OP+BJT单端甲类耳放【v2.1更新】【软硬件全开源】

工程简介：

本耳放电路参考了铃木雅臣的《晶体管电路设计（上）》的P65电路及HIFIDIY论坛-搭个简单运放+单管甲类输出耳放，效果可以 - Powered by Discuz一文的思路

电路特点为利用OP对静态工作点进行反馈调节，可以使得晶体管跟随器射级输出直流电位为0电位（OCL输出）不需要输出耦合电容，也不担心BJT静态工作点温漂。

 

电路原理图 静态电流Iq=（VEE- 0V） /  R4

v1.0 板子图

V1.0采用双面板制作 正面走线 底层覆铜GND

经过肉耳朵测试貌似没有出现地平面耦合导致的底噪问题 静如止水！

我焊接的这块使用的是TI的5532运放和TIP41C BJT（均从立创商城购买）静态电流设置为60mA

焊接电位器时，务必将外壳接地（PCB上有预留接地点），否则容易有底噪

可以把射级负载电阻换成电流源 以取得更高的能耗比（这种方案要多用两个管子 BOM成本更高）

v1版可以直接在本工程中打开下单打样 注意安装管子散热片的时候不要碰到输出3.5mm和接口的焊盘 容易短路！！

另外，上电运行时也要注意ESD防护以及 不要摸水泥电阻和三极管散热片 小心被烫到

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2024.1.5更新：

在v1.0的测试中，遇到了一些问题：

1.插上耳机后的上电以及掉电的POP音非常刺耳，甚至有可能损伤耳机振膜。目前计划在第二版中加入继电器消除POP音；

2.需要正负电源的耳放真的太不方便了，如果不在实验室，找正负电源非常难，带着一块变压器来给耳放供电只为了耳机听个歌也实在别扭。在测试中，我尝试过使用BUCK芯片产生正负电（TPS5430 开关频率500Khz，纹波Vpp≈10mVpp）发现和使用线性稳压电源时相比声音没什么不同。在V2版本中，我将尝试将开关电源集成在PCB上，配合PD诱骗芯片实现TypeC供电，这样便携性就可以大大增加；

3.这个电路的效率低得可怜，要大的功率输出，功放管的积热就是个问题。所以我打算加入一些电路实现输入/输出设备插入检测，也就是说只有使用的时候，功放才工作；

4.综合以上的想法需要用到外围元器件，虽然是这些都很便宜，但是计算起来还是增加了不少BOM成本的。所以我决定引入现代科技（没错就是单片机），目前市面上stm32f030单片机也仅需1+元一片，焊接起来还没有一大堆阻容管子这么麻烦。

......坑就挖在这里了，要准备期末考试了，可能鸽一小段时间。

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2024.1.17 喜报！！！

经过我十几天的日夜奋战+嘉立创工厂的3天奋战+顺丰小哥的一天奋战，v2.0版本的软硬件已经于本日全部完成开发与调试！

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

V2版本功放简介：(已更新至V2.1)

1.电源接口：耳放采用TypeC-PD（兼容QC）进行电源输入，随便找一个充电头插上电就能听歌！

2.电源开关：电源开关采用软开关方案，通过MOS+单片机控制功放电源通断，电流不经过开关，不怕电弧损害开关寿命！

3.耳机保护：对OCL输出级的音频输出进行实时检测，一旦功放故障导致输出信号有直流分量，功放将立即关闭输出，检测阈值达±50mV！

4.输出保护：OCL输出级使用继电器，有效削减开关机直流爆破音！

5.节能ECO：加入输入音频检测功能，无音频输入/无AUX插入/无耳机插入时功放自动休眠节能，有音频输入/有AUX插入/有耳机插入时功放自动唤醒！

6.Layout   ：4层PCB设计，电源部分和功放部分分开，第二层地平面完整，输出音乐无底噪，低频量感充足！

7.小巧便携：PCB密度高，长宽仅为53*80mm 兼容某宝小尺寸铝壳，携带方便！

8.高速响应：STM32端使用状态机编程，并使用中断发事件，主程序响应处理的方法，处理速度快，各功能实时性高，不易跑飞死机！

V2保护电路功能及实现原理：

1.输入信号检测电路 （U4参考选型：RS822、COS722）

同相输入的放大电路，理论上输入阻抗非常大，不会前级输入的音频信号产生任何影响。

当该运放为轨对轨运放，且使用单电源（3V3）供电时，可以把音频信号的负半轴消去，并保留正半轴，并保证无输入时运放输出为0

当输入电流不大时，运放内部的保护二极管会正常工作，不必担心输入负电压导致运放烧毁

建议把R30换成阻止更大的电阻，获取更大的放大倍数，便于单片机检测

2.直流保护电路（U1参考选型：RS822、COS722；U2使用通用运放即可 失调电压尽量低）

第一级运放使用双电源供电，一阶RC滤出直流后进入运放放大（第一级运放输出即为输入直流分量）。

R15和R20对第一级运放输出进行抬升,同时输入第二级运放。

第二级运放接成跟随器 使用轨对轨运放 单电源供电即可。

在v2.1版本中 R12使用了 10KΩ 

功放素质测试（基于v2.0版本）：

（由于v2.1和v2.0版本电源部分无改动 故不再单独测试）

测试使用硬件平台：

运放：TI NE5532（立创商城商品编号C5326）；

三极管：ST BD139 （立创商城商品编号C27866）;

信号源 : 普源DG1022Z;

示波器 : 普源DS1104Z Plus.

CH1：信号发生器输入信号（Vpp = 100mV ， VDC = 0mV）

CH2：耳放音频输出信号（24Ω负载）

1KHz正弦波输入测试

1KHz方波输入测试

60Hz正弦波输入测试

可见增益稳定，波形无明显失真，低频量感足

电源素质测试（基于v2.0版本）：

（由于v2.1和v2.0版本电源部分无改动 故不再单独测试）

DCDC芯片：TPS5430；

电感：22uH ;

输出电容：1x 330uF固态电容 + 2x 22uF X7R MLCC ;

输入电压：12V 

正负稳压输出电源纹波均小于10mVpp！

v2.1版本PCB更新日志：

1.Type-C的输出VBUS铜皮加宽 可有效抑制温升

2.使用两颗指示灯，并移动到靠近前面板位置，通过不同颜色更易区分功放机状态

3.电位器接地点移动到左边，防止位于右边时焊点卡住外壳安装不上

4.丝印勘误

5. 3.3V DCDC的GND脚改为铺铜接到GND层 减小阻抗

6.把v2.0版本没有引出的插入检测的坑填了，还加上了输入端的插入检测

v2.1版本原理图更新日志（注意事项）：

1.为使插入检测功能正常，插入检测脚的电阻（R18,R50）需要保证 <= 10* 左右声道下拉电阻（R11,R17,R25） 可以不按照BOM焊接

2.在使用中发现前级两倍增益也已经足够，建议R4=R21=1kΩ = R6 = R22

3.C47建议按照CH224K的datasheet使用105（1uF）,虽然104也能正常运行

4.经实测，绿色LED限流电阻（R48）使用1.8kΩ ， 红色LED限流电阻（R49）使用330Ω的时，获得的亮度效果最佳

5.在v2.1的电路中，我使用了正负不对称的供电，试图取得更高的效率。（对应的Tina仿真文件在附件里）

样机参数：VCC = 6V ，VEE = -10V （DCDC分压电阻取值可以用附件中的软件PowerHelper1.4.exe计算，TPS5450的参考电压为1.221V）

此时 负载电阻RL = 100Ω 即Iq = 100mA 静态功耗约为4W（与v2.0的功耗相差无几，但获得的静态电流更大了）

        负载电阻RL = 180Ω 即Iq =   55mA 静态功耗约为2.5W（建议在此状态下运行）

焊接/使用注意事项：

1.请把两三极管翻折到背面安装，涂上导热硅脂或者垫上导热胶并做好绝缘，然后贴在铝壳上。如你不想使用外壳，或无条件安装合适的散热片，请不要使用过小的射级电阻（建议≥180Ω），以免炸管。

2.运放U1、U4请务必使用轨对轨运放！！不然无法实现对应功能！！运放U2供电电压为双电源VCC VEE ，选型时请注意运放工作耐压，如果有条件的话，U2请使用低失调电压的精密运放。

3.电位器旁边的GND焊盘是给电位器外壳接地使用的，为了额外不引入底噪，请务必给电位器外壳接地。

4.功放DCDC输出电容(大电感旁边)务必使用固态电容！不要使用高ESR的电解电容！对电源纹波有非常大的影响！

5.V2.1版本的电路设计中使用了STM32芯片的SWD引脚复用成普通IO使用，使用探针烧录固件时，必须将钮子开关拨向右边，才能烧录成功（不然SWD线会被拉低到GND 无法连接）

功放指示灯状态说明书：

1.上电状态：红绿色LED均点亮；

2.自检状态：绿色呼吸灯（较快速）；

3.硬件故障：红灯闪烁；（出现红灯闪烁状态时只能拔电重启，钮子开关失效）

4.休眠状态：绿色呼吸灯（较慢速）；

5.开机状态：绿灯常亮;

6.关机状态：LED熄灭。

V2.1性能参数：

输入阻抗：取决于音量电位器

频率响应： 0Hz — 50KHz+（输入输出直接耦合，需要保证音源输入不带直流分量，否则会直接触发直流保护导致功放不运行）

输入功率(Typ)：4.3W（工作 @ Iq = 100mA）2.6W（工作 @ Iq = 55mA）； 25mW（关机）；110mW（休眠）

负载阻抗：建议16Ω-300Ω

最大不失真输出电压摆幅：≥± 4V @ 32Ω

最大不失真输出功率：≥625mW @ 32Ω

信噪比：不会测

！！！V2.1.1固件更新日志：(对比v2.1)

1.优化待机、休眠功耗：关机功耗≤25mW，休眠功耗≤110mW 待机功耗相比上一版固件降低近50%；

2.优化休眠及唤醒响应速度，调整无输入休眠超时时间为120s；

3.优化指示灯效果；

4.休眠状态请求5V电压 ，修复休眠/关机状态时3.3V DCDC轻载脉冲跳跃产生可听啸叫的问题。

附：硬件故障（红灯闪烁故障）排查方法：

（1）检查USB输入是否诱骗成功；

（2）检查两路DCDC输出电压是否正常；

（3）检查三极管CE极是否热击穿；

（4）检查主运放是否烧毁；

 

V2.1 后视图

 

V2.1 正面图（工作状态）

 

v2.1的原理图、PCB、STM32源码在附件

v2.0版的PCB和STM32固件均存在缺陷，已删除

！！！LCEDA工程有错误，V2 PCB打板请下载附件！！！

！！！LCEDA工程有错误，V2 PCB打板请下载附件！！！

！！！LCEDA工程有错误，V2 PCB打板请下载附件！！！

极度建议下载使用新版（V2.1.1）固件 以获得最优的使用体验！！

程序实时同步维护仓库地址：Tomood/STM32F030甲类耳放 (gitee.com)