自製 CMoy耳機放大器入門
耳機放大器簡稱耳放，大多數的耳機玩家除了擁有一般的音樂播放設備外，玩家們普遍為這些音樂播放設備與耳機之間增加了一個耳機放大器(耳放)。那麼什麼是耳機放大器呢？耳機放大器他的功能為何?「耳機放大器即耳機音源訊號功率放大器，一般我們在選購耳機時，考慮耳機規格最重要的參數就是耳機阻抗（Impedance），阻抗單位為Ω（ohm、歐姆），這是大家選購耳機的重要參數指標之一，簡單的說耳機阻抗越小越容易推動足夠的音量大小，常見的耳機阻抗值大約為16歐姆～300歐姆之間，市面上大部分高階耳機都是採用高阻抗設計，聆聽時必須搭配耳機放大器，例如HD800耳罩式耳機，這款耳罩式耳機阻抗值高達300歐姆。另外提一點，常用的音響喇叭的阻抗為4歐姆、8歐姆、16歐姆、32歐姆等這幾種常見規格。
最近數年由於智慧手機、平板電腦普及流行，市面上這類可攜式產品為了兼顧使用時間(主要考慮內建電池續航力)，必須在耳機輸出驅動功率上有所限制，換言之智慧手機、平板電腦等裝置的耳機輸出介面都是採用小功率輸出驅動、也就是耳機輸出訊號源為小電流驅動裝置，故我們只能使用低阻抗耳機來匹配耳機輸出訊號源小電流驅動裝置，才能使低阻抗耳機擁有足夠音量大小輸出。通常16歐姆至64歐姆都可以算是低阻抗耳機。低阻抗耳機雖然只需小電流訊號源就可以驅動、也容易發出比較大的音量，但不代表一定音質好，因此有不少耳機音響玩家會在音樂播放設備輸出聲音訊號源與耳機之間加上一台耳機放大器來增加聲音訊號源電流驅動力，藉以提昇整體聲音的音質表現。
耳機放大器的功能不是用來提高聲音的音質，而是讓耳機在足夠的驅動電流推動下表現真正的聲音水準。耳機放大器顧名思義它就是一個對聲音訊號進行功率放大的聲音設備，而放大器的工作原理又可以分類為電壓訊號放大和電流訊號放大等兩類。耳機放大器給使用者的第一印象將聲音訊號放大。我們由學校裡教授電子學放大器章節角度來看這類的聲音/音源放大器，放大器輸出級的能量夠大，對於特定阻抗的負載來說，也就是輸出級的電壓峰值夠大。對於輸出級的聲音音質來說，音量幾乎不帶有任何意義，但如果達不到足夠的音量，音質也不可能令人滿意。任何的放大器電路都有線性工作區間，放大器的設計就是在線性工作區間工作，如果過了這個線性工作區間，放大器電路仍然有放大作用，但是會變成了非線性放大。所以不能只單純將音量夠大，還必須兼顧聲音/音源訊號輸出品質。
CMoy耳機放大器:
CMoy是一個非常有名的袖珍耳機放大器，最初是由Chu Moy設計(CMoy就是由Chu
Moy名子縮寫而來)，並在著名的網站耳機資源網站和公共論壇http://headwize.com耳機資源網站和公共論壇上公開原始的設計。CMoy耳機放大器電路簡單但功能強大，目前有一著名的耳機放大器團隊-JDS
Labs生產了一款CMoy耳機放大器，JDS Labs這是一個美國品牌，專門打造耳機放大器的團隊，他就是採用CMoy耳機放大器，
他們組裝了一個遠近馳名、內在特別口味佳、連外型都很特殊的耳機放大器，網路上玩家都暱稱喉糖盒 (cMoyBB v2.03R
Headphone Amplifier)」。他將電路板與一顆9V電池放在一個馬口鐵材質的喉糖盒中，產品的照片如下圖所示。(該公司的網站為https://jdslabs.com/)
CMoy耳機放大器電路分析:
原始CMoy耳機放大器的設計是圍繞Burr-Brown公司的運算放大器所規畫設計的耳機放大器電路，其編號為OPA2134或OPA2132PA 等單通道或雙通道運算放大器設計，但是已經亦可以採用其他公司編號的運算放大器。CMoy耳機放大器是利用運算放大器直接驅動耳機，因此在選擇運算放大器時應特別注意規格，某些運算放大器不適用於如此低的阻抗負載，並且會導致整體音質性能不佳。CMoy耳機放大器的電路設計非常簡單。它僅由幾個零組件組成，可以組裝在一片小小的電路板上，與其他耳機放大器電路相比，CMoy耳機放大器零件成本更低，並且可以在一顆9V電池上運行數十個小時。原始的CMoy放大器電路圖如下所示。
精密金屬膜電阻器選用:
CMoy耳機放大器的電阻都是採用1/4W誤差1%金屬膜電阻器。普通的碳膜電阻器也可以正常運作，但優質電阻器具有更高的精密度和更高的溫度變化穩定性。這意味著當電阻器因功率消耗而發熱能時，其金屬膜電阻值變化小於普通的碳膜電阻器。所有優質金屬膜電阻器隨溫度變化而變化的電阻值變化得較小。採用1/4W的金屬膜電阻，僅僅是因為它們最容易在台北市光華商場的電子材料行中購買(例如今華電子、源達電子等門市)，CMoy放大器的運算放大器電路中電阻器所消耗的功率非常低(都低於50mW)。
運算放大器選用:
原始CMoy耳機放大器電路圖採用Burr-Brown公司運算放大器為OPA134的音頻特定版本，具有FET輸入，高輸入阻抗和低漏電流，8MHz工作頻寬，20V/uS電壓提升率，超低輸入雜訊，超低失真，並具有優良的PSRR（電源抑制），它可以在低至正電源+2.5V~負電源-2.5V的電壓下工作（低電壓工作特性這點對於可攜式產品設計中非常重要），並內置限流功能。另外Burr-Brown公司有一個的內建雙運算放大器版本編號為OPA2134，它在一個8隻接腳封裝中包含兩個運算放大器，但這顆Burr-Brown公司運算放大器並不便宜，零售價格約在新台幣250元左右。故筆者另外選用其他新日本無線電公司的運算放大器，我們必須要確保運算放大器能在電壓低至正電源+3.0V~負電源-3.0V的電壓下還可以正常工作，並且無需外部補償電路即可穩定工作。還要考慮運算放大器的電流能力和電流消耗。運算放大器的靜態電流要低於5mA，這樣才不會過度消耗電池電量。並可以在運算放大器輸出端可以輸出約70mA以上的電流驅動能力。高端耳機產品大約需要10mW以上的功率才能達到最大音量。
CMoy耳機放大器頻率響應:
接下來我們再來討論CMoy耳機放大器頻率響應，如下圖所示。運算放大器放大電路是採用非反向運算放大器電路，經過輸入與回授電阻器的比率設定為非反向運算放大器電壓放大增益為11。C1採用0.1uF的電容器，放大器的輸出阻抗在整個音頻範圍內小於0.2歐姆。輸入端的高通濾波器C1-R2阻止直流電流，轉折頻率約為15Hz。若C1採用1uF的電容器會將轉折頻率降低至1.5Hz。如果必須降低轉角頻率，可以將R2電阻器改為1M歐姆。如果直流電流輸入保護不重要，則可以完全省略C1輸入運算放大器電容器。但還是建議將C1輸入運算放大器電容器保留。
內建電源開關的電位器:
CMoy耳機放大器音量控制可增加一個內建電源開關的電位器來控制音量的信息，雖然音樂播放設備已經具有音量控制。但為了降低音源輸入訊號電壓大小，避免運算放大器過載（即使將音量控制設定為接近0，某些立體聲音響也具有很高的輸出訊號電壓）。在前面的電路圖中、當R1=100K歐姆，LEVEL開關（SW1）將輸入訊號電壓降低50％（6dB）。當R1=470K歐姆時，輸入訊號電壓衰減15dB。
耳機放大器電路圖可以修改加上一個帶電源開關的電位器，如下圖所示，R1和SW1被帶電源開關的雙聯裝電位器代替。建議的電位器值為10K至50K歐姆之間。大部分的CMoy耳機放大器都是採用日本ALPS 公司RK097的電位器。C1電容器建議是採用0.1uF，並且高通濾波器的轉折頻率將隨著R2的增大而降低。
電源供應電路:
運算放大器必須採用雙電源電路(正、負電源)，由於耳機放大器是利用9V電池供電，故必須透過特殊電源電路將9V電池轉換為±4.5V雙電源。該電源電路虛擬地的電壓為4.5V，但由於運算放大器僅關心相對性的電源電壓。正電源+4.5V與負電源-4.5V的正負電源分別連接至運算放大器正、負電源輸入端，並使用了220uF的電容來做電源濾波器，也可以採用330uF或更高的電容器。這個電源濾波器盡可能採用高質量，低阻抗的電解電容器，例如Nichicon Muse KZ系列，Panasonic FC和FM系列的。Elna Silmic II系列。電解電容器電容值更大將提供更大的電流儲備量，大電容這對於處理高瞬間負載電流非常有用。筆者在CMoy放大器中嘗試用330uF 電容，它確實改善了低音雜訊的處理能力，另外也可以外加一顆LED(D1，Low current LED)與電阻器(R1，10K歐姆)來顯示電源ON/OFF。電路的設計也要考慮到電池電量消耗的原因。購買電池後將其放在電路中，也可以使用可充電電池，當在發生電池電量耗盡這種情況之前，LED的ON/OFF可以發出警告。由於電池電量原因，耳機放大器的聲音會開始變差。由於電池電壓不足，可能會導致電流不足，可能會聽得見音質不佳，電路圖如下所示。
這種電源供應電路是透過電阻分壓器來產生虛擬接地電源，兩個10k歐姆電阻器(R2與R3)創建一個“虛擬地”。假設該電路兩端有9V。電阻器是一個0.5倍的電阻分壓器，分壓器的中點有4.5V。分壓器中點與電源負極之間的“距離”為-4.5V，與電源正極之間的距離為+4.5V。就可以建構一個來自一個9V電源的兩個相等但相反的電壓。但是這種簡單的電源電路容易變得不平衡。
這種電源供應電路虛擬地分割不平等的問題，在CMoy耳機放大器的電路中，不平均的虛擬接地會損害聲音本身。輸入端和輸出端均參考相同的虛擬接地點，大多數運算放大器無法將輸出電壓擺到電源供應最高點，他們有一些電壓差。例如運算放大器電源供應為正電源與負電源的4.5V雙電源，運算放大器輸出端電壓只能達到正電源與負電源的3.0V雙電源。假設我們使用的是9V電池，我們的虛擬接地電路的不平均可能變為正電源4V和負電源5V。我們運算放大器的輸出訊號的峰值與虛擬地的距離為1V。再加上運算放大器所需的3V訊號峰值，由於我們的電源是9V電池，因此其電壓會隨著時間的流逝而下降，因此在開始電池電壓降低之前，我們將獲得很少的電池運行時間。
電源供應電路亦可採用兩顆9V電池電源，用更高電壓電源(9x2=18V)來驅動非常高阻抗的耳機（例如600歐姆或更高），假使運算放大器可能無法在負載兩端產生足夠的電壓訊號以實現最大功率傳輸。這就必須使用9V雙電池電源，如下圖所示
最佳電源供應電路解決的方法:
解決此電源供應電路問題我們採用的一種快速的方法來簡化電源供應電路，稱為緩沖虛擬地。這技術使電源電壓分壓器看起來具有非常低的阻抗，同時仍消耗很少的電流。這樣可以使虛擬接地點在負載下很好地保持在平均之間的中心位置。通過允許使用更小的電源或增加電池的運行時間，但會增加電源供應電路零組件成本，這顆德州儀器公司編號TLE2426 (The 'Rail Splitter' Precision Virtual Ground)元件零售價格約新台幣100多元。
首先介紹一顆德州儀器公司編號TLE2426 (The 'Rail Splitter' Precision Virtual Ground)元件，特性如下:
1/2 VI Virtual Ground for
Analog Systems
Self-Contained 3-terminal
TO-226AA Package
Micropower Operation . . .
170uA Typ，VI=5V
Wide VI Range . . . 4V to 40V
High Output-Current
Capability
Source . . . 20mA Typ
Sink . . . 20mA Typ
Excellent Output Regulation
−45uV
Typ at IO=0 to −10mA
+15uV Typ at IO=0 to +10mA
Low-Impedance Output . . .
0.0075 Ω Typ
Noise Reduction Pin (D, JG,
and P Packages Only)
在訊號處理的應用中，利用單電源、參考電壓等於所需電壓源的電壓的一半，稱為虛擬接地。德州儀器公司提供精確的虛擬接地元件，其輸出電壓始終等於二分之一輸入電壓，元件編號為TLE2426“軌道分配器”。為高性能的獨特組合，微功率運算放大器和精密微調單一元件上的分壓器設定精確的VO/VI比率為0.5輸入電壓。
使用TLE2426電路來代替電源電阻分壓器，可獲得一些好處，電路圖如下所示。
這是一個簡單緩沖虛擬接地電路，主要的元件是德州儀器公司（TI）的TLE2426。又稱為電源分配器，它主要功能是將一個電源分成兩部分，因此就具有兩個電壓電源(正電源與負電源)和接地(GND)。從本質上講，它取代了簡單的電阻分壓器電源中的電阻器，在其TLE2426元件IN和COM接腳之間施加電壓，並在OUT引腳上輸出1/2電壓。TLE2426元件與簡單的電阻分壓器不同，它內部有一些緩衝電路，因此不會變得不平衡。（可能會有十分之一的誤差值，但這只是小問題）。電池電源兩端有外加一個電容器，而不是像電阻分壓器電源一樣，每一個電源線和虛擬地之間都外加電容。在電阻分壓器電路中，一定需要兩個電容器。TLE2426元件的另一個主要問題在於，它只能處理20-40mA的電流。如果負載消耗的電流較大，可能會造成TLE2426元件的電源將變得不平衡。對於高負載情況，您可以嘗試使用基於緩衝器的電源：
自行設計製作的CMoy耳機放大器，特性如下所示:
1.
日本Alps公司製造的音量控制高品質電位計，且內建有ON/OFF電源開關。
2.
德州儀器公司(Texas
Instruments) TLE2426元件“ Rail Splitter”虛擬地面。
3.
運算放大器OPA NJM
4556 DIP-8包裝（新日本無線電公司）
4.
該套件還具有高品質的8隻接腳DIP插座，允許使用其他運算放大器。
5.
品高質量金屬膜精密誤差為1%電阻器。
6.
1uf或是0.1uF，MKT聚酯薄膜電容器，用於輸入訊號路徑。高質量電容器具有的極低的噪音。
7.
電解電容器採用日本Nichicon公司音響專用高品質金電容(330uF/35V)。
8.
優質9V電池連接器(電池鈕)。
9.
精密的3.5mm音頻輸入和輸出插孔(插座)。
10.
所有這些組件均安裝在高質量自行設計印刷電路板上(PCB)。
CMoy耳機放大器零件列表:
Alps公司的的音量控制電位器 x1
OPA NJM 4556 x1（新日本無線電公司）
TI公司的 TLE2426 x1
8針DIP插座
x1
330uF/35V Nichicon公司的電解電容器 x1
9V電池連接器(電池鈕) x1
3.5mm音頻插孔x2
0.1uF（聚酯薄膜電容器）x3
100K歐姆、誤差％1的金屬膜電阻器x2
20K歐姆、誤差％1的金屬膜電阻器x2
2K歐姆、誤差％1的金屬膜電阻器x2
印刷電路板x1
前面板x1
12mm鋁製旋扭x1
CMoy耳機放大器焊接組裝後成品照片如下圖所示；
CMoy耳機放大器電路盡可能將之簡化，馬口鐵外殼是採用便利商店或超市就可以買的到的易口舒糖果盒( eclipse )的，筆者使用易口舒糖果盒原因很單純，它堅固、耐用、邊緣有倒角不會割手非常安全，在台灣又可以很容易地獲得。首先找一支免洗筷子，一隻手抓住免洗筷子抵緊在易口舒糖果盒( eclipse )底部的角落，另一隻手用鐵鎚輕輕地敲在免洗筷子的另一端，沿著易口舒糖果盒( eclipse )底部的四個角落，反覆上面地敲打步驟，很輕鬆的就把易口舒糖果盒底部的鐵片敲打下來。筆者設計了兩片電路板，一片電路板是作為CMoy耳機放大器面板用，面板上有三個孔，分別為輸入(IN)3.5mm音頻插孔，輸出(OUT)3.5mm音頻插孔，Alps的音量控制電位器安裝孔，CMoy耳機放大器面板配置圖如下圖所示:
CMoy耳機放大器面板電路板配置圖如下圖所示，因為還要將9V電池塞入易口舒糖果盒( eclipse )中，所以我們電路板設計成L型便於安裝9V電池。完整的電路圖如下圖所示。
筆者自行設計規劃的CMoy耳機放大器完整的電路圖與實際照片如下圖所示。
CMoy耳機放大器採用的運算放大器是新日本無線電公司的OPA NJM 4556高電流輸出運算放大器(DUAL HIGH CURRENT OPERATIONAL AMPLIFIER)。NJM4556運算放大器是高增益，高輸出電流雙運算放大器，最大能夠驅動±70mA的電流在負載為150Ω（±10.5V輸出電壓），也可以在低電源運行電壓下工作（正電壓+2V與負電壓-2V），NJM4556改善了早期的NJM4558運算放大器許多特性功能，NJM4556具有高輸出電流驅動能力為70mA、在輸出電壓為±10.5V、150歐姆負載之下。NJM4556另外具高頻寬增益，低噪音，高迴轉率，所以NJM4556運算放大器的高速度和低失真使得非常適合許多應用範圍，例如；音頻電路、電信電路和儀器儀表等應用領用。
OPA NJM 4556特性參數如下:
工作電壓範圍(Operating Voltage，±2V~±18V) 。
高輸出電流(High Output Current，IO=70mA) 。
迴轉率(Slew Rate，3V/µs typ.) 。
增益頻寬乘積(Gain Band Width Product，8MHz typ.)。
設備輸入雜訊電壓(Equivalent Input Noise Voltage，10nV/√Hz
typ.)。
元件外觀包裝(Package Outline，DIP8、DMP8、SIP8、SSOP8)。
雙載子技術(Bipolar Technology)。
自製CMoy耳機放大器電路分析:
接下來我們來分析筆者自行製作的CMoy耳機放大器電路，為了方便讀者們了解，我們分幾個部分來做說明。
Alps公司的音量控制電位器，這個Alps的音量控制電位器共有八隻接腳，最後兩隻接腳為ON/OFF開關接腳，當旋鈕向右轉(順時針方向)，會出現一個卡的聲音，此時Alps的音量控制電位器最後兩隻接腳開關接腳就會導通(ON)，反之旋鈕向左轉到底(逆時針方向)，Alps的音量控制電位器最後兩隻接腳開關接腳就會開路(OFF)。
另外六隻接腳就是兩組雙聯金屬電位器，可以定義一組電位器為三隻接腳為:1.接地(GND) 2.輸出(OUT)
3.輸入(IN)。電路圖如下圖所示，一般來說中間的接腳是電位器的聲音輸出端，旁邊的接腳就是要接地(GND)，剩下的一個接腳就是聲音輸入端，可以用電表先測量電位器最旁邊兩端，先測量電阻值是多少 (10K歐姆，20K歐姆，50K歐姆，100K歐姆……)，如果電位器上有標示電阻值，建議還是自己確認一下電位器的電阻值。
假設這個電位器的電阻值是10K歐姆可以透過下列步驟來確認電位器的好壞。
1.量測端點1與端點3電阻值是否為10K歐姆。
2.當旋鈕向左轉到底，量測端點1與端短2電阻值是否為為0歐姆(短路)，端點2與端點3電阻值是否為10K歐姆。
3. 當旋鈕向右轉到底，量測端點1與端點2電阻值是否為10K歐姆，端點2與端點3電阻值是否為0歐姆(短路)。
4. 當旋鈕向左轉到底，量測端短1與端點2電阻值並同時慢慢的往右旋轉底，可以觀察電表中的電阻值是由10K歐姆變成0歐姆(短路)，其電阻值的變化不是線性變化(一開始電位器電阻值變化量很小，到後面電位器電阻值會變化比較大)。如果電位器電阻值變化剛好是相反情況的話，那麼我們將電位器在電路板Layout上必須要反過來Layout。
電位器的OUT接腳與GND接腳之間的電阻值會隨電位器向右轉，電位器的電阻值要慢慢變大，這樣才是電位器在電路上控制音量的正確用法，量測音量電位器正確步驟如下：
1. 任選電位器兩隻腳量測，直到量測到不管電位器旋轉到最小或最大時的電阻值是最大電阻值為止。
2. 此時可以確定量測到的兩隻腳為音量電位器輸入端(IN)與接地端(GND)，剩下的一隻腳音量電位器就是輸出端(OUT)，但是我們還不確定這兩隻腳哪一個是電位器輸入端(IN)，哪一個是電位器接地端(GND)。
3. 我們可以假設其中一隻是電位器輸入端(IN)，將電位器向左旋轉到最底，此時量測剩下的兩隻接腳，若電表讀取電阻值接近0歐姆代表假設正確，若電表讀取電阻值接近最大阻值(10K歐姆)，那代表假設錯誤，應該另外一隻腳才是輸入端(IN)，此時就已確定電位器的三隻接腳的位置。
供應運算放大器正負電源供應電路是採用緩沖虛擬地，使用德州儀器公司編號TLE2426 (The
'Rail Splitter' Precision Virtual Ground)元件。如此就可以利用一顆9V電池產生+4.5V(正電源)與-4.5V(負電源)之間。正電源與負電源之間外加一個Nichicon公司電容器(330uF/35V)與一個聚酯薄膜電容器（0.1uF），分別過濾電池電源的低頻雜訊及高頻雜訊。
聲音訊號經過3.5mm立體聲音頻插孔將左右聲道的聲音訊號分別輸入到獨立的運算放大器，運算放大器放正輸入端的電容採用0.1uF聚酯薄膜電容器，放大電路是採用非反向放大器電路，經過電阻器的比率設定為電壓放大增益為11。聲音訊號經過運算放大器放大後再經過3.5mm立體聲音頻插孔將左右聲道的聲音訊號分別輸出到耳機上。聲音輸入端採用聚酯薄膜電容具有優良的力學、電性能和光學性能，因此應用範圍非常廣泛。聚酯薄膜電容採用金屬化聚酯膜，無感卷繞結構，並且容量範圍寬，體積小，重量輕。安裝的時候也是比較方便，不僅如此，聚酯薄膜電容使用壽命較長。聚酯薄膜電容還採用了阻燃性環氧粉末包封。聚酯薄膜電容由於穩定性較高，常應用於一些嚴格要求穩定性的電路上，例如電子儀器、儀表、通訊設備、音響設備、收音機等裝置。聚酯薄膜電容常用作為耦合電容或者是旁路電容來使用。對於聚酯薄膜電容器還有較強的耐熱性以及耐濕性。同時還具有一定的耐壓性。
自製CMoy耳機放大器，整體電路非常簡單，有興趣的讀者可以自行組裝一台。若有任何技術上的疑問請讀者Email給我(pcb8051@gmail.com)
