[心得] 自製 GMP 450 pro 專用 OP 擴

[hiro920463 (hiro)]

圖文易讀版

http://chihhanlin.weebly.com/gmp450pro-2356029992-op-25844.html



先來張 prototype

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最近因為工作需要看了不少放大器的參考資料，也收集了不少低雜訊的op元件（很可惜很
多都不太適合直接用在音響電路上），想說正好這個機會實作一 些簡單的線路來驗證書
上的概念。製作目標很明確，就是前級使用低雜訊的 OP voltage gain 3~10倍的正向放
大電路配合較大電流輸出能力的 audio amp  作為 follower 直接驅動耳機。設定的最大
電壓擺幅約 10V，以德國大師 450 pro 來說平常聆聽的音源以流行樂來說 v_rms 大約
 300 mV, pk-pk (峰對峰值大約是五倍 1.5V, 若是交響之類的大編制則峰對峰值/v_rms
的比例比較容易拉到 10倍或者更高 ( 追求高張力的表現時對於最大音壓的容忍度更高）
，所需要電壓擺幅約略是 5 V 以下，以平均阻抗 300 ohm 來說擔任電流輸出的角色的
 op amp 只要有 20 mA 左右的峰值電流輸出就能滿足我的需求，暫時選用常見的
 LME49710 來完成設計



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主架構跟 RA1 或 47 差不多，設計的核心主要在讓前級那顆提供 opa211 (兩聲道使_用
雙 op 封裝的 opa2221) 能夠穩定地提供 5 倍電壓增益，從規格上來看 opa 211
http://www.ti.com/lit/ds/sbos377h/sbos377h.pdf 有超低的 voltage noise (約 1.1
nV/√Hz），slew rate 約 25 V/us 與 LME49710 相當，應該是相當好的搭配，不過為了
找出穩定的迴授電路花了不少心思，其中最關鍵的就是那顆 C2 ，整個電路暫態響應
 overshoot 的調整全靠這顆。採取固定增益的原因在於我 DAC 的輸出就有設計可調整的
衰減，秉持多個香爐多隻鬼的想法就不用可變電阻衰減，還可以降低元件成本。最後
 layout 會把供壓端應該加的 decouple & bypass 電容補回去。



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第一級電路頻率響應特性聽感方面影響最大的就是低通濾波器的電容 C1, 這顆可以隨便
換著玩，測試時在倉庫挖到一包 4.7uF 的陳年塑膠老電容覺得還行就用著，拔掉這組低
通會讓 450 pro 中高頻出聲變得太亮且毛躁感較重，高頻的截止頻率在 1 MHz 以上



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用 LM49710 http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lme49710.pdf 做 buffer 輸出電流我
認為直推大多數阻抗 >200 ohm 的耳機，規格上號稱 unity-gain stable 還可以掛 100
pF 左右的負載 (不怕長耳機線的寄生電容），THD+N 的數據看起來也很棒。之所以沒有
附上兩級的 SPICE 電路的原因在於取用的 OP 數據在轉換上大概有些問題，不過頻率響
應圖大概就是看輸入低通的影響，耳機的負載效應目前還沒找到夠好的等效電路去模擬，
高頻雜訊與系統的不穩定其實從太過理想的電路模擬是完全看不出來的。



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op 供壓使用 HP E3631A，要比這台乾淨的電源也不多


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撿來的一批老電容，沒比較過所以不確定其品質


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有點亂的工作桌


整個電路的用麵包板試接，各個回授元件值調到不會有異常高頻震盪，估計 layout 成板
子也不會有太大的問題。用麵包版好處是測試快速，不過習慣不好的時候也很容易燒元件
，比如說求快差錯孔，元件腳沒修短常常短路到之類了，兩天來的測試流程就把兩顆
 ad8620 從雙op燒成單op ，在 8620 還沒燒玩組合完以前我覺得 8620+LME49710 算是安
定好用的前後級 op 組合，可惜的地方在於 8620 的耐壓比 LME49710 還低，不能同時工
作在 +-15v 以上的供壓條件。


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在使用耳朵驗收之前先用示波器量暫態響應校聲，使用示波器校正探棒 1KHz 方波來當作
輸入，20％-80％ rise time 大概 90 ns 左右


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在沒有負載（耳機）還沒接上之前，輸出的 rise time 接近 200 ns， 計算一下會發現
蠻接近 OP 的 slew rate，大概就是 10 V/us 那個程度，真正嚴苛的考驗是接上耳機後
的表現


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回授電容調很久才弄出我覺得漂亮的曲線，overshoot 以後的那點震盪暫時無能為力，不
過我想耳機天生的低通特性會把這點瑕疵吃掉。我也試過把回授電阻 R3 接回 opa211 的
輸出端讓後級變成單純的 buffer ，仍然需要那顆 C2 去除高頻雜訊，直覺上阻抗匹配應
該是有些問題，不過目前的能力無法找到追加電容以外的方案 （還是試過在 buffer 負
向輸入-輸出的那條線直接並聯電容，在某些情況居然也有效，一整個違反直覺）。這類
型的電路再沒洗版之前大概只能透過陶瓷電容隨便插來碰運氣把不應該出現的高頻震盪處
理掉


沒用骯髒手段之前很可能做出以下幾種失敗的例子，在耳機上就是爆音，底噪等等

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實作上在碰到這些異常敏感的 OP (比如211）我認為最重要的就是那顆不起眼也稱不上發
燒料的陶瓷電容，學理上我推測這些模擬上看不出效果的電容（其實是沒把夠完整的等效
電路畫出來）加入了一些 pole 來改變頻率響應，增加了放大電路的穩定性。下一版打算
設計成差動輸入的方式並且在第一級輸入前就加入高通濾波來提昇訊噪比。接下來大概會
照以下流程走：


1. 洗 PCB 版，設計機箱

2. 寫程式配合 24bit 的量測儀器來實測頻率響應與 THD+N

3. 把 LME 49710 換成我覺得看起來很厲害的 ADA4870

http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADA4870.pdf

(max 40V 供壓, 內建 push-pull pair 可提供1 Amp 輸出， slew rate 高達 2000
V/us, 我想應該還沒有人試過用它來驅動耳機過）



整個電路成本不考慮電供的話應該在 2k 以下，唯一可以可惜的是在 450 pro 以外耳機
都會有底噪跟高頻雜訊問題 （不過 layout 之後應該會改善），曾經試過 hd600 ，一度
也能穩定出美聲不過隔天過電一試惱人的雜訊又出現了 Orz  曾經測到還行的響率響應

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如果大家對於 47 ＆ RA1 clone 的變形電路有興趣的話我推薦大家參考這兩篇文章：
 Designing an Opamp Headphone Amplifier （
http://astersart.net/amp/headphones/desigh/Designing_an_Opamp_Headphone_Amplifier.htm
）還有一本我認為在實作選型上蠻不錯的資料, 《你好，放大器》, 西安大學楊建國著，
有免費的電子書   https://ezchina.analog.com/thread/9486?tstart=0 可以參考，就是
看完後面那本誤以為自己功力大進才手癢接線路玩玩


目前我對於這個試作品+ GMP 450 pro 的表現還算是滿意，不考慮 DIY 自我感覺良好 20
％ 加成的話，以搭配高阻抗的耳機負載的情境下完全聽不出底噪，動態感覺沒有壓縮，
沒有太多的音染，速度感優秀，聲底主要還是靠 DAC 與耳機特性來決定。對於中高頻細
節的處理與的質感還不夠到位，不過搭上 450 pro 走向超雜食，幾乎到了什麼類型聽起
來都很愉快的程度，明亮但不升刺的風格。長時間運作下三顆 OP 功耗不會超過 300 mW
，燒機連測幾個小時都很穩定，美中不足的地方在於剛上電沒到穩態時耳機會有不小的暫
態電流，不過這幾台玩下來的經驗耳機單體比 OP 強健多了，以 450 pro 的價格來說也
還不到玩壞很心疼的感覺 XD (我承認手邊這隻是二手的，大概探出這隻的實力以後開始
認真想買新品當備品）

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推 clurinzler: 推用麵包板自製
推 vayeate: 同是450 PRO的同好推
推 k5648550577: 我是電路白癡，我自製接上去100%燒耳機，佩服DIY達人
推 s1s1: 看不懂，哭哭
推 trymypumpkin: 快推  別人就不會發現我看不懂了
推 iWRZ: 跪拜大神 可惜本人讀資工不是讀電子的......
推 luuuking: 太狂了吧!!我決定要認真上電路實驗課了哈哈~~
推 Scinfaxi: GMP450真的出乎意料好聽
推 Dopin: 麵包板真是年輕時的好回憶 :)
→ hiro920463: 頻寬再高點反而拿塊銅板 ic 黏好一路搭棚焊比較省事
推 vincent323: ok線+繞線筆在很多狀況下會比麵包板好用
→ vincent323: 配上洞洞板一起服用，很多怪問題都會解決
→ hiro920463: 個人習慣麵包版試插玩就直接 layout 出 gerber ，10cm
→ hiro920463:  x 10cm 的雙層板 10pcs 不到千元，一個禮拜以內就拿
→ hiro920463: 的到成品
推 ang728: 麵包板有時候太久沒用裡面BUS都氧化都會有很奇怪的問題
→ ang728: 反正簡單的也不用很特殊的工具 FREEPCB/EAGLE都搞的定
推 Upsha: 49710的雜訊也只有2.5nV/sqrt(Hz), 好奇設計兩級的原因？
→ Upsha: 而且R3回授拉過兩顆 OP, 必須加上 C2 miller comp. 補相位
→ ang728: 49710是做Buffer吧
→ ang728: 不排除是音色上的喜好吧
→ Upsha: 49710本身也是OP啊，datasheet有active LPF/HPF RIAA等例
→ ang728: 我知道阿XD 是說可能是基於音色上的喜好才有可能讓49710
→ ang728: 做BUFFER用
推 Upsha: 好吧，有待原波說明...XD
→ ang728: 真的 有時候去聽人家的設計思路也是蠻有趣的~XD
→ hiro920463: 主要是調音手段，lme49710 datasheet 類似 riaa 的接
→ hiro920463: 法我也試過。用 opa211 是覺得這顆的 input noise 很
→ hiro920463: 低很強大的樣子，手邊有料試下去感覺不錯
→ hiro920463: r3 到底要不要拉過兩顆 op 來回授還是值得思考，就算
→ hiro920463: 只拉到前一級輸出端補償相位的電容還是要加
→ hiro920463: 覺得回授拉到後端日後 49710 buffer 多並聯幾組增加電
→ hiro920463: 流輸出的情況下應該會比較好
推 GDSZ: 好強！我也是GPM450PRO的愛用者，聲音的曲線及調音完勝目前
→ GDSZ: 大部分耳機， 一直覺得他的潛力很大，還把他改成平衡增加高
→ GDSZ: 低頻的衍伸性，目前就差400hz附近多了點，2khz附近少了點，
→ GDSZ: 以及力道跟速度差了，覺得換dac應該可以改善，可是要花好多
→ GDSZ: 錢啊
推 r010500: 大大太強了!請問大大如果想要有辦法自己DIY耳擴，自修的
→ r010500: 話，從零開始，有哪些學科要唸?可以幫我推茬嗎?
→ hiro920463: 電路學大概 RLC 會算, 電子學至少學到類比電路 (比如
→ hiro920463: 說op 741的構造完整分析過 ) ，波德圖看的懂就差不多
→ hiro920463: 了
→ hiro920463: 差不多等效大學 6~9 學分的知識量，然後很多書籍就有
→ hiro920463: 辦法自己看懂了，比如 the art of electronics 這種工
→ hiro920463: 具書
→ ang728: 淚推 the art of electronics 第三版