏒18=25db
（2）再计算RIAA均衡网络转折频率的时间常数
采用Gautau版主（在中国音响DIY的网名）的建议，以英国新式的RIAA/IEC60098——2505µS為基礎计算
R1xC1=590.8018868µS
（R1+R2）xC2=2505µS
R2xC2=318µS
R1//R2xC1=75µS
另外2个电阻和2个电容取值，还必须满足以下比例关系：
R1÷R2=6.877358491——这保证LP重放时低頻结像力与爆炸力可与CD一比。
C2÷C1=3.701748503——这保证LP重放时高频既不暗晦又不刺耳。
线路图来源于“中国音响DIY”Gautau版主的设计，只是运放换成手头已有的LT1058：
由于RIAA均衡网络的阻容元件的参数准确性非常重要，任意一个失准都将影响音质，所以用原装进口（madeinUSA）美国FLUKE79数字万用表，从自己20多年积累的元件库中仔细挑选，尽量准确。
下面是电容库的部分元件：
RIAA均衡网络的阻容元件都是串串并并地组合而成的。
由于LT1058输入级采用JEFT，输入电流是PA级的，所以为了防止印板上位于运放输入端附近的正负15V电源线对运放的“Rf”干扰，制作时注意了左右声道的第一级运放输入端（2、3脚和12、13脚）的落地方式——采用地线将2、3脚和12、13脚分别包围起来，元件用引脚或飞线跨过地线包围圈接往2、3、12、13脚。
理论根据见书籍节录：
印版上做“Guard”的方法见下图：
实际PCB图片，可明显见到两个用地线围成的“Guard”：
试机在重播LP音乐时，其定位、三维（3D）、空气感和速度反应等等的表现很好，尤其高频虽然细节较多，但很柔顺，既华丽，又不刺耳：
中频够饱满，人声底气挺足；低频的量感较多，且有力——不"肥"。
最大的问题是信噪比较低，唱头输入端对地短路时，唱放输出0.05mV（RMS），放唱片时输出500～1200mV（RMS），信噪比80～87.6db。
唱放带唱头空载通电时，耳朵离音箱20厘米以内就能听到哼声。
这正印证了一句老话：
“有所得，必有所失”。
信噪比劣于反馈型唱放正是衰减型唱放的先天不足，于是想到换性能更好的超低噪声单运放，试试音质和信噪比是否有所改进。
三、用美国线性技术公司LT1028制作RC衰减型唱放。
用美国线性技术公司4块LT1028超低噪声高速精密单运放重新制作了RC衰减型MM唱头放大器。
LT1028输入晶体管是双极型而不是FET型的。
该运放最大优点是超低噪声，是美国线性技术公司专门针对在高灵敏度仪器中运用而设计开发的。
LT1028运放的内部电路见下图：
LT1028也是1992年购买的。
元器件参数都严格按照电路图设计的数值，用原装进口（madeinUSA）美国FLUKE79数字万用表仔细挑选，尤其RIAA均衡网络的RC元件数值没有误差，多数R、C是用2个以上元件串联或并联构成最后的精确值，最多的使用4个电容并联而成1个电容。
由于制作LT1058RC衰减型唱放时，挑完了所有能合成20.632K的电阻，所以到杭州电子市场买了20K和0.62K五环电阻各100个，从中挑选4个组成20.632K的电阻。
线路和元器件参数与前一款来源于“中国音响DIY”Gautau版主的设计的相同，只是将四运放LT1058换成单运放LT1028，如下图：
虽然LT1028是输入电流nA级的全双极型运放，但为了以后能直接换用OPA627、
OPA637等pA级输入电流的单运放（输入级是EFT），制作时同样注意了运放输入端（2、3脚）的落地方式——采用地线将2、3脚包围起来，元件用引脚或飞线跨过地线包围圈接往2、3脚。
实际PCB见下图，图中可见到四个用地线围成的“Guard”，运放的输入端的2、3脚位于“Guard”包围圈的中间：
元器件的选择：
（1）电容
信号通路的的电容，包括RIAA均衡网络的电容，不能采用圆筒型卷绕式的，因为这种类型的电容器有微音效应即麦克风效应，将严重影响音乐的重播效果。
我采用云母电容、MKP或CBB聚丙烯电容。
输出耦合电容采用耐压100V的叠片型聚丙烯电容，尽管体积较大（见印版上的长方形大电容，其叠片结构一目了然），但频率响应较好。
运放反相端的电解，采用金属壳“湿”钽电解，因为这种类型电解的漏电和频率响应指标都优于铝箔卷绕式电解。
板上滤波电解选择余地较大，不必过于苛刻。
我采用手头已有的紫色和红色封皮的ELNA音响专用电解，从封皮的颜色可以辨别出它的级别——属于“音响级”。
这电解也是1992年买的。
正负15V稳压电源的滤波电解采用深蓝色封皮的“普通级”。
棕色封皮的电解则属于耐温125℃的“工业级”。
（2）电阻
采用金属膜或碳膜电阻均可以。
碳质电阻有热噪音和散弹噪音、金属膜有散弹噪音、线绕电阻有热噪音，在选择电阻时须多加留意。
我采用五环金属膜电阻。
安装：
电源变压器采用成品R型铁芯、双18V绕组变压器，工作温升非常低，漏磁小。
变压器唱头放大器板及稳压电源板一起装进一个“金利来”的木质包装盒中，见下图：
使用效果：
得益于Gautau版主的优秀电路设计，LT1028唱放的音质非常好。
高频：
细节很多，丝滑柔顺：
中频：
人声底气很足，饱满而甜美，美的没得说的——听《蔡琴老歌》LP时，仿佛蔡琴就站在面前似的。
低频：
下潜很深，厚实有力，富有弹性，但不肥，蔡琴“痴痴的等”中的强大的低音贝司表现得恰到好处。
整体空间感和空气感非常好，很接近真空管唱放的韵味。
这不仅与RC衰减型电路形式有关，可能也与LT1028静态电流较大（约10mA）有关——连续工作几小时后，用手摸IC，感到有些烫手，手指在上面有些挺不住。
唱放的底噪很低。
唱头输入端对地短路时，唱放输出0.015mV（RMS），放唱片时输出500～1200mV（RMS），信噪比90～98db。
唱放带唱头空载通电时，耳朵紧贴音箱，听不到一点噪声；即使带上全罩耳的监听级耳机，也只能听到一点完全可以忽略的极其轻微的哼声。
LT317和LT337稳压电源非常稳定，连续工作8小时后，实测输出电压仍是精确的±15.000V，没有丝毫漂移。
可能正是由于±电源对称性非常好，所以运放输入端失调电流电压很小，才有可能在没接输入电容（唱头直接耦合）的情况下正常工作。
用来听音的放大器：
驱动音箱的是2A3和300B通用的电子管单端放大器：
此放大器的设计、制作、调试见《DIY2A3和300B单端甲类胆机（设计制作篇）》和《DIY2A3和300B单端甲类胆机（修改调试篇）》。
这台放大器的信噪比达到90db：
LP唱机和唱头放大器通电（不放唱片），功放输入接唱放的输出，注意：
不是将功放输入端短路，音量电位器开到最大，耳朵紧贴音箱的低音喇叭听不到一点哼声，紧贴高音喇叭才可以勉强听到一点极其轻微的咝咝噪声。
驱动32欧姆耳机的是我自制的ECC82（12BH7）[SRPP]+5687[WCF]电子管耳机放大器。
此放大器的设计、制作、调试见《自作电子管耳机放大器》一文。
图中前面两排共6个电子管是RIAA均衡放大器+前置放大器，还没有开始实际制作，插上电子管只是为了拍照片。
后面两排共8个电子管是电源稳压器+耳机放大器，已经做好。
驱动美国GRADO（歌德）SR225I32欧低阻耳机的效果非常好，频响很宽，动态很好，尤其信噪比达到100db。
戴上耳机，音量电位器开到16：
00也听不到一点噪声，要开到16：
00以后（也就是开到最大处），才有一点来自唱机的极其轻微的咝咝声，几乎可以忽略。
唱头放大器做好后，在“中国音响DIY”网站看到Gautau版主关于必须加输入隔直电容，防止烧唱头的提示，于是我将0.56K的输入电阻去掉，在它的位置加入了4uF的玻璃釉电容。
国内有书籍介绍这种电容是叠片结构，频率特性可以与云母电容相媲美。
电容图片如下：
试机一开声，出乎意料，左声道无声，在线测——无输出；停机——检查——无恙；再开机，好了，声音与不加电容直接耦合时没差异，用手指弹电容也没麦克风效应，很好！
但过了一会，右声道没声了，再重复上述检查后，再开机，右声道好了，左声道没声了，…….有时两个声道都没声了，反反复复，最后只好将电容拆下，换回0.56K的输入电阻，就一切都好了，很稳定。
什么原因造成这种运放没有输出故障？
事后我分析可能有二：
一、电容器有时开路。
我在电容上加18V（RMS）交流电压、通过10mA交流电流，用示波器观察通过电容器的电流在1.8K电阻上交流电压降波形4小时，始终没有中断现象，这个原因首先被排除。
二、输入隔直电容器的容量过大，电容通过MM唱头线圈电阻（约600欧）对地的较大充放电电流，“拉走”了LT1028运放同相输入端的双极型晶体管Q1正常工作的偏置电流（正常值为4.5uA），使它处于截止状态。
LT1028运放的内部电路见前面的图片。
以下是我在“中国音响DIY”网站发帖向Gautau版主请教时与他的对话：
我：
由于双极型运放电路输入阻抗较低，如果采用较小的输入电容，是否会影响唱放的低频频率响应？
用多大容量比较合适？
是否要在运放同相端对地加接一个较大电阻（470K以上）以保证频应？
由于要为2、3脚的落地包围圈留出空间，所以印版同相输入端的焊点很小，反复试验很容易烫坏焊点铜箔，所以还没有试过小容量电容是否能使唱放正常工作，是否影响频应。
想请教G兄，一般用多少容量电容就可以不影响频应？
想明确方向后再试，尽量减少烫焊次数。
先谢谢G兄了！
Gautau
恭喜！
其实这唱放当时与价值一至二万元的商品作較量（闭门）......
当时这线路是用NiMH电池供电......
输入电容的选择要十分小心...曾因用湿鉭（无极接法）而废了一只唱头，若用普通的鉭貭，漏电更大。
故只能用PP（MKP、FKP）级以上的电容。
输入端必須加回隔直电容，如上面回帖所述。
在开关电源时或有脉冲出现，日久便有机会损坏唱头。
我：
运放反相端的44UF和22UF的电容使用普通鉭电解电容可以吗？
Gautau
钽质可矣。
输入部分可參考麥景图C33:
输入150KΩ落地，串10μF，再并68.1KΩ落地。
10μF入IC。
或试将开关作不同"时段"间隔"操作"，若輸入端仍没有一丝脉冲电压出现，便可直入OP，不用隔直电容。
MM头用或不用都不要紧，但勿用电解。
但MC头便須留意。
由于Gautau提示我：
如输入端没有电压脉冲出现，或是用MM头，便可直入OP，不用隔直电容，而这正符合我的唱头放大器的情况，所以一直没加隔直电容，用了5年都安然无恙。
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