设计制作一款HI-FI音响电源

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在集成电路流行前，人们用分离元件制作稳压电源。后来，三端稳压IC开始流行，这些IC使用简便，体积小，性能不俗，价廉物美。如果你不在乎价格，市场上有很多改进型的集成稳压可以买到。所以现在的DIYER很少有人愿意回到用分离元件自己制作稳压电源。

但是，集成三端稳压也有一些致命的缺点：

1、输入输出电压或电压差有限制;比如78系列最高输入电压是35V，317系列输入输出压差必须保持在35V以内。

2、大电流输出能力有限;受制于产品封装以及内部调整管的性能，大部分三端稳压芯片仅可提供1A的输出电流能力，好点的也最多达到3A。

3、纹波抑制能力有限;受制于内部集成的741一辈爷爷级运放的增益带宽积和转换速率指标，大部分三端稳压的纹波抑制能力相当有限。尤其是在较高的频率下，仅是低频的1/10能力都没有。

上述缺点严重限制了传统三端稳压芯片在音频电路尤其是在需要高电压，大电流的情况比如功放等上面的应用。那么，我们DIY是否有能力做到性能超越三端稳压，成本不高，适用范围广的分立元件稳压电路呢?其实，拥有一个好的运放，一些常规电阻电容，一个好的参考电压源以及一些常规的晶体管，只要我们不追求体积，DIYer完全可以做出超越三端稳压IC的线性稳压电源！

要实现超越，我们必须先研究清楚常规三端稳压电路的工作机理，并回顾和总结前人所设计制作的优秀之作，并吸取其精华，利用日新月异的新器件，新思路，来设计并制作适合业余DIY的分立模拟稳压电源。

一、线性稳压电源如何工作？

这个是个标准的线性稳压器的简化方块图：

线性稳压器简化图

上图为串联型线性稳压电源，因为调整三极管是串联在输入和输出中间的。通过控制调整三极管的基极电压的方法来控制三极管输出脚的电压。连接误差放大器的一个输入脚的是参考电压VREF。连接误差放大器另一个输入脚的是一个电压分压器的中点电压。任何运放都会通过调节输出电压的方式来使两个输入端保持平衡。在这个图里，误差放大器的输出端连接到了一个NPN三极管的基极上，误差放大器输出电流到三极管的基极上，三极管电流从集电极向发射极流动，相当于从调整管基极吸取电流。一个运放只要有几十毫安的驱动力，就可以控制好调整管的电流。

设参考电压为5V（VREF），R1/R2=3。由于误差放大器同相端为参考电压保持不变，而运放总是要保持两个输入端的平衡，所以，他会不断调节自己的输出电压一直到分压电路中点即反相端出现5V为止。由于分压比为4，所以最终的输出电压VOUT将保持在20V，这是一个不断循环的过程，最终达到了稳压效果。

当然，这个简单的设计并非完美。误差放大器只会快速摇摆，参考电压也会有误差，稳压电源输出阻抗高导致电压失落。所有的元件都不同程度的存在温度漂移现象。此外，所有的部件都有噪音产生，而且随着温度上升而恶化。

二、高性能分立稳压电源的发展经历

回顾几十年来模拟分立元件串联稳压电源的发展，大体上有以下四款较经典的电路值得学习和借鉴：

1、 Sulzer 稳压电源

1980年2月Mike Sulzer 在The Audio Amateur杂志发布了下款稳压电源：

Sulzer稳压电源

这个设计特点如下：

(1)使用高速低噪音NE5534作为误差放大器;

(2) 在运放供电V+处，未稳压电压通过一个低转折频率的RC低通滤波器(R3 及 C3+C4)大大地过滤掉纹波，基准稳压管的噪音也被另一个低通滤波器R4和C5给降低了;

(3) 反馈回路中采用较大的电容C1，R2与C1 从一个较低的转折频率开始滚降，所以高频噪音没有被误差放大器放大。输出电压是VREF × (R2/R1 + 1);

(4) 采用5534运放。5534是1980的新芯片，现在已经很普通了。一般而言，在317电路里面的误差放大器大致接近741运放的性能，当误差放大器的性能得到提高后，相应的稳压电源的性能也得到了提高。

1981年1月Sulzer在The Audio Amateur又发表了一篇文章。仅仅是一些细节上的改良而没有增加太多复杂程度，主要修改有：

(1) 使用一个LM317作为一个预稳压;

(2) 用一个精密的参考电压源代替稳压管;

(3) 将调整三极管的集电极直接连接到未稳压的供电上;

(4) 增加一个大功率三极管组成达林吨形式以取得更大的输出电流能力;

最值得一提改进是增加的预稳压。他使调整管上的电压降接近稳定，改进了他的性能。同时也取消了误差放大器V+端的低通滤波器，不仅节约了部件而且降低了阻抗，使运放的性能得到了提高。

1987年1月在The Audio Amateur杂志，Jan Didden 也发表了Sulzer稳压器的变种。他使用了一个7818作为预稳压器并用一个7805作为一个参考电压，另外他使用了比Sulzer稳压器原先使用的性能更好的三极管来做调整管。

2、Sulzer-Borbely 稳压器

也是在1987年1月发表的，本身是为了适应动圈唱机前级而做的设计。Borbely的改进是个值得肯定的设计。电路见下图，其特点如下：

Sulzer-Borbely 稳压器

(1)使用了一个LM317作为预稳压器。

(2)使用了band-gap(带隙)技术的参考电源LM336。和稳压管相比他们的主要特性是电压跌落要好的多，但他们的噪音要比掩埋型稳压管大。由于音频系统中并不需要使用低电压降的特性，所以我认为使用一个掩埋型稳压管LM329应该更好一些。无论如何，band-gap带隙型参考源的使用仍然是对传统稳压管的噪音以及稳定性的一次改良。只要你不在乎更大的电压跌落，我认为掩埋型的稳压管似乎更好一点。

3、Jung超级稳压器

最后我们来看Jung稳压器。Jung在1995年TAA杂志发表的电路，电路如下图：

Jung超级稳压器

Jung稳压器和Sulzer稳压器最主要的区别是：

(1) 采用更好的调整管(D44H11);

(2) 调整管采用不同的驱动电路;Sulzer稳压电源中的误差放大器按照标准的方式取得电压调节功能：通过改变误差放大器输出电流来控制调整管的电压降。而Jung稳压器则采用了一个不同的稳压机制。在Jung稳压器中，一个恒流源(Q2和关联电路)将电流推送到调整管的基极，误差放大器则吸收为保持设定输出电压而富余的电流。(这个连接到运放输出的二极管就是解释了为什么运放只能吸收电流的原因)。这样设计的好处是恒流源间接限制了稳压器的最大输出电流，并保持在一个合理的范围内。而Sulzer稳压器在输出短路的情况下将损坏调整管。

(3) 没有预先稳压器;

(4) 采用更好的运放(AD797)，运放输入加入保护电路;和原始Sulzer设计一致，运放的V+端有一个低通滤波器(R3, C2)。显然这是个可有可无的设计，取决于运放自身的PSRR指标。调整管的集电极直接连接到了非稳压电源的输入处，而不象原始Sulzer电路一样接在低通滤波器之后。这保持了大电流通路的低输入阻抗并降低对运放供电回路电流的影响。误差放大器输入口的二极管提供了过压保护。虽然一些运放内部已经有了并联在正负输入两端的保护二极管，但外部二极管比内部二极管能通过更大的电流。

(5) 密参考源(LM329);掩埋型稳压，噪音较低。

(6) 远距补偿。这个版本的电源的印刷板设计需要有些技巧。首先，R2和R8不要象画原理图一样直接连接到调整管的的输出点上。而他们靠在一起，并放一根短线在两者中间。第二，在电路原理图中使用了两个接地符号，每个符号是个单独的星型接地。调整管输出点和R2/R8连接点处分别引出两根线走到最终输出的正接点。这样会让误差检测电路可以对整个稳压电源的输出带载而产生的误差感应正确。两个不同的星型地分别引出两根线到最终输出的负接点，这样从控制和检测电路部分被旁路到地的噪音只有在负载/检测点被混合，所以误差放大器可以同样控制这些误差。

如果你使用了两个独立的线从控制和感应地接到了负载上，你应该将非稳压的电源供应的负端也接到负载负端，以避免接地有回路环。但是，同样要注意远距检测带来的风险：他极大提高了误差放大器反馈回路的反馈程度，但是，接入此回路的长引线也同时增加了不少寄生电容和寄生电感。如果加上了远距补偿，你必须测试电源是否震荡，尤其是使用了Jung推荐的高速运放比如AD797之类。

4、Jung超级稳压器2代

2000年4月在Audio Electronics 杂志发布，Walt Jung针对1995的版本对他的稳压电压进行改进而发表了一个新的版本：

Jung超级稳压器二代

其分析如下：

(1)LM317预稳压器。Jung对于预稳压器的应用显然比Sulzer 和 Borbely高明。在这里317是个浮动的设计，所以预稳压器的输出总是保持比稳压调整管输出大一个固定的数值。如图电阻数值，预稳压器达到2.3V的电压降，且可以连续输出1.5A的电流而没有任何问题(取决于317芯片的极限电流)。预稳压器减少了本身依靠误差放大器要消灭的纹波，也减少了恒流源的误差，同时承担了一部份调整管要承担的耗散功率。但使用预稳压器唯一的缺点是使整个稳压器的压降增大，达到了5V的水平。

(2)误差放大器电源的连接。注意V+是取自稳压电源的输出。误差放大器使用的是经过稳压的干净的电源而非简单滤波的非稳压电源。显然R3和C2已经在此电路中没有存在的必要了。C3也必须去掉，因为你不能在误差放大器的V+添加更多的薄膜旁路电容，否则由于输出电容的阻抗太低，将使运放变得不稳定。

(3)误差放大器输出端连接的一个二极管是个6.8V的稳压管。这将使稳压器的启动更可靠。这在Jung的原始版本电路中是可有可无的，但Jung认为在这个电路是必须的。使用了稳压二极管，误差放大器的输出在稳压电源启动的时候将接近负供电电压并锁定。

(4)使用了AD825运放。Jung认为AD797在较强的RFI(射频干扰)环境下有问题，主要是其敏感的输入端会感应某些信号并导致输出不稳定。FET输入级的运放对这种情况则不那么敏感。发射极接有负反馈电阻的双性型三极管作输入的(运放)芯片在这里也可以工作;Jung推荐AD817。可见，做好电源，一个相对高速的运放以及一个强壮的输出级是多么的必要。

(5)降低恒流源的默认电流。D44H11的最小HFE是60，所以这个电路的最小电流输出大约是330ma。(恒流源的电流=2V-0.6V/249R=5.5ma)如果你参照这个做个镜像的负稳压电源，互补管D45H11的最小HFE是40，则最小输出电流大约是225ma。

三、进一步的提高Jung超级稳压器的性能

仔细分析Walt Jung的电路后会发现，其相对于经典的三端稳压电路来讲，最主要的是将运放的供电由稳压后的电源提供，这样前端的噪声就不会影响运放而产生噪声，虽然运放的PSRR通常还是很高的，但是在极限性能的要求下就显的不足。

由稳压后电源提供运放的供电会带来一个问题，就是运放是控制稳压的，但是自身的供电又是由稳压后的电源得来的，所以这会带来一个启动的问题，因为在最坏的情况下，运放没电，不控制三极管导通，输出没电，然后运放也就始终没电，这样就永远也无法启动。所以原电路的D2采用了IN5235的稳压二极管来提供一个初始的启动电压。

Walt Jung电路

在Walt Jung电路的基础上再做些小的改动，就能达到低于1uV噪声的极限性能了。

首先要解决的是电压基准带来的低频雪崩噪声，虽然LM329是深埋型的稳压二极管，其雪崩噪声已经比普通的稳压二极管小多了，但还是不够，深埋型稳压二极管中噪声最低的是LTZ1000，但这颗价格高昂，通常用在超高精度电压基准中，温漂性能优异，但这不是我们电源应用中所需要的。在这里，我们用LED来取代稳压二极管，LED不靠雪崩效应来维持其导通压降，所以先天就没有雪崩噪声，只有散粒噪声。散粒噪声是白噪声的一种，所有半导体器件都无法避免，通过R2和C6的低通滤波器过后，就可以几乎忽略其带来的噪声。LED的缺点是直流精度低，而且会有一定的温度漂移，但是我们作为电源使用的话，通常电源都是不需要很精准，比如说+15V和+15.5V，都能使电路很好的工作，不会有任何影响。所以我们在这里舍弃了直流精度来达到消除雪崩噪声的目的。同样D4, D5取代了原先的稳压二极管，也不用并联电容来抑制一些雪崩噪声了。

Walt Jung有提到过原电路会受到RFI的影响，所以改用了对RFI不是很敏感的运放，但是这些运放的噪声比较大。不足以达到<1uV的性能。通过对PCB布线的优化，特别是运放的供电走线的研究，完全可以达到很好的抗RFI的效果，不再需要特殊的运放。所以这里用了AD797或者更新型的ADA4898-1。这2款运放的噪声都达到了0.9nV/sqrt(Hz)。

适当的减小电阻的值，电阻的热噪声和阻值成正比，选用了金属薄膜电阻取代普通的厚膜电阻进一步的降低了电阻带来的噪声

最后还需要提到的就是PCB布线的影响了，虽然笔者对于模拟电路的布线还是有几分自信的，但是要达到<1uV噪声的性能，又要有足够抗RFI的能力，也还是修改几次PCB，最终才如愿所长。

以下是最终的板子与部分元件，基本都是以全贴片设计。

由于贴片元器件焊接要求比直插元件要高，所以尽量焊台，风枪都备置齐全。

焊接时候，按从小到大顺序，我的习惯是先把IC都焊上，然后在焊接其他。

贴片阻容按总从小到大顺序，逐个焊接。

然后把整流部分也焊接好。

接下去是主滤波的焊接，更容易了，装完后，贴片部分都完成了。

剩下的把直插的管子与插座装上即可。下面用安捷伦 34401A来测试下噪声，验证下上面理论的结果。先测测34401A的机器底噪。

测试是3.2uv，然后测本电源带300ma动态负载时候的交流噪声。

发现是3.9uv，那就是本电源的噪声是0.7uv，达到了之前设计要求。

最后，来测一个LM317带100ma动态负载时候的噪声做对比。

结果是660uv，噪声要大近千倍。

参考文献：

1、1974年2月"IC Regulated Power"(IC稳压电源)Walt Jung

2、1997年1月 "Regulator Excels in Noise and Line Rejection" Walt Jung

3、1997年6月 "Low-Noise Power for Analog Circuits" Walt Jung

4、IC Op-Amp Cookbook(IC运放手册)Walt Jung

是楼主亲自制作实验的全过程吗？还是从中国音响网转过的帖子？