对47耳放的一些理论分析（原创）

梦错

前几天搞ZEN耳放，搞砸了，觉得分立元件耳放有点困难。干脆就玩一下简单的OP耳放吧，于是就去找了经典的47耳放的电路图来，准备做一个。
初看电路图，觉得虽然号称经典，其实也没什么嘛，电容耦合正相输入，电压串联正反馈，后面一个OP做成电压跟随器，用来扩大输出电流。而且分析下来似乎也有问题，主要是正相反相输入阻抗不等造成零点漂移，以及在后面两个47电阻上功率损耗太大。于是就摩拳擦掌想要仔细分析计算一下，想办法改进这个电路。等我认真开始计算起各点电流状态、放大系数之类的，才开始认真对待起这个看似简单的电路来。
首先大家看看这张已经看过无数回的电路原理图（图一）：

1、     关于正相输入方式与反相输入方式
首先我看到一些47的评论，都对里面0.47uF的耦合电容看不爽，想要改成不需要耦合电容的电路。因此有些人就考虑用反相输入，其中典型的电路如老人家（这个ID真是….）提出的电路，链接如下。我把他的原理图简化一下，让大家方便对比：
http://www.erji.net/read.php?tid=167630&fpage=1

梦错

可以看到，从理论上，反相输入可以去掉耦合电容。但是我仔细分析一下，查了模拟电路课本，正相输入用的是串联负反馈，而反相输入用的是并联负反馈，虽然这个是理所当然的，但是他们的闭环放大倍数不同。同时，对信号端的等效输入阻抗也不同。
对于正相输入（第一图），A=1+R2/R1；
对于反相输入（第二图），A=-R2/Rs，其中Rs为反相端对信号源的阻值，可以视为信号源的内阻。
可以看到，反相输入的增益与音量电位器的阻值有关，当音量电位器调到下面的时候，信号输入小，但是放大倍数增大。虽然放大倍数增大的速度无法抵消信号减小的速度，但是毕竟也会导致许多问题，包括音量调节的非线性，以及声音失真率随音量而变化（因为负反馈的深度和输入信号的强度影响输出失真程度）。而即使反相输入加上了输入耦合电容，问题仍然存在，因为对反相输入（并联负反馈）来说，A=-R2/Rs，而Rs与音量电位器位置有关。
我的结论是：反相输入导致电路的工作状态和音质好坏随音量而变化，还是正相输入比较好。

2、    关于正相、反相对地电阻差引起的零点漂移
从第一图我们可以看到，正相端对地的直流电阻为100K，而反相端对地的直流电阻为4.7K//10K，约为3.2K。假设正反端输入电流均为1uA，那么正反端的电压将相差97mV。这个还可以接受，但是如果输入电流为10uA，那么就为0.97V了，很可怕！所以个人觉得，对于双极型OP，电阻配平还是很有必要的。但是如果把100K直接换成3.2K，却又导致输入电阻偏小。如果把100K换成32K，4.7K和10K分别换成47K和100K，也许是可行的，这个我觉得应该实际动手做一个才知道效果。不过更方便的办法就是采用高输入电阻的场效应OP，或者增加输出耦合电容。
对第二图，正相端对地阻抗0，而反相端对地阻抗则随着音量电位器而变化，这也将导致输出的零点漂移，而且是随着音量而变化。我觉得只有三种解决方案，一就是增加输入耦合电容，避免音量电位器进入直流通路。这样一来，反相输入的直耦的低频优势就完全没有了。加入了耦合电容会出现一个新的问题，就是反相端没有直流接地，这将导致输出电压零点偏移，而且低于0。解决零点漂移的办法就是，用耦合电容，正相端和反相端同时用电阻接地，这个接法应该比正相输入更容易配平。二就是换用高输入阻抗的OP，也许可以改善零点漂移，但是仍然不可避免。三就是增加输出耦合电容，这样就可以不考虑零点漂移。但是，耦合电容一般都是大容量的电解电容，相对小容量的输入耦合电容，成本较高而且性能比较不稳定，对音质影响大，这也是直耦输出很流行的原因之一。
结论是，如果正向输入不容易配平，可以试试反相输入，加输入耦合电容，正反相端均通过电阻接地，也许比较容易配平。

3、    关于R4、R5的作用与取值
这两个电阻虽然要消耗大量输出功率（尤其是在低阻负载下），这两个消耗的功率甚至将比负载本身消耗的功率更大。直接去掉当然不行了，这样第二个OP构成的电压跟随器电路将失效。那么，去掉其中某一个行不行呢？
再看第一图，作为电压跟随器，1点与7点的电压应该严格相等。Output端通过负载接地。可以想象，如果output端有电流输出，因为V1=V7，则流经R4和R5的电流比例将与R4、R5的阻值比例成反比。例如，R4=R5，则输出电流分别由两个OP提供各一半；如果R5=24欧（约为47欧的一半），则A1提供大概三分一的输出电流，A2提供三分二的输出电流。就是说，通过调节R4和R5的阻值比例，就可以调节运放A1和A2各自承担多少功率输出。
我们知道，不同的运放有不同的特性，比如有些失真很低但是输出电流不大，而有些输出电流很大但是失真较大。而失真是与负反馈有关的，对于电压跟随器，负反馈等于输出量，因此理论上失真可以降至很低，即使采用高失真的运放也可以。因此，我们可以对A1和A2提出不同的要求，要求A1能够做到低输出下的低失真，输入阻抗高，而要求A2能够提供大电流。这样我们可以调节R5<R4，让大部分的功率由A2来提供；而A1提供小部分功率输出，在小输出下负责精确放大。这样应该可以取到更好的效果。
也许有人会说，这样两声道就必须共用两片不同IC，比如两个声道的A1共用一片2132，A2共用一片其他的OP，这样不会造成两个声道信号互相干扰吗？我个人觉得，影响应该不大，因为同一片IC里面两个OP配对更好，反而对声道信号平衡更有利。不知道高手怎么认为？
但是R4和R5都不能去掉，去掉任何一个，另一个也就失去了作用，相当于断路了，这点大家可以自己分析一下，我懒的画图了：P
有些人提出这两个电阻的取值影响音色，取47欧比较清亮，因此出现了51耳放，80耳放-_-b 这点我估计和负载最终得到的功率有关系，有待分析。

4、    关于R4在环内与环外的区别
因为点1的电压等于点7，设R’=R4//R5，点1的电压V，则在output点得到的电压Vo=V*RL/R’，简单地说就是负载越小，输出电压也越小。如果反馈取自输出点，输出电压小了导致反馈量减少了，从而提高了V，进而提高了Vo。而如果R4在反馈环外，就相当于V不变，而Vo在随负载而变，可以认为R’就成为放大电路的输出内阻。我们总是希望放大电路的输出电阻尽量小，以便提供更高的带负载能力。因此我认为，R4接在环内比在环外好。但是内阻的存在也有一定作用，那就是限制低阻耳机的电流，防止过载。
从抑制失真的角度来说，大环反馈（从最终输出到输入端的反馈）可以有效抑制放大过程中各个环节可能出现的失真。例如，假设在某段范围下A2的输出是非线性的（例如过载了），如果采用大环反馈，在这段非线性区间反馈量也会随着A2的失真而变化，反馈到输入端就能够由A1作相应的补偿。而如果R4在环外，也就意味着A2构成的电压跟随器也在环外，它产生的失真就不在控制之下。在《胆石功放设计》里面，作者也明确建议，最好采用大环反馈，反馈信号直接从喇叭端头接出，以便降低各个环节的可能失真。

打了这么多，足足花了两个小时。。。。。累死了，小睡一下，然后开始接47。。。。验证一下我的想法是否正确，唯一的问题是，手头没有那么多的元件。。。。

kopfhorer

不错，对于运放的基本运用作了基本阐述。

Op的线路简单，但是要关注的技术细节也不遑多让。
尤其是带宽计算，开环增益的控制，听感
op的失调控制，增益电阻的阻值对失真的贡献
很多问题需要细致的试验和论证。

楼主给我们开了个好头！
赞一个！！

luyeallen

最好看看DATASHEET。。BJT输入运放的Ib只不过是几十NA。。FET的不过是PA级别的呵呵。。

对于电阻不配平。。带来的不仅仅是一个中点问题。。

其实OP一点不比分立元件简单。。确切的说。。是更有难度的东西~

funkystyle

大概能看懂点～～

梦错

下面是引用luyeallen于2005-10-23 10:10发表的:
最好看看DATASHEET。。BJT输入运放的Ib只不过是几十NA。。FET的不过是PA级别的呵呵。。

对于电阻不配平。。带来的不仅仅是一个中点问题。。

其实OP一点不比分立元件简单。。确切的说。。是更有难度的东西~

这个还真没有去了解过，我还以为应该在uA级，受教~~：）
正在焊子木兄的47电路，先焊一个标准版，再焊几个我自己的改进版对比一下。。。。不过找不到两个DIP-8的插座，只找到一个DIP-18的插座，勉强用着。

我是阿格

下面是引用梦错于2005-10-23 11:03发表的:


这个还真没有去了解过，我还以为应该在uA级，受教~~：）
正在焊子木兄的47电路，先焊一个标准版，再焊几个我自己的改进版对比一下。。。。不过找不到两个DIP-8的插座，只找到一个DIP-18的插座，勉强用着。

这个东西好容易弄的啊  你的电路和老人家的就是一个大环 一个小环  我做哪个？？ [s:4]  [s:5]

YLS

Apheared&#39;s 47耳扩的线图, 产生自TI文件 http://focus.ti.com/lit/an/sboa031/sboa031.pdf .
而为什么取47欧电阻这数值之问题, 作者Apheared称因手上有一堆47欧的电阻, 而并非有特别之原因.

cyp

不错，收藏了

cxz-cj

看的出来，搂主是个很认真的人，从搂主的这个帖子、以前的帖子可以看出，搂主的电路基础理论，特别是对运放的理解、熟悉程度明显不足，所以上述几个观点有明显失误，但这种解决问题的精神，是绝对值的肯定的。

1，并不是说反向输入可以去掉耦合电容，耦合电容和电路形式关系不大，对于直流分析，它可以隔绝断开前级影响；对于交流，都是直通，电位器对运放输入端等效电阻的影响，两种电路都是存在的，搂主在这些问题上认识有误。
2，正如luyeallen所言，搂主对运放不了解，怎么举例10uA运放输入电流？各种运放典型电路是不同的，nA、pA级电流输入的运放占绝大多数。原则上，正负输入端等效阻抗应该尽量相同，但，不相同的影响也十分有限，不同运放影响不同。
3，对于相同的运放，R5<R4的结论明显有误，R4、R5的作用主要，是为何平衡两运放的非对称性降低内耗，以及匹配输出阻抗，其他作用是次要的。
4，在电路转换速率足够时，要尽量使用大反馈环，这样的有点是十分明显的，这点搂主分析的不错。

欢迎大家切磋。

梦错

To阿格，我个人认为大环比小环好，理论上大环可以对所有环节的失真进行补偿，可以取得更低的失真度。不过具体听感如何我就不清楚了。。。。但是事实上，因为电压跟随器失真很小，所以这个电路小环也可以。

to YLS，我原本还在考虑为什么取47呢，还在想着要不要建立一个数学模型，写出方程式，用Matlab看看不同电阻对最终的输出有什么影响。。。。钻牛角尖了，哈哈

cxz-cj

要想保真、忠实，肯定使用大反馈环。

想要音染、调音，可以使用小反馈环。

我是阿格

谢谢C兄的意见  看看一会我有时间搭一个试试

cxz-cj

搂主要认识到，运放输出压摆下拉的问题：
比如+-5V电源，直推32欧耳机，有的运放可以输出+-4V压摆，而2604这样的输出压摆只有+-1V多，这时，其他不变，增加R4、R5值，并不会明显降低耳机端的电压。
这个结论，是不能通过外部电路得出的，要通过运放自身性质，才能得出。

yangbao

不错

梦错

下面是引用cxz-cj于2005-10-23 11:58发表的:
看的出来，搂主是个很认真的人，从搂主的这个帖子、以前的帖子可以看出，搂主的电路基础理论，特别是对运放的理解、熟悉程度明显不足，所以上述几个观点有明显失误，但这种解决问题的精神，是绝对值的肯定的。

1，并不是说反向输入可以去掉耦合电容，耦合电容和电路形式关系不大，对于直流分析，它可以隔绝断开前级影响；对于交流，都是直通，电位器对运放输入端等效电阻的影响，两种电路都是存在的，搂主在这些问题上认识有误。
2，正如luyeallen所言，搂主对运放不了解，怎么举例10uA运放输入电流？各种运放典型电路是不同的，nA、pA级电流输入的运放占绝大多数。原则上，正负输入端等效阻抗应该尽量相同，但，不相同的影响也十分有限，不同运放影响不同。
3，对于相同的运放，R5<R4的结论明显有误，R4、R5的作用主要，是为何平衡两运放的非对称性降低内耗，以及匹配输出阻抗，其他作用是次要的。
.......

对于零点漂移，我主要是看到了wupingee的帖子，地址：
http://www.erji.net/read.php?tid=88550&fpage=1
在第三贴的第7、失调问题的讨论 中，作者提出了他遇到的因为运放2输入电阻的不匹配，给输出带来失调的问题，所以我就从自己的角度去分析了。。。。。 必须承认，我对运放很不了解，所学的都是理论知识，还请大家多多指教。

对于R5<R4的结论，我是假设采用不同运放，运放A1可以提供低失真放大，低电流输出，而运放A2可以提供大电流输出。这样我们可以把大部分的功率交给A2来输出。如果采用同一运放，自然是两边对等输出比较好。至于功率负担分配与R4R5的比例成反比，这个通过图分析一下就可以看出来。

新手上路，还请cxz-cj多多指教：）

cxz-cj

还有，搂主地2个结论中，电位器影响运放增益的结论是错误的，这也是许多人爱犯的错误。
不管是否有耦合电容，运放增益都是R2/R1，与电位器位置无关。如果按搂主观点，R2=10k，R1=1k，电位器W为20k，那么音量位置放到正中间，运放增益为R2/（R1+W/2）=10/11<1？？，运放增益小于1？
运放增益当然是R2/R1，所有教科书也是这样教的，这没错。

电位器和R1对信号的影响要这样考虑：
R1降低了电位器中点输出分压，电位器中点输出分压，并不是电位器简单阻值分压比，而是：电位器中点下段电阻与R1的并联值的分压。
所以我经常强调，电位器的取值要比后面偏置电阻R3大（上图）、R1大（下图），至少要相近。
有人在图1电路中使用100k电位器，但使用3.3k的R3（为了正负输入阻抗相当，当然输入耦合要足够大），这导致电位器绝大部分行程内（超过90%），系统增益为负！

梦错

重新查了书，我认为没有搞错。
串联负反馈和并联负反馈的增益计算公式不一样的，对于串联负反馈，A=R2/R1;见顶贴第一图。
对于并联负反馈，见本贴的图，A=-R/Rs，其中Rs为信号源内阻。如果信号源没有内阻，那么可以预见，反相端的电压等于信号电压，而负反馈电路的电流对反相端的电压无任何影响，这也就意味着负反馈不起作用，增益等于开环增益，也就是接近无穷大。因此信号源内阻是必需的，如果信号源没有内阻，就必须给他加上串联电阻。
因此我们可以看到，对47电路的反相端输入方式，如果把反相接地电阻、音量电位器、输入耦合电阻也看成是信号源内阻的一部分，就可以理解为什么说音量电位器的阻值会影响增益了。

cxz-cj

搂主还是没有搞清楚阿，你混淆了运放增益和系统增益。你说图1说的是运放增益，而说图二，又改称系统增益了。搂主可以算一下图一的系统增益。另外，信号源到输入端的等效电抗，你是算不出来，也没有实用意义。
按搂主所说，图二W=50k，R1=20k，那么音量最大和一半时，Rs是多少？

zhangduan

先收了再慢慢看。