JLH 1969 耳放的分析和仿真 (發表於12年前)

smirnoff · 時間: *2012-10-21 01:07*

近10年來, 不少愛好者熱衷於找"最好"的 OPAMP 例如 OPA627/OPA637, AD797, AD8620/8610, OPA2132/2134 等等來搭建自己的耳機放大器.
然而, 很多人沒有注意到就算是最好的這類OPAMP的開環帶寬其實慘不忍睹.

40 多年前, John Linsley Hood 就已經給大家設計了一個非凡的 CFA,
從上面的圖裡面您可以觀察到:

開環的時候, 增益有 57dB, 而 -3dB帶寬仍然有 100KHz 左右.

而且 THD 仍然是可以看的(沒到 1%)

代碼:






Direct Newton iteration for .op point succeeded.

Fourier components of V(tp2)

DC component:0.000223925



Harmonic   Frequency    Fourier    Normalized    Phase     Normalized

 Number      [Hz]      Component    Component   [degree]   Phase [deg]

    1      1.000e+03   7.748e-01   1.000e+00       7.23°       0.00°

    2      2.000e+03   4.022e-03   5.192e-03     108.86°     101.62°

    3      3.000e+03   3.169e-05   4.091e-05     175.86°     168.63°

    4      4.000e+03   2.264e-06   2.922e-06    -133.28°    -140.51°

    5      5.000e+03   8.255e-07   1.065e-06     -27.12°     -34.35°

    6      6.000e+03   6.415e-07   8.280e-07     -78.38°     -85.61°

    7      7.000e+03   6.956e-07   8.978e-07       9.59°       2.36°

    8      8.000e+03   7.594e-07   9.801e-07     -70.47°     -77.70°

    9      9.000e+03   7.525e-07   9.712e-07      33.97°      26.74°

Total Harmonic Distortion: 0.519191%







Date: Sun Oct 21 00:40:13 2012

Total elapsed time: 302.068 seconds.



tnom = 27

temp = 27

method = modified trap

totiter = 6200180

traniter = 6200171

tranpoints = 3100081

accept = 3100072

rejected = 9

matrix size = 36

fillins = 47

solver = Normal

Matrix Compiler1: 5.08 KB object code size  1.9/0.9/[0.6]

Matrix Compiler2: off  [0.5]/0.8/0.6

您可能會問, 閉環的時候呢?

下面就是閉環的數據.

10 dB 左右的閉環增益, THD 0.000497%, 夠好了吧?

代碼:




Direct Newton iteration for .op point succeeded.

Fourier components of V(tp2)

DC component:8.47369e-006



Harmonic   Frequency    Fourier    Normalized    Phase     Normalized

 Number      [Hz]      Component    Component   [degree]   Phase [deg]

    1      1.000e+03   3.762e-03   1.000e+00       0.18°       0.00°

    2      2.000e+03   1.201e-08   3.192e-06    -167.56°    -167.74°

    3      3.000e+03   8.234e-09   2.189e-06    -158.78°    -158.96°

    4      4.000e+03   6.374e-09   1.694e-06    -151.87°    -152.05°

    5      5.000e+03   5.303e-09   1.409e-06    -145.18°    -145.36°

    6      6.000e+03   4.625e-09   1.229e-06    -138.49°    -138.67°

    7      7.000e+03   4.205e-09   1.118e-06    -132.01°    -132.19°

    8      8.000e+03   3.917e-09   1.041e-06    -125.94°    -126.11°

    9      9.000e+03   3.739e-09   9.939e-07    -120.39°    -120.57°

Total Harmonic Distortion: 0.000497%







Date: Sun Oct 21 00:53:27 2012

Total elapsed time: 311.791 seconds.



tnom = 27

temp = 27

method = modified trap

totiter = 6200386

traniter = 6200377

tranpoints = 3100129

accept = 3100102

rejected = 27

matrix size = 36

fillins = 47

solver = Normal

Matrix Compiler1: 5.08 KB object code size  2.1/0.9/[0.6]

Matrix Compiler2: 3.75 KB object code size  0.5/0.7/[0.5]

smirnoff · 時間: *2012-10-21 01:14*

10 dB 左右的閉環增益, THD 0.0005

1MHZ 閉環帶寬。

夠好了吧，就算是金耳朵也不可能聽到 100KHZ 。

smirnoff · 時間: *2012-10-21 01:18*

也許眼尖的讀者會說, 這些都是小信號的數據,沒有說服力。

下面就是大信號的數據,

1000毫伏PP輸入, 5.26伏pp輸出。

Total Harmonic Distortion 只有區區 0.007157%, 而且主要是 2次諧波, 3 次諧波在 -100dB 以下。

喜歡聽膽機的都說喜歡 “膽味”, 2次諧波就是膽味的來源,
如果喜歡 “膽味”, 這點 0.007% 的膽味應該不會讓您失望。

代碼:






Direct Newton iteration for .op point succeeded.

Fourier components of V(tp2)

DC component:0.000244741



Harmonic   Frequency    Fourier    Normalized    Phase     Normalized

 Number      [Hz]      Component    Component   [degree]   Phase [deg]

    1      1.000e+03   2.633e+00   1.000e+00       0.18°       0.00°

    2      2.000e+03   1.872e-04   7.108e-05      85.35°      85.18°

    3      3.000e+03   1.333e-05   5.062e-06      73.23°      73.06°

    4      4.000e+03   9.088e-06   3.451e-06     139.40°     139.22°

    5      5.000e+03   9.399e-06   3.569e-06     -71.55°     -71.73°

    6      6.000e+03   8.215e-06   3.119e-06      58.32°      58.14°

    7      7.000e+03   4.985e-06   1.893e-06     -39.55°     -39.72°

    8      8.000e+03   4.446e-06   1.688e-06      58.99°      58.81°

    9      9.000e+03   4.758e-06   1.807e-06    -101.42°    -101.60°

Total Harmonic Distortion: 0.007157%







Date: Sun Oct 21 01:25:38 2012

Total elapsed time: 340.558 seconds.



tnom = 27

temp = 27

method = modified trap

totiter = 6200155

traniter = 6200146

tranpoints = 3100064

accept = 3100056

rejected = 8

matrix size = 36

fillins = 47

solver = Normal

Matrix Compiler1: 5.08 KB object code size  1.7/0.9/[0.6]

Matrix Compiler2: 3.75 KB object code size  0.7/0.7/[0.6]

smirnoff · 時間: *2012-10-21 01:37*

當然，一個好的耳放只有好看的 THD 和帶寬是不夠的，挑剔的愛好者不會滿足於這些指標。

耳機是十分靈敏的，愛好者們也許會很關心噪音。

下面就是 JLH1969 耳放的噪音表現：

在人耳最敏感的區域，您會發現 JLH1969 的噪音只有 18.5納伏而已。

smirnoff · 時間: *2012-10-21 01:44*

骨灰級的愛好者也許會問， TIM， SLEW RATE 和 PHASE MARGIN 呢？

下面就是這些相關的表現。

如果去掉 Q2 上的補償電容 C7，把增益調整到 0 DB

Slew Rate 大約是 55~60 V/uS.

TIM 比較復雜，稍後描述。

PHASE MARGIN 當然是要補償以後再說了。

如果 Q2 上的補償電容 C7 取 100 皮法，那麼這個耳放的 PHASE MARGIN 大致是這樣的：

因為它的超高帶寬，觀察 PHASE MARGIN 的頻點已經到了 RF，
也就是 10MHz 與 30 MHz 之間。

根據下圖可以看出，適當的補償以後，相位裕度大於 60 度。
反相時的增益（-18DB）遠小於1，電路是穩定的。

smirnoff · 時間: *2012-10-21 02:49*

雖然 JLH1969 的性能是如此的優越, 它仍然是有缺點的。

很多人焊好了板子以後發現插上耳機就自激, 為什麼呢?

40多年前, John Linsley Hood 擺弄它的時候, 晶體管沒有現在那麼快。 FT 沒有現在的那麼高。

現在隨隨便便找個晶體管, FT 都是 10MHZ, 100MHZ, 200MHZ 的。

這就是問題的根源之一。了解了這一點, 您就知道不需要用太快的晶體管,大機的話 2N3055 或者 TIP 41 足矣。

如果找不到慢的晶體管怎麼辦? 在發射極上套個磁珠吧。

另外,很多人崇尚 “補品” 元件, 害怕自己不用 “補品” 元件的話,會給別人笑話。

愛好者可能會問,用“補品” 元件有錯麼?

當然, “補品” 元件本身是沒有錯的。所謂的“錯" 是因為被用到了不合適的地方。

自舉電容不需要用“補品” 元件, 只需要用最便宜最普通的鋁電解就好了。原因是這樣的, 當頻率升高的時候, 電解電容的寄生串聯電感抑制了自舉的效率, 降低增益, 讓電路趨於穩定。

第三, 補償電容是不能省的。因為電路太快了, 您必須折衷。

第四, 不要忘記耳機是個復雜的電抗元件。您需要茹貝爾網絡來吸收耳機的反射能量。

第五, 在某些情況下, 容性負載會讓電路振蕩。而耳機線的寄生電容在 500皮法到 2000 皮法之間。

----------------------------------------------------------

如圖, 沒有適當補償的電路加上了 500皮法的容性負載,
義無反顧地振蕩起來了。

smirnoff · 時間: *2012-10-21 03:04*

當您把輸出級換成 2N3055 就很穩定，雖然沒有補償，雖然帶上了容性負載，堅如磐石。

smirnoff · 時間: *2012-10-21 03:13*

如果您看過其他一些高速放大器的應用指南，您可能會發現它們的輸出端會串一個很小的阻尼電阻。

這也是個折衷的手段。

如果您把上圖中的輸出級換回高速的 2N5550/5551，不補償的話振蕩是不可避免的。

而如果您按照這裡的方法串上一個 10 歐的阻尼電阻就會發現振蕩消失了。

smirnoff · 時間: *2012-10-21 03:15*

結語：

講了那麼多，不如做一個來玩玩吧？

成本只有不到 2 美元。