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S100音频功率放大器设计过程
朝露电子推出S70后，就开始进行新功放的设计，新功放的设计目标是：
- 比S70更大的输出功率，更能轻松应付大动态音乐；
- S70的声音特点是温婉，新功放追求的目标是全频段的通透和平衡；
- 具备遥控功能，能对音量和输入选择进行遥控操作；
- 仍然采用和S70类似的小机身结构，方便摆放。
定下设计目标后，我们就开始着手将其实现，下面是新功放的特点和设计过程。
前后级独立供电
S70功放的功率为每声道70W，我们希望新功放输出功率超过S70，故将功率定为在8Ω负载下每声道100W，由此新功放命名为S100。根据计算和试验结果，我们在功率级采用±50V供电，电压放大级采用±55V供电。将前后级分开供电，能避免功率级工作在大动态时造成的电压波动对前级的干扰 ，能得到更干净的声音。
采用三肯高速热反应型复合功率管SAP15N/SAP15P
输出功率管我们原计划采用东芝的2SC5200/2SA1943，其集电极电流为15A，集电极耗散功率为150W，能满足S100功放的设计要求，其供货渠道较多，容易采购，价格也比较平和，但我们最终选择了三肯的SAP15N/SAP15P这对复合管，SAP15N/SAP15P价格为2SC5200/2SA1943的2倍，选择它的理由是什么呢？
由于我们把S100功放设计为窄体机箱，在S100功放内部布局规划完毕后，功率管散热片尺寸的选择就受到一定限制，S100的散热片宽度即定为宽220mm，高85mm，深50mm，这样规格的散热片我们在试验时已经能满足使用要求，只是功率管2SC5200/2SA1943的静态偏置工作电流有些波动，在散热片受机箱尺寸限制无法再增大的情况下，我们放弃用2SC5200/2SA1943而采用了三肯的高速热反应型复合管SAP15N/SAP15P。2SC5200/2SA1943的静态偏置电流的稳定热要靠同样固定在散热片上的热补偿三极管，但热补偿三极管无论如何也和2SC5200/2SA1943有一定距离，导致补偿延时，造成静态偏置电流波动，而功率管静态电流的变化直接影响到音质的不稳定。
SAP15N和SAP15P的内部结构
SAP15N和SAP15P的集电极电流为15A，集电极耗散功率为150W，内部结构见上图，它的主要特点是内置推动管、功率管、功率管发射极电阻和偏置电流温度补偿二极管，一方面简化了外围电路，更重要的是由于温度补偿二极管和功率管同置于芯片上，它能比外置温度补偿电路更准确地检测和更及时地修正偏置电流随温度的变化，显著改善晶体管放大器的温度稳定性，提高音质。业内对SAP15N和SAP15P的评价是“精确的音像定位和出色的空间感描绘能力，音质温醇”，这和其工作时稳定的偏置电流不无关系。
采用功放主板和电压放大模块化结构
S100功放电路板面积较大，从节省成本的角度出发，原想将除遥控电路外的所有电路全部安装在上面，但是在电路板实际布线过程中发现更合理的做法是将每声道的电压放大级独立出来，作成模块化子结构。电压放大级模块化后，采用针脚与针座与功放主板相连，功放主板采用双面玻纤电路板，主板的所有大电流走线均走底层铜箔，而顶层的铜箔大面积屏蔽接地，极大地杜绝了对敏感的电压放大级的干扰，而电压放大模块采用双面玻纤电路板，顶层铜箔大面积接地，进一步降低干扰。电压模块化后由于每声道电压放大级为一独立电路板，布线就比较单纯，没有其他电路的布线 干扰，可以做到布线最优化。
功放主板上布置的电路有功率输出级、音源选择控制电路、保护电路、前级电压放大电源电路、功率输出级电源电路、控制部分电源电路等六大部分，在功放电路板上，我们让这六大部分电路合理布局，且各部分电路接地采用星型一点接地，并用大面积覆铜接地隔离，彼此之间不会干扰。功放主板的顶层铜箔几乎全部做隔离接地，并且采用一点接地方式汇入总地。
电压模块化后和功放主板分离，带来的好处除降低干扰和布线最优化外，最重要的是只要遵循电压模块的针脚定义，就可以改变不同的电压放大电路而改变S100的电路构架，从而改变和调整S100的声音表现，这比在开发时固定电路结构而通过更换不同元器件来调音更灵活和有效，实际上有点象发烧友摩机时更换运放，S100的电压模块就如一枚有着自己自定义管脚的体积放大了的“运放”。
朝露在几年的模块化电路试验
电压放大路的模块化设计并不是新鲜事，马兰士和索尼等品牌的音响产品中经常采用。其实我们对电压放大级模块化很早就有涉及，在开发A200GOLD多媒体音箱功放时我们就着手开发了一款，但由于A200GOLD功放在结构的原因我们放弃了。在设计S100之前我们也单独进行过贴片元件电压放大模块和保护电路模块的开发，并且还相应开发出一款功放样机，但是要找到声音素质比较好贴片晶体管目前有些困难，我们试过十来款贴片三极管，最终还是放弃了（但不排除在找到声音好的贴片晶体管供货渠道时我们会推出）。
最早在S100的功放主板上设计的电压放大模块比后来开发的要小一些，在后来设计电路复杂些的电压放大模块时遇到困难，无法放下所有的元件，在研究多款电压放大电路的元件数量后，于是将模块的尺寸适当放大，在以后的试验中再没有遇到模块过尺寸过小问题。
费心费力的S100电压模块的电路试验
在过去经历了相当多的功放电路试验后，在S100中我们倾向于选择全对称差动电路做电压放大。实际上不少国外的高中档功放中常采用全对称电路模式，是有道理的。在保证晶体管配对的前提下，全对称电路相对于传统电路具有对称性好，失真小、稳定性高的优点。关于全对称电路的介绍网络和杂志上有不少介绍，这里从略，有兴趣了解请点击【全对称电路】可得到更多信息。
在S100电压放大模块开发试验过程中，以全对称电路构架为前提，我们试验了如下电路 ，为方便叙述，我们采用A-E字母编号：
A.第一级共射差动，第二级共射共基放大；
B.第一级共射共基差动，第二级共射共基放大；
C.第一级共源共基差动，第二级共射共基放大；
D.第一级共源共基差动+恒流源，第二级共射共基放大；
E.第一级运放放大，第二级共射共基放大。
以上5款电压放大电路在实际试验中，我们对每款电路中的第二级进行了3种不同的共射共基电路试验，因此组合起来共试验了15种电路。
在以上的5种电路中，最后一款是运放做第一级放大，和前面提到以全对称电路构架为前提的思路不符合，其实我们是想这款运放模块作为前4款全对称电路的对比参照基准，如果上述的4款电路试验出来不如运放模块，无疑它们是失败的，同时，也可以试试不同运放运用在功放电路中的声音表现，并积累使用运放的经验。
在试验运放电压模块时，运放和三极管均采用了IC插座，在试验中我们可以更换不同的运放和三极管来进行声音对比试验，在试验中不同的运放和三极管的组合声音表现自然不一样，这是预料之中的我们同时发现由于更换不同型号的运放参数不同，电路产生自激的轻重程度也不相同，每次更换运放后必须相应调整电路相关元件值才能消除自激。
在进行完各种试验后，我们认为运放电压模块还有改进的地方，经过分析我们改进了线路，改进后的电路比原来的要简洁，但频响更宽，相位特性更好，声音表现也要胜出原来的电路。简单的说，采用AD827运放声音细节丰富，频响宽阔，OPA2604似乎隐藏了一些细节，但人声比AD827柔美些，但不管采用何种运放，运放模块的低音都给人偏弱的听感。
运放放大模块（E）定型后，我们就开始了上述A-D四种全对称放大模块的对比试验，四种模块初步用管情况如下：第一级差动采用2SC2240/2SA970，或者2SK246/2SJ103+2SC2240/2SA970，第二级采用2SD667/2SB647。试验结果是：除A模块外，B、C、D模块全面超过运放放大模块。
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A模块第一级只采用2SC2240/2SA970做共射差动放大，而没有采用共射共基差动（霍尔曼电路），差动管要承受高电压并工作于大线性范围，这对共射差动放大有些勉为其难，因此，A模块的中频表现和运放模块接近，而高频则不如采用AD827运放模块来得细幼丰富，尽管如此，A模块的低音表现也远比运放模块要好；
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B模块改进了第一级差动，采用了霍尔曼电路，其余和A模块相同。第一级差动的改进，使其总体表现开始超越运放模块，人声的厚度要好于运放模块，中高频通透，略为有些偏亮，乐器的轮廓还稍嫌不清；
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C模块是对B模块的进一步改进，即第一级差动采用了场效应管2SK246/2SJ103和2SC2240/2SA970组成霍尔曼电路，该模块的表现比B模块更进一步，尤其是中高频段的清晰度，这要归功于第一级差动中场效应管的使用，人声、乐器的质感和量感都非常充分地表现出来，没有朦胧的感觉，对小提琴和人声的感情表达能清楚地交待。
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D模块是对C模块的变形，第一级仍采用场效应管霍尔曼电路，只是去掉了该级的恒流源。我们在试验C模块时发现换用不同的恒流源三极管音质上会有细微的变化，因此D模块没有采用恒流源，和采用比较好的恒流管的C模块相比，它们的声音非常接近，高频更顺些，但区别非常小。
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上述结论是在下面介绍的用管试验结束后确定了最佳用管配置后作出的。
试验到此，我们确定S100功放采用D模块。
S100电压模块的用管试验
在音频电路中，使用不同的元件会有不同的声音，这是共识。由于S100功放在结构上分为功放主板＋电压放大模块的结构，而功放主板上的电路和元件已经事先确定，因此，在确定了S100电压放大模块的具体电路后，我们随即更换模块中使用的的三极管，以期找到最优组合。考虑到今后批量生产的采购因素，我们在试验中选择了下列晶体管：
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2SC2240/2SA970
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2SC2705/2SA1145
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2SC2383/2SA1013
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2SD667/2SB647
由于每种管子的线性放大区域不同，其他参数也略有区别，实际上换管之后还要进行工作点的细调，这是一个非常烦琐的也极要耐心的工作。结合上述的4种模块，4对不同的三极管，2级放大电路的工作点烦琐调整，可以推断调试中排列组合有多少，在这些排列组合中我绝大部分都试过，因此费时一个月余就不足为怪了。在试验时，我们将电路板上的三极管安装位置装上只留3个脚位的IC插座，因此，更换三极管是非常方便和快速，这对换管后对比听音时极为有利的，因为人耳的听觉记忆能力是有限的，特别是对声音的细微特征，记忆留存时间更短，换管时间长了，对换管后的声音辨识将变得困难。同时，我改变工作时间，将调音时间改为下半夜，这时不但听音环境最为安静，也没有电话打扰（要知道在调音时不时打来的电话最让人烦，正在进行的调音对比又要重新来过），我过了一个月余上午和下半晚睡觉，下午处理公务，下半晚再起来调音到早上8点的生活哦，改变生活习惯对我并算不了什么，因为我从来就是夜猫子，可是长期如此让在家乡的老婆起了疑心：这厮哪有如此工作的？上午找不到人晚上也扑不到影？一定是守不住肉身行为不轨找了偏房！我受尽了冤枉费劲了口舌脱了一层皮才把老婆摆定，只怪我年轻时曾稍显风流让老婆不放心啊。扯远了，就此打住
最终确定的模块信号放大用管为2SK246/2SJ103，2SC2240/2SA970，2SC2705/2SA1145。
S100的遥控电路
S100具备2路信号输入选择和一路内置DAC输出接口，同时具备音量遥控功能。作为一款小体积功放，我们认为2路输入选择基本上能满足大部分人的使用要求。而音量遥控功能功能方便用户调节音量。我们选择了马达驱动电位器的音量遥控方案，这种方案对中仍然采用传统电位器来调节音量大小，只不过音量电位器和控制马达机械上联系在一起，做成一体，遥控电路通过控制马达正反旋转来调节音量大小，而音频信号只通过电位器，彼此独立没有关联，控制电路完全不会干扰音频信号。
S100的遥控电路也单独为一个模块，上面分为遥控控制电路和音量调节电路，这二部分电路的布线完全隔离，彻底杜绝控制电路对音量调节电路的干扰。
增加耳机输出接口
夜深人静的时候为不影响家人休息，用户常常要将功放的音量调小，这对听音乐和看大片来说真不过瘾，到不如接上耳机一个人独乐乐，S100功放体贴地增加了耳机输出接口，只要插入耳机插头，功放就会自动切断音箱输出，转换到耳机放音。该耳机接口对任何高低阻抗耳机均适用。
完善的功放保护电路
为可靠地保证S100在使用中的安全，S100具有开机延时，关机瞬断功能，防止开关机时对音箱的冲击；设置有功率管过流检测和保护，防止功率管过载对音箱造成损坏。
结束语
到此，S100基本介绍完毕，总之，S100和S70一样，为不占用摆放空间，设计为成窄体机箱，但是和S70功放相比，我们稍稍增加了宽度，由220mm放大到249mm。俗话说，麻雀虽小，五脏俱全，这句话用在S100上我们认为比较贴切：一台430mm标准宽度机箱的功放所具备的功能S100一样不少，而输出能力甚至可能更为强大。目前这款产品已经上市，售价为1280元。
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发表于 05-09 15:36
发表于 05-10 13:13
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