DIY47耳机放大器设计教程
HI-FI耳机放大器EB-E310设计说明书如有需要请联系qq：348577862淘宝店铺搜索：Young Electronic
EB-E310耳放：http://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.1.w4023-9406275259.4.lTVVef&id=42360638953
EB-E100DIY元件包：http://item.taobao.com/item.htm?spm=686.1000925.0.0.xaJz5o&id=42362718977
0 引言
对于低灵敏度、高阻抗的耳机，若要完全发挥其性能，电路设计优良的功率放大器是必不可少的。也即通常所说的耳机放大器，简称耳放。对于一些业余听音爱好者来说，动辄几千、上万的耳放必定不是最优选择。在这个DIY盛行的年代，自制既能满足自己蠢蠢欲动的心，又能降低成本，最主要的是能够发挥出自己耳机的性能。耳放的经典电路有多种，其中最为简单实用的耳放电路只需两级运放和若干运算电阻组成，电阻中多以47代号的电阻组成，因此称为47耳放。结合自己的设计和制作经验，在此做以设计说明，型号规定为EB-E310。
1原始电路分析
原始电路主要包括运算放大和电源供电两部分。运算放大主要起到放大输入信号、提高输出功率和声音修饰的作用。电源部分是为运算放大部分提供稳定的能量输出，为其所有功能提供源动力。
1.1放大器设计
47耳放由A、B两级放大器组成。A级负责电压放大，B级为电压跟随。其结构如图1-1所示。下面将对其结构进行具体分析。
输入端串联一个0.47uF的电容和10K电阻组成一个RC高通滤波器。滤波器的导通频率为：
Hz （1）
由公式（1）得输入信号的截止频率约为33Hz。高通滤波器的主要作用为滤除直流输入，能有效的抑制直流电流噪声。避免通过A级放大后的噪声放大。
图1-1 47耳放原理图
A级放大器为同相电压放大，设输入电压为 ，输出电压为 。
（2）
（3）
将公式（2）中 带入公式（3）得：
（4）
公式（4）变型得：
（5）
因此，A级的放大倍数约为3.13倍。
B级为电压跟随，设B级输出电压为 。电压跟随器的主要作用为：1. 输出阻抗变换， 的输出阻抗约等于0，降低内部损耗，确保输出电压的准确放大倍数，在 与负载之间起到缓冲作用；2. 由于B的输出功率由B放大器的供电供给，因此能降低A级放大器的输出功率（ 的功率）。提高电路的稳定性。
A级和B级放大器的输出连接47R电阻起到两个放大器的均流作用。A级的反馈连接至47R的输出端，因此，电阻的损耗可以忽略不计。
1.2. 供电设计
供电部分设计时，考虑到双级运放的功耗较大。保证供电的稳定性，采用独立双电源供电方式。变压器应选用EI型或环形变压器。输出电压15V AC-18V AC，输出功率不小于10W。整流环节使用桥式整流，正负电极各并联两个滤波电容，即为二级滤波器。
若滤波后直接给放大器供电，则会出现放大器受电源电压波动影响较大。应在电源与放大器之间串接电压稳压模块，使输出电压稳定在+15V和-15V。选用7815和7915三端稳压管，稳压管的最大输出电流达到1A，并带有超温保护和过载保护。由于输出纹波的存在三端稳压管的输出端分别再并联两级电容滤波。确保稳定的直流输出，使放大器具有稳定的正负供电电源。
1.3 仿真分析
在TINA中建立仿真模型分析。仿真中所有器件的参数保持与计算参数一致。电源部分由于元件库中没有7815和7915，直接采用两个15V直流电源等效。OP1和OP2采用TI原厂封装库，输出特性与真实器件相仿。VG1信号发生器输出一个振幅1V，频率15kHz的正弦波信号。输入端并联电压表VM2，输出至N1。仿真原理如图1-2所示。
图1-2 TINA仿真图
通过示波器对比输入和输出值，如图1-3所示。图中x轴为时间轴，单位μS，y轴为电压轴，单位V。分别在N1曲线和VM2曲线的峰值处测量瞬时值，即图中a和b的测量值。 ， 。 ，与计算得到的比例放大倍数相等。
图1-3 输入输出对比图
图1-4为输入输出的bode图，通过分析其相位特性和增益发现，在频率100kHz以下均具有稳定的放大输出。音频输出频率一般不超过20kHz，确保声音输出在放大器的线性工作区之内。
图1-4 输入输出bode图
2. 原理图和PCB制作
根据上述理论分析，开始设计PCB的原理图和PCB布线。常规设计中应先进性硬件选型，再设计原理图；或二者同步进行。以确保原理图中有正确的元件尺寸和封装。通过第一节的分析，47耳放电路较简单，主要器件参数基本确定，因此先进行原理设计，再进行硬件选型，同时更新原理图中的元件封装。本节内容主要在DXP中完成。
2.1. PCB原理图
原理图设计主要基于第一节的理论分析，如图2-1所示。原理图中涉及的两部分即为运算放大部分和电源供电部分。左右声道分别采用两片相同的集成运放。其中，J1为输出耳机接口，J2为输入耳机接口，P3为双联电位器，用于调节音量。OPA1和OPA2实现运算放大功能。电源部分P1与双输出变压器的输出端相连。7815和7915确保稳定输出的两个三端稳压管。其它为整流桥和滤波电容。
2.2. 硬件选型
硬件选型中，首选标准参数元件，次选定制参数元件。封装首选通用封装，以满足后期扩展性和不同品牌元件更换时的通用性。同时，保证性能满足需求。
图2-1 PCB原理图
2.2.1. J1 J2 3.5mm耳机输出接口
耳机输入/输出接口选用标准3.5mm接口形式，以满足常规耳机的需求。由于本DIY耳放所接音源主要为CD、MP3和电脑输出，因此输入也选用3.5mm接口形式，通过双公AUX线与音源相连。其具体封装结构和外形尺寸如图2-2所示。本封装非标准封装，生成PCB布线图时需自行设计。
2-2 3.5mm耳机接口外形图
2.2.2. 主运放TI OPA2132
高速FET输入集成运放。OPA2132提供高速和精准的DC表现。高转换速率和超宽带宽范围的组合确保快速的处理速度。广泛用于音频HI-FI领域，特别是高阻低敏环境。在宽频率范围内具有出色的动态表现和稳定的放大输出。主要参数如表2-1所示。
表2-1 OPA2132主要参数
芯片型号OPA2132PA
供电电压V+至V-36V
供电电压范围±2.5V至±18V
输入电压-0.7V-+0.7V
转换速率20V/μs
畸变率0.00008%
最大偏置电压±0.5mV
开环增益130dB（@600Ω）
工作温度范围-40°C-+125°C
最高耐受温度300°C（10s）
存储温度-55°C-+125°C
焊接温度150°C
封装DIP8
2.2.3. 三端稳压管7815
LM7815三端稳压管能够输出固定15V电压。芯片内部具有过热和过载保护。主要特点：
1. 最大输出电流1A;
2. 内部过载保护；
3. 无需其它外围电路；
4. 输出晶体管安全区保护；
5. 内部短路电流限制。
主要参数如表2-2所示。
表2-2 LM7815主要参数
芯片型号LM7815C
输出电压15V
输出电压波动12mV（最大150mV）
输入电压范围17.5V-30V
输出电压波动90μV
短路电流保护1.2A
峰值输出电流2.4A
温度对输出电压影响1.8mV/°C（@25°C）
工作温度范围0°C-70°C
最高耐受温度230°C（10s）
存储温度-65°C-150°C
封装TO-220
2.2.4三端稳压管7915
LM7915三端稳压管能够输出固定-15V电压。芯片内部具有过热和过载保护。主要特点：
1. 最大输出电流1.5A;
2. 内部过载保护；
3. 无需其它外围电路；
4. 输出晶体管安全区保护；
5. 内部短路电流限制。
主要参数如表2-3所示。
表2-3 LM7915主要参数
芯片型号LM7915C
输出电压-15V
输出电压波动12mV（最大200mV）
输入电压范围-30V- -17.5V
输出电压波动375μV
峰值输出电流2.2A
温度对输出电压影响1.8mV/°C（@25°C）
工作温度范围0°C-125°C
最高耐受温度230°C（10s）
存储温度-65°C-150°C
封装TO-220
2.2.5 C1、C2
0.47uF高频电解电容。工作电压50V，耐受温度105°C。封装RAD-0.1。
2.2.6 C3、C5、C7、C9
104高频陶瓷电容。工作电压50V。封装RAD-0.1。
2.2.7 C6、C10
220uF高频电解电容。工作电压50V，耐受温度105°C。封装CAPPR5-5×5。
2.2.8 C4、C8
1000uF高频电解电容。工作电压50V，耐受温度105°C。封装CAPPR5-5×5。
2.2.9 1N4007
封装DIO10.46-5.3×2.8
2.2.10 R3、R8
4k7电阻，功耗1/4W，误差0.5%。封装AXIAL-0.4。
2.2.11 R1、R6
10k电阻，功耗1/4W，误差0.5%。封装AXIAL-0.4。
2.2.12 R2、R4、R7、R9
47电阻，功耗1/4W，误差0.5%。封装AXIAL-0.4。
2.2.13 R5、R10
100k电阻，功耗1/4W，误差0.5%。封装AXIAL-0.4。
2.2.14双电源接口P1
3端输入接口封装HDR1×3。
2.2.15放大器底座
为满足后期扩展性和不同听音需求，运放接口采用DIP底座。实际使用中可将OPA2132拆下，换为其它任意双列直插双运放，如NE5532等。双列直插放大器底座接口封装DIP8。
2.2.16音频电位器
工作温度-10°C-+100°C，阻值10KΩ。转动噪音≤47mV。最大工作电压AC50V。额定功耗0.033W。抗电强度AC300V 1m。双联误差0～-20dB。焊接温度235°C 小于3s。封装HDR2×3。
2.3 PCB布线
由于电路结构简单，采用单层板即可满足需求。走线设计时一般信号线电流较小，选用10mil（最大电流0.55A）线宽，正负15V电源选用15mil线宽，0V选用20mil线宽。
音频信号分为左右两个声道，对信号传输的同步性要求很高。左右声道布线时尽量采用对称布线设置，最大限度的保持信号路径长度一致。0V布线围绕电路板外边沿，未布线空间全部铺铜与地线相连，在抑制外界干扰的同时，还能满足自身散热需求。
元件布局方面，供电部分集中于PCB右侧，避免其对左侧高频信号的干扰。发热量较大的7815和7915分别位于上下两侧，便于器件自身散热也不会对其它器件造成影响。正负电极分开布置，中间用0V线和铺铜隔离，避免干扰。PCB左侧放置输入、输出和电位器，两个集成运放放置于中部，既保证供电部分接线方便，又能最大限度的减小其与输入/输出之间的走线长度。避免距离过长造成的干扰引入和左右声道不同步问题。布线效果如图2-3所示。
图2-3 PCB布线图
3. 耳放制作
设计完成后开始制作硬件。依次进行PCB打样、元器件选购、焊接、上电测试、示波器分析等。EB-E310耳放照片和示波器分析如图3-1至图3-8所示。
图3-1 PCB板背面图
图3-2 PCB板正面图
图3-3 EB-E310成品图
图3-4 变压器输出波形图
图3-5 7815输出电压波形图
图3-6 7915输出波形图
图3-7 输入/输出对比波形图-11.1kHz
图3-8 输入/输出对比波形图-33.34kHz
其中图3-4为变压器输出端的波形图，由图可见为标准50Hz交流信号，有效值18V。
图3-5和图3-6为7815和7915输出端的波形图，输出电压为稳定的15.2V和-15.2V。
图3-7和图3-8为输入和输出对比波形图，青色波形为EB-E310输入信号，黄色波形为输出信号。可见47耳放具有良好的波形跟踪性能和稳定的电压放大输出。实现高保真的音频放大功能。
4. 结论
通过上述理论计算、仿真分析和样机试验三方面证明了EB-E310耳放电路硬件可靠，PCB布线合理。元件选型部分充分考虑音频信号对高频的需求，集成运放选用OPA2132，作为发烧级音频放大器，其工作电压范围大，失调电流小，线性输出范围宽。通过示波器观察其输出稳定。可作为发烧入门的首选运放。EI型交流变压器能提供标准的正弦供电信号，经过桥式整流、电容滤波、7815和7915稳压控制后，输出15.2V和-15.2V直流信号。为系统提供高质量电能。此外本样机已经过长期稳定性测试。证明了其电路设计的科学性。
如有需要请联系qq：348577862淘宝店铺搜索：Young Electronic
EB-E310耳放：http://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.1.w4023-9406275259.4.lTVVef&id=42360638953
EB-E100DIY元件包：http://item.taobao.com/item.htm?spm=686.1000925.0.0.xaJz5o&id=42362718977 我突然想吟诗一首：
大海啊，全是水！！
骏马啊，四条腿！！ 由于本论坛不方便上传图片。若需要详细版文档请留下邮箱。或直接qq交流 我突然想吟诗一首：
大海啊，全是水！！
骏马啊，四条腿！！
螃蟹啊，硬壳子！！
楼主啊，~~~~~~~~~~~~~~~真厉害。 上传教程图片第一页，第二页 今天上传达到上限。明天继续 47耳放也就玩玩而已，千万别当真。
内阻本来就大，再串个47欧，你当人人都玩PK1啊，像701之类op+buf本来就推不动，如果是HD600之类提高电压也能好点，但是OP天生的输出电流，OH MY GOD，算了吧。
47也就玩玩随身小耳塞，最多SR80之类低阻高敏，别的就算了，还有人用台式47简直是不可理喻，这货带带耳塞还上台式，高射炮打蚊子。
最值得吐槽的是楼主居然一个块子做一个声道了，怎么不干脆用个LM324，高档点用个LT1058里面4个OP呢，这样还不用配对，难道楼主不知道配对的困难么，为什么原作是两个OP串联，就是因为OP的配对问题不好搞。
楼主搞了个套件就更值得吐槽了，本来不怎么样的电路，原件那么低端，有个电容还是瘪的，接口也是最低端的2毛一个的3.5，你知道这个接口是很重要的么，很容易就接触不良，还有个槽点，你OP边上的原件离得太近，如果买家需要用单OP转接的话根本就放不下。还有关键的耦合，拜托，都卖23了，用点好的吧，铁脚电阻都不说了，耦合居然是几分一个的“玩具”电容。两个ELNA也不贵拆机的WIMA也就1-2毛，瓷片电容居然都有，换安规电容吧，不贵，也就1毛左右，最主要是23元，还不带OP两个拆机的大S也就5块，要知道，我做的47成本也就25，还有个价值16元的铝合金壳子。
建议楼主上淘宝多看看，别人的47啥样，价位如何。 六楼真是用惯了拆机件。对行情这么了解。今天我才知道ti上海总代理出售的35一片的2132是拆机的。那真不知道未拆机的多少钱。对于左右声道的同步问题，我当时也很纠结，经过一些测试还是决定分开处理。
同时欢迎继续吐槽，吐槽越多，下一版的改进也会更好。多谢大家的支持。 本耳放已经测试，300欧的负载无压力。 2132，标准低压OP，你在+-15V下来用，划得来么，在+-15v下面2604声音应该比2132好得多吧。
还有，你套件里有2132么？就算你19元也比别人贵，别人的原件还比你好。
还有，你真的听过其他耳放么，300欧HD600还是650还是800啊，这几个47能推动么，呵呵。
其实，想吐槽的是你的思路，47为什么叫47，是因为人家设计的时候手上只有47欧的电阻，如果要增大推力，改为10欧或更低会更好的。 2604没用过不知道声音怎么样。用15V推主要是考虑其它片子也可以通用。所以就上15V，测试其它片子的时候电源部分也就不用再改了。 47结构要是推300欧耳机无压力，只能说是推300欧耳机能响无压力。 什么叫推不动?去主区看下就知道了,人家都说了夠大声就叫给力! 47本来就是随身的，何必上台式呢，既然上台式呢干脆做SOLO、A1、莱曼多好呢。 小小的47再次引起热烈的讨论。欢迎大家继续。这里再次说明一次，用双15供电仅为设计方便。手边只有双15电源，没有电池。继续学习中 如果是玩solo或lehmann那就真的不能用这级别的电容了。这里电容仅仅是滤除谐波，因此。。。。。。。。。 你们真是的，就一个23块钱的套件，要求就别这么高了撒！！
然后呢，我个人认为，一般的高阻耳机，300欧姆什么的，运放直接输出还真的是可以的，供电电压高一点，47结构够用了，我说的是功率，当然你要说效果和音色以及味道，那另当别论 耦合电容是滤除谐波的么，还有如果用电池的话是不是就不用电容了呢，滤波电容名义上的确是滤波用，但是实际上是降低电源内阻的作用，不可小视，必须用低内阻的电容。
既然没电池就，买两个一块多一个，又不贵。
最近我也在想做个随身的类似SOLO的电路，图我都画好了，其实简单得很，楼主要弄的话，干脆上这个好了 简单电路，原件又少 楼上，把R1、R2换成恒流源，就更好了，不过也更复杂了
页:
[1]
2