从科学角度谈电源、信号线，没有玄学

激光鼠

本贴是偶2年多来学习的总结，随想随写，可能要写很多天，请勿跟贴，转贴请注明出处。

[ 本帖最后由 激光鼠 于 2007-1-29 23:20 编辑 ]

激光鼠

交易区新帖推荐

为什么稳定的电源供应很重要？
因为电源波动必然会导致输出信号波动。由于电源的波动跟信号变化不是线性关系，因此电源波动会导致输出失真。
影响有多大？
电源波动对输出端的影响用“电源抑制比”来衡量。看看一个IC功放LM3886的数据：（数据来自NS的datasheet）

从图中可以看出，对于100Hz的交流纹波，3886有很强的抑制力，达95DB以上。但对于高频率的波动，3886的抑制能力随着频率升高而以每倍频程6DB的斜率下降，在人耳最敏感的3Khz附近，对负电源的抑制比仅65DB左右。到了20Khz，仅剩可怜的50多DB了。需要说明的是这个数据是输入的对地接50欧姆电阻测得的，而实际电路中输入的电阻至少2K以上，电源抑制比会更差。

[ 本帖最后由 激光鼠 于 2007-1-29 20:45 编辑 ]

激光鼠

未经稳压的电源波动会有多大？
我们常用的整流电源输出电压空载时等于交流电压的峰值，是有效值的1.4倍。接上负载以后，一般认为是有效值的1.1-1.2倍，也就是有20％左右的波动。根据lynn在《我如何设计Amity放大器》一文内的介绍：“典型的晶体二极管的开关噪音频带在4-20K，它们往往在大容量电解电容的等效电感里和电源变压器次级分布电容里产生谐振。谐振的Q值是非常高的，通常在5-100之间。”，我们有理由相信，4K-20KHz的幅度是很高的，对于使用LM3886的功放来说，这个频率范围内电源抑制比仅50－65db，听感不好（主要是有高频毛刺感、大动态乱）也就是很能理解了。因此对于这类功放，提高电源的性能，降低电压波动将大大提高音质（当然退耦和良好接地走线也同样重要）。

[ 本帖最后由 激光鼠 于 2007-1-29 20:49 编辑 ]

激光鼠

整流电源是瞬间消耗大功率的一种设备。由于整流电源的特性造成只有在交流电压超过滤波电容电压的时候才对电容充电，而这个充电时间非常短暂，简单的估算可以看到一个好的整流电源（接负载与不接负载，电压波动小于10％），只有1/7的时间才有充电电流，这是按平均功率做的估计，实际情况会差很多。参见我以前的帖子 http://www.jd-bbs.com/viewthread.php?tid=1198774&highlight=
这就意味着对于一个+-35V供电的功放来说，滤波电容之前的电路（家里的供电线路、插座、电源线、保险丝、变压器、整流二极管都包含在内）要能够在1/7甚至更少的的时间内对电容充满电，以提供功放所需要的全部能量！不然就达不到输出电压波动小于10％的目标。

[ 本帖最后由 激光鼠 于 2007-1-29 12:06 编辑 ]

激光鼠

如何达到目标（瞬间提供功放所需全部能量）？
前面说过滤波电容之前包含了：家里的供电线路、插座、电源线、保险丝、变压器、整流二极管。
我们从二极管说起。二极管有一个正向压降，我们看看一般的硅二极管正向特性图：
由于对电容瞬间充电，瞬间电流值很大，计算表明可达20A以上，25度温度下20A时的正向压降是1V，对于一个波动目标是10％的＋－35V电源来说是很大的。如果能减小这个正向压降，也就能提高电源的性能。
我看中的是肖特基二极管，看看它的正向特性图：
25度20A时的正向压降是0.78V，很不错的。

有种说法是双桥整流比单桥整流好，理由是正负电源的地线各自独立，能做到在电路板上一点接地。但从电源稳定性角度考虑，双桥整流多了一个二极管正向压降，会劣化电源质量，对于后级来说缺点大过优点，是不可取的。

接下来是变压器。由于需要变压器大部分时间是空载状态，瞬间功率却很大，因此如果按照功放的消耗功率来选择变压器，必然会导致需要变压器提供能量时，变压器却处于饱和状态，有心无力。现在我们就能理解为什么KRELL  FPB300功放，每声道输出动态甲类 300W，内部却使用了一个五千瓦的环型变压器。
另外，变压器使用的漆包线也有讲究，一些JS为了降低成本或者赚黑心钱，用很细的漆包线绕制，直流内阻偏大。由于HiFi功放一般不会长时间满功率运行，这种偷工减料的变压器使用起来也不会出问题，但对音质的损害却是很大的。

接下来是保险丝。保险丝会带来接触电阻，保险丝本身也有比导线大得多的电阻，减小保险丝管座的接触电阻（比如镀银），采用更佳的材料以减小保险丝的电阻，都能够带来正面的改善。由于次级侧电流比初级侧大数倍，我认为保险丝放在初级侧可以减小保险丝的影响。

对于电源线、插座和供电线路，降低导线电阻、接触电阻就成了首要大事。对于+-35V的电源，次级交流有效值为24V，初级电流差不多是次级的1/9，次级如果20A，初级也有2.2A。大家可以用一个500W的取暖器接在功放电源线的插尾上，同时测量220V电压降低了多少。对于要求高的HiEnd级别功放，我认为可以用一个2000W的取暖器来测试。记住总的波动许可只有10％，二极管、变压器、保险丝已经用去了不少，留给线路的并不多。我自己测试过用900W的取暖器插在家里空调电源插座上，电压降低约1％。

[ 本帖最后由 激光鼠 于 2007-1-30 08:05 编辑 ]

激光鼠

交易区新帖推荐

供电环节总的直流电阻只是一方面，即使我们用了很粗的电缆做电源线，还是会发现高价电源线效果会更好，这时候导线电阻大小就不能解释这个现象了。于是不少人认为是玄学，不相信高价电源线有用。但我认为事情远不止直流电阻大小这么简单，因为另外还有个重要的因素就是供电环节的高频特性。
整流电路瞬间的大电流，包含了丰富的高频谐波成份，除了100Hz低频电流以外，还有大量高频的电流成份。比如充电电流脉冲宽度是100Hz的1/10，那么1Khz频率的谐波电流份量就非常高，如果滤波电容之前的线路（供电线路、插座、电源线、保险丝、变压器、二极管等）高频特性不好的话，充电电流的波形就会比较平缓，峰值上不去，最终导致输出电压波动变大。
－－这里插一句：前面提到过lynn在《我如何设计Amity放大器》说“典型的晶体二极管的开关噪音频带在4-20K”，我认为Lynn应该说电容充电电流的频带在4－20K，“二极管的开关噪音频率”这种说法是不严密的。
至于各个环节是如何影响高频特性的，这个问题比较复杂，也查不到可以参考的资料。但直觉告诉我，高价电源线好声、换牛如换机、换线如换机的原因很可能就在于此：供电线路的高频特性改变了。

[ 本帖最后由 激光鼠 于 2007-1-29 23:15 编辑 ]

激光鼠

基于上述理论，在供电线路中插入滤波器、隔离变压器之类的设备，都会降低提供瞬间大电流的能力，对于没有稳压电路的功放来说以不用为好。功放电源线路上使用滤波器的评价大多是声音发蒙，力度减弱，我想原因就在于此。对于前级、CD机，内部具有整流滤波后稳压电路的设备来说可以使用滤波器、隔离变压器，能消除电源干扰带来的负面影响，这个下面还会提到。

[ 本帖最后由 激光鼠 于 2007-1-29 20:10 编辑 ]

xy8888

不错.
好帖值得看.
顶一下.

yexinling

顶下,,激光,,,,,,,,

激光鼠

这里开始讲一个与电源有关的大话题：接地与设备之间信号线的连接
首先说明一下，偶这方面知识大部份来自于Bill Whitlock的一个讲座《UNDERSTANDING, FINDING,& ELIMINATING GROUND LOOPS IN AUDIO & VIDEO SYSTEMS》，E文不错的朋友可以直接看那篇文章，网上有下的。在这里偶也将引用原文内容。
接地分机内电路地和机壳地。机内电路地是信号的参考基准，而机壳地则是出于屏蔽及安全考虑而设置。这里说的接地指的是后者。机壳地往往是接在通向大地的电源接地线上，要说明的是接大地仅仅是出于安全考虑，不是电子设备稳定工作必需的（想想飞机、人造卫星上的电子设备）。
下图说明设备故障外壳带电时，接地线如何起到保护作用。

出于屏蔽目的，机壳通常是和电路地连接在一起的，如果机壳再和电源地连接，结果就是音源、前级和后级的电路地通过机壳和电源地线连接在了一起。而音源、前级和后级之间的信号线连接，又一次将各个设备地线连接在一起，形成了地线环路，这是我们最不愿意看到的情景。下图是AV系统形成地线环路示意图（借用Bill Whitlock文章里面的）

图中电视机（TV Receiver）和低音炮（SUB WOOFER）都是接电源地线的，因此构成了地线环路。由于地电流的存在（地电流来源很多，这里不仔细研究，对于我们来说只要知道存在地电流就行），会在信号线屏蔽层电阻和接头接触电阻上产生地线噪声电压，而这个电压对于采用不平衡传输线的设备来说是叠加在信号上的。见下图
如果所有设备外壳都不接大地是不是就没问题了呢？不是。由于绝缘电阻不是无穷大，寄生电容不是无穷小，不接地的机壳表面对地存在电压，不同设备之间电压不同，存在电位差，一旦设备之间用信号线连接起来，就有地电流，在信号线上产生噪声电压。如下图所示：
由于电源不是纯净的50Hz交流电，充斥着各种频率的杂波干扰，下图是一个3000pF电容接在电源上，流过电容的电流频谱图：
可以看到各种频率杂波都有，这就要求信号线不仅直流电阻要低，而且交流阻抗也要低，这样才能将噪声电压降低至最小。这也可以解释为什么干净的交流电可以带来更好的音质，为什么半夜里声音比白天好听（因为电源更干净）。

[ 本帖最后由 激光鼠 于 2007-1-30 08:07 编辑 ]

blue7

友情顶一下,激光鼠兄好象还是被我拉下水的~~~[s:14][s:14]西西~~~~看来两年功力大涨~~~~:victory:[s:20]

激光鼠

原帖由 blue7 于 2007-1-29 20:38 发表
友情顶一下,激光鼠兄好象还是被我拉下水的~~~西西~~~~看来两年功力大涨~~~~:victory:

正是，当初是Blue7兄把我拉到家电来的，是偶的启蒙老师。

昌黎

继续……[s:15][s:15][s:15]

blue7

原帖由 激光鼠 于 2007-1-29 20:51 发表

正是，当初是Blue7兄把我拉到家电来的，是偶的启蒙老师。

[s:18]老师不敢当了~~~损友差不多...........把你推入了万劫不复的火坑................

冷门二世

不小心看了