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标题: -120dB极限型设计 HIFI参考前级MHzpreampII [打印本页]

作者: zgmfx10akira 时间: 2013-3-28 13:03
标题: -120dB极限型设计 HIFI参考前级MHzpreampII
本文是MHzpreampII(Ref) 设计和测试手记，MHzpreampII(Ref) 大部分指标达到甚至超过120dB。下面将会把测试图片尽量发齐全并记录一下开发过程的心得。

　　放大器设计，80dB是一个坎，100dB是一个坎，120dB是一个坎，分别对应的失真是0.01% 0.001%和0.0001%,每一次推进都跟材料，测试设备，和设计手段的发展相关.我设计的放大器也跟我的测试设备投入严重相关,下面从头介绍一下这个前级和测试结果。
　　还是沿用我们的机箱风格，全铝CNC饭盒，加了个VFD显示屏，带遥控器。

　　因为是全平衡放大器，所以只有全平衡输入输出，对不起，没有单端，如果需要单端就做个转接口,4对平衡输入端子，继电器切换，一对平衡输出端子，都采用瑞士neutrik 插座。还有一对5针输出口，是用于控制mhzpower4 后级开机待机用的。电源是230v输入，当然也可以改成110v

　　放大器内部，貌似很简单,几个模块合并而成。分别是信号选择模块，高速缓冲器，音量控制1，电压放大，音量控制2.电源滤波整流稳压模块,cpu控制和VFD显示模块.

　　放个电路图，暂时不展开讨论。哪位顺便帮我看看英文翻译部分，请指正，如果指正要送前级，那么请不要指正。
　　NFB-Buf : Discrete class A non-feedback high speed buffer 甲类全分立无反馈孪生缓冲放大器
　　Q-log_network: Quad constant synchronization relay with passive impedance of front-end logarithmic decrement network system 四联恒定阻抗前后同步继电器无源对数衰减网络
　　Twin-A amplifier: Discrete class A twin design with ultra-low distortion and ultra-high-speed amplifier 甲类全分立超低失真超高速孪生放大器

　　基本介绍完毕。下面是根据测试结果的参数标定声明：
　　型号：MHzpreamp II (Ref)
　　品名：MHz stereo balanced class A reference preampilifier
　　品名：全分立甲类立体声全平衡高速低失真参考前级放大器
　　输入接口: Balanced x 4 pairs (1-GND，2-Hot，3-Cold)
　　输出接口: Balanced x 1 pair (1-GND，2-Hot，3-Cold)
　　控制接口: MHzpower remote link 可控制mhzpower系列功放。
　　电源插口: 235V AC 50/60Hz (115V AC 50/60Hz 可选)
　　放大模式: Class A Balanced (甲类平衡放大器)
　　输入阻抗: 100 kOhm(single) /200 kOhm(balanced)
　　输出阻抗: 600 Ohm
　　最大增益: 26dB(x20)
　　最大输出电压: 24vrms 600ohm (@THD<0.008%)
　　音量调节模式: 2x16位继电器 0.1%精度电阻衰减式，100档(对数模式)
　　底噪范围:1.9uV~35uV (Typical vol=0~99)
　　底噪范围:1.5uV~22uV (A weight vol=0~99)
　　谐波失真典型值: THD<=0.0001%(<=-120dB) BW=30k / 600Ohm load
　　谐波失真标称值: THD<=0.0003%(<=-117dB) BW=30K 600 Ohm load
　　动态范围典型值: >=117dBrA(vol=99)
　　动态范围标称值: >=116dBrA(vol=99)
　　互调失真IMD: <0.0004% (SMPT din 4-1,见测试图与AP自测重合, ）
　　声道分离度: >=120dB (20Hz-20kHz 0dBv input, vol=99 )
　　线性度：-116dBv~+14dBv(+/-0.1dB 120dB rang)
　　5uV~5Vrms(+/-0.1dB 120dB rang) 看AP测试图
　　频响范围: 10Hz~1.0MHz (-3db 1Mohm)，10Hz~1.2MH (-3db 50 ohm)
　　方波响应: 8kHz/20kHz/80kHz 无过冲，无振铃，无变形,见测试图。
　　转换速率: >=100V/us (平衡输出)见测试图
　　外形尺寸：320Dx235Wx100H（mm） (不包含突起部分)
　　互调失真，IMD 更正为最低0.0007% 和AP2322 测试重合
　　一个简单的计算:音量和输出功率关系曲线：

　　这张图给用户参考音量和输出功率之间的对应关系。按输入0dB 标准电平计算，主要使用区域是0~45左右。超过45时候，最大声压会超出MHzpower4的最大输出功率。不同的播放器材和内容，有差异。如果采用单端输入，那么音量数值会略微上升,看浅色部分，大约0~55。
　　考虑到不少录音特别是国外录音为了保持动态防止录音的时候过载，正常音量会偏低的情况，实际的使用可能会略微超出这个范围。如果播放大动态音乐，请先使用小音量点评试播，再适当调节以大音量聆听。从使用经验而言，一般是在15~35之间，可满足大部分音乐欣赏需求。
　　从图上曲线可以看出，音量和输出功率成近似对数关系，符合传统的旋钮式B型电位器的使用习惯，不会产生调节很久都没有感觉到音量变化的问题，或者调节一个档位声压就会突变。
　　MHzpreamp II (Ref) 内部一共4组每组8个继电器(2x16bit)组成的虚拟4联电位器，采用0.1%精度的低温漂电阻网络构成。所以可以保持非常低的误差。继电器采用密封灌氮镀金触点的继电器，所以可以保持终身稳定的性能，不存在老化问题。一共100档的调节，有足够的分辨率让使用者调节到最合适自己的聆听音量。

　　下面将分别介绍低噪，谐波失真，线性度范围等测试图
　　一、测试所使用到的仪器清单：
　　1.ShibaSoku AG15B  Low Distortion Oscillator
　　2.ShibaSoku AD725D Automatic Distortion Analyzer
　　3.Audio precision AP-2322  Audio Analyzers
　　4.Panasonic VP-7722A  Audio Analyzers
　　5.Panasonic  VP-7214A Low Distortion Oscillator
　　6.HP-3457a Digital multi meter
　　7.TEK-2466B Oscilloscope
　　8.EFC-3210 Function generator
　　9.Pentex k7 for photos and video
　　MHzpreamp II (Ref)的低噪和音量的关系。
　　具有极低的低噪，1.4uV-25uV（A计权）。虚线为测试仪器的本底噪音
　　因为独创的前后双衰减对数式音量控制，所以可以有效的在小音量下面同样压制了本底输出噪音，而不像传统的设计，小音量下面信噪比会严重恶化。这样可以保持即使小音量下聆听也具有庞大的动态和解析力，极弱信号不会被噪音淹没。
　　根据使用经验，正常使用时，音量使用集中设定在10~40之间（视不同灵敏度喇叭），所以完全无需担心有效的超弱信号会被低噪淹没。即使是满音量99输出，底噪也只有22uV，假设后级增益为29dB（MHzpower4 400w 单声道后级的增益），那么噪音电压输出也只有660uV，输出功率仅为110纳瓦。也就是说，前级的本底噪音完全不会在喇叭上形成可闻声压。
　　关于噪音，一般用A计权，A计权不同频率在听觉上的加权，准确反映了我们实际听感。图中蓝色线条为典型值，即使是典型值，低噪最高也只有35uV。

　　下面是另一种分析低噪的方法，小信号 FFT一个-60dB的1k信号输入，输出后做FFT分析。可以完整看到整个频带的噪音分布。
　　从这个图，我们可以看到放大器的电源噪音抑制能力极强，两级独立稳压电源和内置的滤波器有效的把交流声干扰（50Hz 100Hz 150Hz 200Hz 250Hz...），压制到低于-123dBv的水平。所以，即使-120dB的超弱信号细节也可以完整放大。右面高频噪音频带并没有抬高，很好的控制在-135dB水平线以下，也验证了上帖的超低底噪数据。

　　二、测试MHzpreamp II (Ref) 的线性度
　　线性度越大，表明机器的电压失真越小。可以有效的保持音乐的原来动态，不压缩，不夸张。其中浅蓝色是AP本身自测的线性度，深蓝色是MHzpreamp II (Ref)的线性误差曲线。从图中可以看出，从-106dBv~+14dBv，都保持一条直线，误差范围是+/-0.1dB。也就是说MHzpreamp II (Ref) 拥有超过120db的极优秀的线性工作区。可以保持放大电压不失真，忠实的反应出音乐本来的动态比例。

　　三、分离度
　　测试MHzpreamp II (Ref) 的两声道之间全频带的分离度的结果。图中可以看出在全开音量状态下，其全频带分离度一直保持高于120dB。也就是说，当一个声道输出高达22Vrms信号而另一个声道只会收到 22uV的干扰，如果结合前面底噪图去评价，测试检出的信号并不是干扰信号，实际上是本底噪音，因为本底噪音最大音量的时候就是大约22uV。
　　所以，理论上可以说因为得益于单独稳压电路的优良设计，虽然共用一个变压器，两声道之间不会产生任何互相窜扰的信号，可以视作两个完全独立的放大器使用。

　　四、频率响应曲线
　　上图是测试MHzpreamp II (Ref) 在不同的音量下的频率响应曲线，越平直越好。
　　MHzpreamp II (Ref) 设计带宽是1.2MHz(-3dB) ，而AP的可测试带宽是<200k,故此只能看到200kHz范围内的频响特性。上面不同的电平曲曲线均为平直延伸，电平高低对带宽没有影响。MHzpreamp II (Ref) 内部有3组带宽控制滤波器，可以通过遥控器切换。分别是：22k、33k、66k、1.2MHz。
　　MHzpreamp II (Ref) 内部有3组音箱低频补偿滤波器可选，用于修正喇叭和房间之间的低频量感。可以通过试听调节达成均衡音色。分别是spk0 、spk1、spk2、spk3。spk0 是直通选项。
　　下图是MHzpreamp II (Ref) 内部采用的连线，因为带宽极宽，所以采用高频电缆作为连线。带宽和转换速率和互调失真有非常大的关系，请看后面的相关各项。

　　五、谐波失真
　　测试MHzpreamp II (Ref) 在不同音量下的不同频率的谐波失真。每一个图表示一个音量状态，分别为14、24、34、44、54、64、74、84。测试频点从100Hz~20kHz，测试滤波器是内部的 30k filter。谐波失真是一个最基础的指标，MHzpreamp II (Ref)的谐波失真极低，而且失真的形态很好，从14~54音量，全频带的失真都低于-120dB，也就是≤0.0001%。因为电路结构优良，所以并没有产生高频失真剧烈爬升的问题。
　　即使到了很高高音量84（输出8vrms）最高的失真仍然可以保持≤0.0006%。根据前面的功率和音量关系图，很容易发现在正常使用下面，前级可以保持工作在0.0001%失真以下，也就是等同于一根带驱动力的信号线。即使是小音量下，同样保持了如此低的失真。可以保证小音量下面一样有高解析力和良好的线性。而不会像某些系统只能工作在某个音量下面才有优秀的表现。

　　六、失真形态FFT分析
　　从失真的FFT分析图可以有效的看出到底是几次失真，是偶次还是基次，各自的分量是多少，第一张图是 MHzpreampII(Ref)的测试图，第二张图示AP2322本身的自测图。初看MHzpreampII(Ref)的测试图有一个2k的失真信号，但是对比了AP自测的曲线发现，这个2k的失真是AP本身信号源就存在了，即便如此失真也没超过-126dB，也就是THD<0.00004%。3次谐波接近低噪水平-135dB

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