2014年9月6日 星期六

自製CMoy耳機擴大器



記得第一次聽到耳擴這種東西,是我高中的時候。我跟許多人一樣疑惑,到底為什麼一台好好的隨身聽會需要多串一盒薄荷糖大小的耳擴?難不成是買到音量太小的機子需要擴大?還是說這樣隨身聽比較省電?不懂。

 之後看到有關自製耳擴和申請樣品的文章,自己也申請了一些想說來玩玩。但是誰知道去年的6/30號剛申請完,PO了開箱文,我就被Arduino這隻數位大怪獸給擄去了OAO,所以好一陣子沒有再動這些類比的東西。至今那顆TPA6120A2 還有因為不熟悉IC封裝而申請到SOP-14封裝的OPA2134,還留在我的IC盒子裡,完好如初。 其實那時玩Arduino 的時候,我一直搞不懂A0~A5底層硬體有個比較器的原理,只知道唯有他可以處理類比訊號輸入。我第一次看到世界上第一顆OP-AMP :uA702 更是在找尋古老CPU的時候在Computerhistory.org這個網站看到,很遺憾的,雖然他的構造已經簡單到不能再省了,我還是沒有很詳細去接觸這些。
  到了大一下學期,我們在電子概論實驗這們課中,初次玩了比較器LM311,才認真體會到這個正三角形看起來有一點邪惡的符號原來是如此簡單有趣。接著就是我如同我上一篇文章交代的了,從暑假前RF欲罷不能,發現自己已經有能力設計音頻類的東西,到上個月認真看完了淺顯易懂的OP-AMP教學,才略懂了運算放大器的奧妙。
  「耳擴」顧名思義就是接耳機的擴大器,他的功用主要是為了推動較高阻抗的耳機用,一般是由單顆雙運算放大器所構成,又因為雙運放腳位通常為DIP-8且針腳定義較統一,所以通常會使用可替換的IC座來供玩家自行更換不同音色的運放。
  這次做的這款 CMoy (Chu Moy)耳擴,最大的特點就是他只包含一個雙運放基本負回授組態和一對提供雙電源的9V電池,構造非常簡易,拿來做運放音質測試是絕佳的選擇。

這次的電路設計上,我參考了許多設計,整理出一些分部細節列出來供大家參考:


以下是我設計的電路圖:


  1. 電源:
    由於大部分運算放大器都需要雙電源才能運作,雙電源串聯出中間的虛擬地 ( Virtual Ground ),這時OP-Amp才能以虛擬地為中心輸出上下震盪的交流訊號。故若是使用雙倍電壓的單電源就會需要 Rail Splitter 來產生虛擬地 (Virtual Ground)。虛擬地處理得好,靜音時的雜訊就會少許多。

    Tangentsoft 大大的網站上已經有很詳細的設計方法解說,包括常見的雙電容、分壓電阻方法,到LT1206、 BUF634 和 TLE2426都有教學。

    -  另外比較特殊的是電晶體離散元件組合成的Rail Splitter,像是這位Sijosae前輩設計的電晶體版BUF634也是個不錯的選擇。

    - 還有一個方法是我聯想到的,就是之前在Arduino.Taipei 的社團中有聽聞馬爸介紹的ICL7660這顆負壓產生器,或許近期會來實驗看看。

    - 因為是第一次做耳擴,所以從簡單的雙電容+分壓電組+雙9V電池來構成電源電路
  2. 交聯電容:

    交聯電容扮演著舉足輕重的角色,它確保OP的輸入端不會因持續輸入直流電壓而破壞放大器內部電路。而某些支援單電源供應的運放,在輸出端也需要串交聯避免直流燒壞輸出的耳機。

    - 通常會選用進口的金屬皮膜電容、油質電容、無極性電容或是同極相串的鉭質電容,音質上會較佳。

    - 容值從0.2uF到1.0uF都有人用,但是容值太大容易導致低頻過剩。

    (註:經過電機系電子學頻率響應單元洗禮之後,得知理想的Buffer頻率響應(增益)在工作範圍內應該要是相同的。交聯電容並不會增加低頻增益導致過剩,反而是會減少原本該有低頻的增益)

    - 基於成本和初次實作考量,這次DIY我參考著名的 Crystal CMoy 選擇0.68uF的金屬皮膜電容。廠牌則是日系Nessei的。

  3. 增益值 ( Gain ):
    - 運算放大器的增益 (Gain) 值是透過我電路圖中的R4(R5)、R6(R7)來改變。算式如下:
    (註)
    如同我先前提到的,做耳擴是為了推動較高阻抗的耳機用,所以增益的選擇也相當重要,但是一般設計上3~6倍就夠了。

    - 電阻在選擇上和耳擴上的所有元件一樣,精度越高越好,因為你不會想聽到一邊大聲一邊小聲,還是一邊重高音一邊重低音。

    - 第一次做耳擴,我直接參考JDSLabs的10.2KΩ和2.05KΩ ( 6倍增益 )。但後來發現其實我的耳機阻抗都沒那麼大,在切換訊源與耳擴之間時總要一直調整音量值頗麻煩。或許未來會考慮在我外接的訊號線上串顆電組之類的。
  4. 運算放大器選擇:
    常見的運放如OPA2107、OPA2134、RC4558、RC4560都能使用,只要確保它的供電方式是雙電源和頻寬足夠即可。

    - 這次聽過最糟糕的一顆是LM358,插上CMoy除了可以讓我直接收聽到AM頻道外,聽到高音的時候還會破破的。上網查了一下似乎很少有人拿這顆來聽的,大多是做麥克風訊號放大。

    - 很遺憾的,因為本人耳朵沒那麼敏銳,且耳機普普,只聽得出 LM358 的差別,詳細就請至 Tangentsoft.net 的運算放大器文吧
  5. 附加功能:
    - 電源指示燈:
    使用78L05讓LED恆亮

    通常在電源附近會設計一顆LED作為電源指示燈,但是因為雙電源供電,必須將LED和限流電阻跨在V+和V-之間才能正確顯示。這時如果直接接上限流電阻,考慮到電源電壓可能會從18V降到5V(大部分運放都是寬電壓輸入),不管我的限流電阻怎麼選,LED不是剛開始過亮就是最後過暗。所以我使用了方便的7805老弟「78L05」來讓LED和運放一樣支援寬電壓。78L05和7805最大的差別在於它的電流只有500mA,且為TO-92封裝,和一般的通用電晶體差不多大,正適合來用在LED驅動。

    - 重低音:
    在我參考運放組態電阻選擇的開源 CMoyBB 網站 JDSLabs 中,他們的CMoy有一個Bass Boost重低音開關,原理是把一個電阻和電容組成的低通濾波器串在回授中,當沒有需要的時候短路它。個人覺得這是個很聰明的設計,不過這是我第一次實驗使用洞洞板面積有限且沒有找到外殼,所以就暫時不採納。

    - 音量VR:
    音量調整上其實就是一個使用可變電阻做分壓的設計,電阻值選擇在10K到50K皆可,記得要選擇A類可變電阻,對數遞增  (A類)在調整時聽覺上會比線性遞增 (B類) 來的好適應。
    可惜的是跟 Bass Boost 一樣,本次設計上空間不足,只能考慮後續加在3.5MM頭之前了
大概就注意這幾點了,其他細節以後有實驗到再貼新文章吧~晒圖時間ya
先裝一個L型架,用4條單芯線綁在洞洞板上並焊接


四個角架全上囉,還有先把DIP-8角座放上來抓位置


電池助跑囉

成功擠進手工電池座中

再來是把78M05和LED的5V限流電阻加入
78M05直接靠在L型架上方便散熱
運放旁邊那兩顆是精巧的的金屬皮膜電容

加入電阻
(注意!這是還沒發現BUG之前,請勿參考此電路><)

另外一個角度再來一張

把470uF的大電容上上去,這顆Rubycon是高雄邱老闆店裡最炫的一顆了,它的耐壓耐溫好像都不如人
不過至少還能負荷+/-9V,再多一點點可能就要爆炸了顆顆

再來換邊照一張


加上輸入/輸出Pin就完成了!
針腳是選2.50mm日規的針腳,為了跟一般杜邦做區別
日規的針角形狀略扁,且較粗
接下來就是重頭戲第二了,3.5MM外殼製作
使用一般電子零件行售的的四級頭,把醜陋的外殼和金屬部分拆下來
套上熱縮和塑膠管再把線焊上

大功告成,來試聽吧
訊源選擇上也很重要
右邊是刷了Rockbox的iPod Nano
左邊是我性感的Rubycon電容們

第一次試聽的時候建議使用比較爛一點的運放例如 LM358,避免電路中有BUG損壞運放
這是一張OP們要排隊入住的照片
洞洞板在切割的時候會有內凹的情況,所以用螺絲拴上另一張反面的洞洞板來保持平衡

這個角度看起來,雙9V電池和金色Rubycon電容整個霸氣十足

-CMoy-

上視圖看起來頗有機器人的感覺

抱著兩顆電池的機器人~~

雖然沒有像網路上許多自製CMoy有適合的薄荷糖鐵盒裝
但是用小北隨便買的透明塑膠盒把iPod一起裝進去也是頗潮的啦>w<

  這次自製耳擴從前置作業到完成幾乎花了我整整一個多月的時間,這東西的眉角實在是太多,光是從學習運放組態到電源處理就有讓人眼花撩亂的變化。在這之中,對我幫助最大的就是在Youtube上EEVlog的教學影片了,他讓我從零到有速成學習運放用法,對於入門的初學者真的非常有用。後期的製作上,板子有一半都是被電池佔據,縮減電路面積成為必要之路,所以我把音訊的輸入輸出也做成了插板試,省去了直接拉線焊3.5MM耳機座的風險。卻也因為把中間這17個元件編排縮到最小,增加了之後發現BUG在修復上的難度。

有些音響玩家在焊錫用料上會有所講究,通常會選擇含銀的錫絲來增加傳導性和減少失真,但是剛開始在焊接的時候手邊沒有音響用的錫絲,所以使用我慣用的台製新原HARX-100特殊錫絲來銲接,直到最後在修復重焊焊錯的電路時才改用進口的XSymphony XS-1251。即使他僅標示為音響專用,沒有含銀量,價位居然比前者高出1.5倍,也許這就是音響級所謂的發燒吧 XD

  關於耳擴想做的還是太多,最後來整理個清單好了,以免以後耍廢忘記從拿裡開始做起:

  • ICL7660負電源
  • 電晶體 Buffer 虛擬地
  • TLE2426 虛擬地
  • OP-Amp 虛擬地
  • 低音開關
  • 音量/音頻可調
  • 置入鐵盒
  • 可快速切換式與原訊源比較的連接線
(註:此公式僅限於非反相放大迴路)

4 則留言:

  1. 你好我最近剛到高第一就讀,我在文中有看到高雄邱老闆
    請問一下,高雄有這種電子材料店嗎?
    因為我自己也有在玩耳擴,OP AMP 真的是個大坑,超級燒錢的,我們可以討論看看
    TLE2426 我大安高工同學:王瑞霆,他有測試過,如果負載太大他會發燙
    ICL7660 我看了Datasheet 他是採用震盪的方式產生負電壓,我覺得震盪展生的負電壓會對OPA 產生干擾,說不定會不好聽
    OPA 的挑選:OPA 裡面CP 值最高的是TL072,還有JRC 4558

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  2. 中華路上的邱某源是我這暑假在逛AndAudio板上發現的
    那裏的進口電容跟長明街任一間比起來都算是比較齊全的,感覺邱老闆應該是比較懂電源方面的電路這樣...話說我為了做耳擴來備料這暑假幾乎一個禮拜來一次XD
    我是沒敗過耳擴啦XD,不過覺得自製耳擴在成本和用料上比較能自己控制,也不會花錢去買到炫麗的外殼或是高級的運放(自己在玩申請樣品其實就很夠)。
    蠻好奇的,剛看了Datasheet才知道TLE2426居然只輸出20mA耶好像真的很悲劇,唯一的解決辦法應該就只有多並幾個了吧!?
    ICL7660當然不會讓他直接上OP囉~記得我6月多的時候在玩FM發射器電路,當時我實驗過用Switching的LM2596轉5V直接接上發射器,結果用SDR看到的訊號髒得跟什麼一樣,後來改成LM2596轉7V再串一個LM7805,接收到的訊號確實乾淨許多。當然再我上面的原文連結裡http://goo.gl/TFRNam也有提到是經過7805和7905來濾雜訊的
    關於OPA:
    OPA2134,2107 / TL062,072,082 / RC4558,4560 都是在http://tangentsoft.net/audio/opamps.html 文中都被歸類為JellyBean等級的,像是雷根糖一樣平價(上游價格)且常見。
    FabLab的一位Leon Chao大大推薦我去申請NS的LME49XXXX系列,目前已經在我的Sample Cart 裏頭等待寄出,到時候做好轉接卡應該就能試聽看看了><

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  3. 運算放大器除了OPA2107、OPA2134、RC4558、RC4560之外
    還有其他推薦的ic嘛?希望有多一點可以比較!!
    我看不懂ic規格,如果可以的話給我型號!!謝謝

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  4. 請參考:http://tangentsoft.net/audio/opamps.html
    若要選擇還是去了解一下基本的參數規格比較好

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