bpm7100电路详解 [复制链接]

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初来乍到

只看楼主倒序阅读 0 发表于: 2008-02-28

— 本帖被 sanyue 从动手一族和玩家 show 移动到本区(2010-01-10) —

BPM7110电路详解

　

近几年的音频器材中，一些高端国际品牌以应用电流传输(Current Conveyor)电路技术作为宣传的重点，象Ｗadia，Classe，在它们的ＤＡＣ解码器中利用电流传输电路制作为Ｉ／Ｖ的变换器，这是一项对音质改善非常有效的做法，通常电流输出型的DAC芯片，都是通过有源或无源的I/V电路转换为电压信号，如果是有源的由晶体管运放或IC运放电路构成I/V电路，由于使用反馈方式及反馈电容容量较大，令音质的透明度与瞬态反应变差，分析力自然大打折扣，无法准确表现音乐中速度变化，即使是使用24BIT/192KHZ芯片也不能得到充分发挥。而如果是使用无源的I/V变换，虽然可以减少有源方式的缺点带来的影响，但由于芯片内部有输出幅度限制元件，只能变换到数十MV的有效值电压信号，再通过后接的放大器进行放大，这样必然令信噪比下降，同样不利于细节的重放。而通过电流传输电路，则可以将芯片输出的电流信号无损传输到输出端，并可以直接用I/V电阻转换为足够大的电压信号而不必再进行增益放大，实现低失真高信噪比的I／V转换，并在转换时可以进行模拟滤波，只需要通过一个0DB的缓冲电路输出就可以了。
最令我们瞩目的是Krell 的电流传输模式CAST（Current Audio Signal Transmission）的整套器材，它向我们展示了电流传输技术对声音高度还原的能力以及对器材间传输的干扰的强大抑制能力。4月在上海国际音展上的Evolution One，多位听过的发烧友也对我提及其高透明，巨细无遗的声音表现，很可惜他们都说只能干流口水，因这个套装售价实在太高了。
为何高端品牌的音响制造厂都采用了电流传输电路？这个问题对我来说这是非常很有吸引力的，相信也令不少音响DIY爱好者非常有兴趣去了解这种电流传输电路。
电流传输电路可以分为SATRI及CAST，通俗地说，SATRI就相当于我们常用的电压传输电路的RCA方式，而CAST就相当于XRL方式，区别是CAST及SATRI属于电流传输方式，相信这样更容易令读者理解。本刊第六期中，我向各位介绍的《使用再生电源的平衡前级》，也是使用了ＣＡＳＴ技术去制作主放大电路，限于篇幅，在本文才去介绍电流传输电路的实际电路结构，让有兴趣的爱好者可以自行仿制。下面就向诸位爱好者介绍电流传输电路的历史，原理。
１，历史回顾
电流传输电路主要由电流模电路构成，这不是一项新的技术，早在１９６６年， K．C．Smith 教授开展了关于电流模电路的研究项目，并定义了第一代电流传输电路理论的关系式。
两年后的１９６８年，G．Wilson 发表了举世闻名的威廉逊电流镜电路（Wilson Current Mirror）。同年8月他在电子工程师会议发表论文《电流传输电路　——　　一种新的电路构成》。这个论文展示了第一个电流模电路，电路的特性符合第一代电流模的关系式定义，见图1。
由于晶体双极管Ｉb电流的存在影响，这个第一代的电流传输电路的传输精度是不足够的，因此在１９６９年， A．Sedra提出了传输精度更高的电路（图2），同时对第一代电流传输的关系式重新修正。
这两个电路同属于第一代的电流传输电路，即使到今天，我们也可以在一些流行的ＩＣ内部线路或晶体管的放大器中看到由这第一代电流传输电路执行电压－电流（V/I）的变换功能。严格来说，第一代的电流传输电路是不能单独使用的，它只是应用在其他电路中作为其中一个功能部分。
在第一代电流传输电路的2年之后的１９７０年2月，Sedra先生定义第二代电流传输电路的关系式 (简称CC II )，并很快就得到大家的认同。第二代电流传输电路可以精确地对电压／电流进行变换控制。当时世界各地的爱好者纷纷发表了各种各样的电路，但这些电路频率响应差，转换速率低，都不能被实际应用。
直到１９８４年，Ｂ．Wilson发表了一个由OPamp运放ＩＣ与一对晶体管电流镜电路组合为电压转换到电流的传输电路，这个电路的频率响应达到３ＭＨｚ，谐波失真在－７０ＤＢ以下，Wilson称这个电路可以在供电电压±15V时输出10MA的电流，性能比之前的电路大幅提高。
１９８５年，Normand提出了一个更实用的全分立器件组成的电路，具有数ＭＨｚ的频响，及－８５ＤＢ的低失真水平，并能实现电流与电压间的相互精确传输，图3。
１９９５年，Wadsworth设计电流传输电路在美国取得了专利，这个专利后来被Wadia买下，制作成为I/V 转换ＩＣ，"SC-1(Swift Current)"，并应用到它们的产品中。
１９９５年，A．Fabre定义了第三代电流传输电路关系式，这是由两个第二代电路组合而成的。
ＢＰＭ７１１０就正是符合第三代电流传输电路的定义。
一直来电流传输并没有得到广泛的应用，原因是早期的线路性能低下，在当时与电压传输电路之间有一定的差距，经过无数的努力后终于能实现更优秀的性能，这时电压传输线路已是几乎一统音频器材的天下，再者器材间的电流传输接口各厂家间有不同的制式，不同厂家间的器材往往不能直接相连使用。但金子总会发亮，电流传输电路的优异性能，相信不久将来，电流传输的方式可以流行起来。KRELL就正利用其高端品牌的影响力，起了带头作用。
2，电路原理
目前在ＤＩＹ界流行的是ＢＰＭ７１１０的自制模块，因为电流传输电路主要由电流镜组成，制作为模块可以令所用的器件温度保持一致，电路的整体性能就可以达到更高。最先见到BPM7110模块是在日本，由于收入水平的差异，这个模块售价高达６３０００日元，折合到人民币也要４０００多元，相信国内很少爱好者乐意购买，但在发达国家而言这确实不算高价，毕竟收入水平是我国的10倍。而这位模块制作者所ＤＩＹ的合并式功放使用ＢＰＭ７１１０模块担任增益级，售价最高的一台是１５０万日元。国内制作的ＢＰＭ７１１０模块相对便宜了很多，算是较适合国内的收入水平。
ＢＰＭ７１１０的电路方框图见图4。
PIN8和PIN14是正电源提供引脚，到PIN7和PIN1是负电源提供引脚。使用时应在尽量靠近电源引脚处安装低阻抗的去耦电容，如三洋的OS电容，或优质的MKP薄膜电容，以减少由电源带来的干扰。
PIN13和PIN2，是设定偏流的端子。在这两个端子上使用恒流二极管，场效应管等的恒流器件去设置BPM7110的工作电流，如果BPM7110使用稳压电源供电，此处可用电阻进行设置电流。使用电阻可用以下公式进行设计电阻参数。

R= Vb/ Ib
Vb ＝2·Vcc－2．4－0．１·Ib
Vb 是指 PIN1３与PIN2两偏压设置引脚之间的电压
Vcc是指电源电压的绝对价值（如供电电源电压为±15v的时候，为15）
Ib = 偏置电流(mA)

一般的应用电路，偏置电流可设置到 2．5mA就可以。但如果电源电压较高，或电路需要设定较高的偏置电流的时候，就要遵守BPM7110的最大功耗规格，并只允许在其最大功耗规格内使用，偏置电流与总电源电压的功耗值不应超过200MW。
使用较低的工作电压，就可以设置较大的偏置电流，以适应某些特定的电路要求，一般作为前置放大器使用时，可选择±15至±20V这个电压范围使用，BPM7110在很宽的电压范围内均具有极佳的线性，且增益随音量而改变，即使音量控制在前级放大电路后面，也不会出现传统的线路因直接放大输入信号而可能产生的过载失真。因此，非必要时可不必强求使用高电压供电，这并不能令音质变好。
输入电路有输入端引脚PIN14与和GND引脚PIN13，这里需要输入的是电流信号，如果直接输入电压信号是不能正常工作的。输入电压信号时，需要使用电阻进行电压到电流（Ｖ／Ｉ）的变换。这Ｖ／Ｉ电阻的计算如下：
Ｒ＝Ｖｉｎ／Ｉｉｎ
Ｖｉｎ是输入信号的有效值，Ｉｉｎ是输入信号电流有效值，令其峰值不大于偏置电流即可，如偏置电流是２ＭＡ，可设计输入信号电流峰值为１．９ＭＡ或以下，有效值就是约1．３MA以下，反过来，也可以设定好输入信号的电流，再去设定偏置电流。
输入回路的输出连接到电流镜1的输入端，电流镜1的输出相位与BPM7110的输入信号是反相的。将电流镜1的＋和－的输出PIN11与PIN4两个引脚相连，就可以输出电流信号到负载，如果要输出电压信号，可在此与GND的间连接一个电流转换到电压（I/V）的电阻RL，电阻流过信号电流，能得输出电压
Ｖout=信号电流·RL
改变RL的数值就可以改变信号的电平大小（增益），使用电位器作为RL，改变电位器就可以改变电路的输出电平，同时在控制音量时就可以连增益也一同被控制，这样可以令失真更低，信噪比更高。注意的是，这个时候，输入信号和输出信号的相位是相反。
为了令BPM7110的输入和输出的相位相同，模块内设计了电流镜2。如果要得到正相的输出，可将电流镜1的＋输出引脚PIN11和电流镜2的－输入引脚PIN5相连，电流镜１输出－引脚PIN4和电流镜２的＋输入引脚PIN10相连，连接电流镜２的两个输出引脚PIN6与PIN9，就可以输出与输入信号同相的信号了。
ＢＰＭ７１１０内部详细电路见图5，可以看到，ＢＰＭ７１１０的电路构成是由多个威廉逊电流镜电路组成，威廉逊电流镜的单元电路见图6。威廉逊电流镜当晶体管采用相同型号，且特性得到配对时

当威廉逊电流镜的发射极直接或通过相同数值的电阻与电源相连，则 i3 = i4，这时，

β 作为表示晶体管的hFE，β值是不可能无限大，但当β值为３００时，ｉ１与ｉ２的误差已低达０．００３％，可以忽略不计，选择更高β值的晶体管可以进一步提高精度。如果爱好者认为晶体管配对不佳影响电路的性能，那这种情况同样会表现在传统的放大线路中，出现的问题可能更为严重。
以上简介了关于电流传输电路及ＢＰＭ７１１０这个典型电路的引脚功能，更多的典型应用例子及更详细的参数设计早在2006年本刊第九期的拙作《实战电流传输技术》一文中介绍过。
在仿制BPM7110时，需要对所使用的三极管进行配对，以模块形式制作并填注树脂，令内部的三极管工作于同一温度下，以提高性能。这里可选用日立的2SC2886/A1191或东芝的2SC2240/A970等高频管。
电阻要求精度，温度特性和频率特性良好。Vishay电阻就很合适使用，并受到日本的制作者的推崇，我进行对比过几种不同电阻的制品，Vishay的音色是更趋向于中性。如果需要BPM7110表达其他类型的声音风格，也可以选择其他品牌的电阻，如HOLCO，DALE等。
BPM7110的制作完成后，我做了图7的电路去进行测试，将BPM7110输出端的1K电阻改用电位器就可以作为一个前级使用，对于方波的响应见图8，这是完全没有负反馈，也没有相位补偿，响应特性可以说不错了，这种电路更容易得到细腻而传真的声音。而一些使用负反馈及相位补偿的电路通常会令音质变得朦胧或沉闷，即使它们具有更好的测试指标。
BPM7110制作的电路在音质上表现出一种极高的透明度与还原细节能力，最难得的是无法感觉到对音质的染色（使用音色中性的并联型稳压电源或电池供电），这是我近二十年DIY生涯中从没碰到过的。我特意使用合并功放去测试一台使用ＢＰＭ７１１０制作的前级，在接入与不接入前级，听不到音色上的变异，只是感觉音质表现中的动态与力度更大，细节更丰富及容易听到，这种音质也正与近年多数高档音响设计趋向相同。

3，更简洁的电路
或许有爱好者会认为电路过于复杂，想用更简单的电路体验电流传输电路的效果，以下介绍我最近设计的一款电路，这个电路可以直接输入电压信号，输出电流信号，通过I/V变换，也可以输出电压信号，内部信号的增益是由电流传输电路构成的，而电路也可以用开关进行完全无反馈的电流传输工作方式与电流反馈工作方式间的切换。原理图见图9。
电路的输入级是由一对K170/J74组成的缓冲器，并与一对C2240/A970构成渥尔曼电路以提高电路的线性与频率响应，在这里，输入级是兼任了V/I转换电路。转换的原理是输入的电压信号经过缓冲器输出端，与接地的电阻R1根据I=V/R，令C2240/A970的集电极产生与I相同的变化电流，此电流通过由威廉逊电流镜传输到电流输出端。
威廉逊电流镜的输出由三对管并联工作，可对电流进行约三倍的增益。R3，R4是电流输出端的负载，在此作为I/V电阻，将电流信号转换为电压信号，然后再经一组并联的渥尔曼式场管缓冲器输出。
这个电路可以作为一个前级使用，如果将输出的缓冲器换了输出阻抗更低的缓冲电路，也可以作为耳放使用。电路的增益计算方法如下：
AV=（R3 // R4 / R1）·3
本电路的增益约6．５倍。
作为前级，音量的控制可如一般的电路一样安排于电路的输入端，也可以按电流传输电路的习惯做法将音量电位器代替电路中的R3或R4中任一个，采用5－10K的A型电位器就合适了。通过改变电位器的阻值，有不同的I/V转换值，音量因此得到控制，这种接法下，电路的增益跟随电位器的阻值变化，音量小时增益可以是负数十DB，这是一般的放大电路所不具备的，信噪比也能达到更高，但不同的电位器会有不同音色音质，应选择品质较好的如ALPS或贵族。
或许有爱好者认为使用电位器控制增益会由于电位器两联间阻值差异而影响电路增益的一致性。但我认为不必担心，电位器如果存在误差，即使是安装在输入端或输出端也会令两声道电路的输出不一致，故此，我倾向于采用由继电器及精确电阻组合切换的遥控音量器，这种电位器通常具有80步进档，可以更细致地控制音量，两声道的误差也可以较容易控制在1%以下。
合上电路中的K1，就成为一个电流反馈的电路，音色也与完全无反馈时有异。
直流伺服电路会对音质产生一些微妙影响，我反复对比过三种方式，1，单级的积分电路，2，积分电路后加一阶低通滤波器，3，积分电路加两阶低通滤波器。个人感受是方式1声音较突出中高频，但相对后者稍有燥的感觉，方式3又似乎过于注重低频，声音稍显得呆板，方式2就显得中庸，音质最为理想，也就是图9中的直流伺服电路。
由于输入级的自偏压，本电路电源电压适应性很好，可以在±8至±20V正常工作，如果将电流镜的三极管都换作B647/D667，电压范围更宽达±8到±50V。对电源的要求很低，即使没有使用稳压电源，输出噪音也是极低的，即使是作为前级，也不会因此增加了交流声或其他噪音，除非制作时接地不合理。采用优秀的稳压电源虽然对测试的输出噪音影响极微，但可以令音质得到提升。
声音是相当清晰而准确，如果喜欢稍厚暖的风格，也可以增大输入端的C1的容量，最大可到2200P，也可以在R3，R4上各并联上最大220P的电容，这些都是属于后期的校声的手段，校声后音色音质可能更适合自己听，但测试指标可能不及校声前。但这又有什么关系，指标是给测试设备感受的，而实际音质才是给我们人类感受的，世界上有宣称自己指标最好的音响器材，但还没有声称自己音质最好的音响器材，象Halcro 68。而胆机，失真大，响应差，同样不是受到一些发烧友的喜爱？因此我们不必拘泥于指标的优异，只要校声完成后电路工作稳定，一切还应以音质为首位，这也是众多洋名机音质取胜之道，它们很多的测试都不敢见人，但依然有不少发烧友喜欢花昂贵的价格去购买。
介绍到此，不知各位爱好者是否有跃跃欲试的想法？
　

爱乐永恒

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