1. 项目概述从一张原理图到一台能出声的功放很多电子爱好者尤其是玩音响的都绕不开一个经典的名字JLH1969。它不像现在那些集成芯片功放插上电、接上喇叭就能响。JLH1969是一个纯粹的、由分立晶体管搭建的A类放大器电路由英国工程师John Linsley Hood在1969年发表。它的魅力在于电路结构出奇地简洁只用四个晶体管两个NPN两个PNP却能提供温暖、富有音乐味的音质被许多发烧友誉为“穷人劳斯莱斯”。我这次的学习就是想把这张经典的原理图从纸上谈兵变成一台实实在在能工作的功放并彻底搞懂每一个电阻、电容背后的设计逻辑。对于刚接触模拟电路的朋友来说JLH1969是一个绝佳的实践项目。它涵盖了静态工作点设置、交流增益计算、推挽输出、电容耦合等模拟放大的核心概念。但网上的资料往往零散要么只给个电路图要么只谈听感玄学对于“为什么这个电阻是2.7k而不是3k”、“调整哪里能改变声音特性”这类问题总是语焉不详。我这篇笔记就是结合我自己的搭建、调试和测量过程把JLH1969从原理到实操掰开揉碎了讲清楚。无论你是想亲手做一台还是单纯想深入学习A类放大器的设计思想相信都能从中找到答案。2. JLH1969电路核心架构与设计思路拆解2.1 为什么是A类JLH1969的立身之本在深入电路之前必须理解A类放大的特点。放大器按晶体管导通角分类主要有A类、B类、AB类、D类等。A类放大器的核心特征是在输入信号的整个周期内输出级的晶体管都处于导通状态。这意味着即使没有输入信号输出级也有一个很大的恒定电流即静态电流在流动。这么做的优点和缺点都极其鲜明。优点是理论上失真最低因为信号波形不会被“切割”或“交越”声音自然、平滑尤其擅长表现人声和弦乐的细微质感。缺点则是效率极低理论上最高效率只有25%大部分电能都转化为热量消耗掉了。所以一台输出10瓦的A类功放其电源可能需要提供超过40瓦的功率并且需要一个巨大的散热器来对付那30多瓦的热量。JLH1969选择A类正是其追求音质纯粹性的体现。它的电路设计巧妙地利用了这个大静态电流构建了一个非常简洁的推挽输出级这是整个电路的精髓所在。2.2 电路框图与信号流解析JLH1969的完整原理图可以在很多地方找到其核心架构可以简化为三个部分输入差分放大级、电压放大级和A类推挽输出级。信号流向是这样的音频信号从输入端经过一个隔直电容进入首先到达由Q3和Q4组成的差分对也叫长尾对。这是一个PNP晶体管对它的核心作用是提供电路的电压放大并且由于其对称性能很好地抑制电源噪声共模抑制。放大后的信号从Q4的集电极取出驱动由Q2组成的电压放大级共发射极放大器进行进一步的电压放大。最后信号推动由Q1和Q2注意Q2身兼两职既是电压放大级也是输出级的上管构成的准互补输出级。这个输出级是单端推挽结构Q1作为下管Q2作为上管共同驱动负载喇叭。那个巨大的输出电容一方面用于隔直防止直流烧毁喇叭另一方面它和电源、Q1构成了一个“自举”电路为Q2提供高于电源电压的驱动电压这是电路能高效工作的一个关键技巧。整个电路的直流工作点静态工作点的稳定依赖于一个从输出端通过电阻网络R7, R8等回到差分对Q3基极的深度负反馈。这个负反馈网络决定了电路的直流偏置也是我们调整静态电流的主要抓手。3. 核心参数计算与静态工作点设置3.1 输出级中点电压的推导与设定这是让电路正常工作的第一步也是最重要的一步。所谓“中点电压”指的是输出电容左侧那个点的直流电压。对于OTL无输出变压器电路这个电压必须设置为电源电压的一半这样才能让输出的交流信号有最大的对称摆幅。根据你提供的笔记“输出电容左端的直流电压等于PNP三极管基极电压加上0.7V再加上1.4*2.7/8.2”。我们来拆解这个公式。PNP三极管基极电压指的是Q3和Q4的基极电压。由于Q3和Q4的基极通过电阻R1和R2连接到电源和地并且电路对称这个电压大约是电源电压通过R1和R2分压的结果。假设电源电压为Vcc那么Vb(Q3/Q4) ≈ Vcc * (R2 / (R1R2))。在标准JLH1969中常用24V电源R18.2kR22.7k计算可得Vb ≈ 24V * (2.7k / (8.2k2.7k)) ≈ 24V * 0.247 ≈ 5.93V。加上0.7V这是Q4PNP管的发射结压降Vbe。从Q4的基极到发射极电压升高约0.7V。所以Ve(Q4) Vb(Q3/Q4) 0.7V。再加上1.4*2.7/8.2这部分是关键。1.4V是两个二极管D1和D2或用电阻替代的串联压降它们为输出级提供偏置。2.7k和8.2k是反馈电阻R7和R8不同版本编号可能不同通常指连接输出点到Q3基极的电阻。这个表达式1.4V * (2.7k / 8.2k)实际上描述的是输出中点电压通过R7和R8的分压与Q3基极电压进行比较。根据虚短概念深度负反馈下差分对两输入端电压近似相等我们可以推导出中点电压Vmid的表达式Vmid ≈ Vb(Q3) Vbe(Q4) (Vd1Vd2) * (R7 / (R7R8))代入数值Vmid ≈ 5.93V 0.7V 1.4V * (2.7k / (2.7k8.2k)) ≈ 6.63V 1.4V * 0.247 ≈ 6.63V 0.346V ≈ 6.98V。等等这个结果约7V并不是电源电压24V的一半12V。这里有一个常见的混淆点。上述计算是基于Q3基极电压固定的假设。但在实际电路中Q3的基极电压并不是完全由R1/R2决定的它受到来自输出端的深度直流负反馈的强力钳制。更正确的设计思路是我们首先期望中点电压Vmid Vcc / 2 12V。然后通过选择R1、R2、R7、R8以及偏置二极管压降使得电路稳定工作在这个状态下。实操设置方法在焊接好电路通电前先将调整静态电流的电位器对应原理图中的R7或一个可调电阻调到阻值最小电流最小的位置。通电后用万用表测量输出中点电压输出电容正极对地电压。然后缓慢调整那个电位器观察中点电压向Vcc/2靠近同时监测输出级发射极电阻通常0.47欧姆或1欧姆两端的电压来换算静态电流。目标是优先将中点电压调到Vcc/2然后再微调静态电流到目标值如1.2A。这两个调整会相互影响需要来回微调几次才能达到最佳状态。注意通电调试时必须使用灯泡串联限流保护板即在电源和功放板之间串联一个60-100瓦的白炽灯泡。这样万一电路有短路或电流过大灯泡会亮起限流保护你的晶体管和电源。调试正常后再撤掉灯泡直接供电。3.2 静态电流的计算与调整静态电流就是没有输入信号时流经输出级晶体管Q1和Q2的电流。对于A类功放这个电流必须大于你期望输出的峰值电流。调整方法如你笔记所说通过调整R7反馈网络中的电阻的大小来调整。在实物中R7通常由一个固定电阻串联一个可调电阻如500欧姆或1k来实现。调整它会改变反馈量从而改变Q3/Q4差分对的偏置进而影响推动级Q2的电流最终改变输出级Q1和Q2的静态电流。测量方法最准确的方法不是直接测电流而是测量输出管发射极电阻Re通常接在Q1和Q2的发射极到地之间阻值很小如0.47Ω/5W两端的直流电压。根据欧姆定律Iq V_Re / Re。例如如果你想要设置静态电流Iq为1.2ARe0.47Ω那么你需要调整电路使Re两端的电压V_Re 1.2A * 0.47Ω 0.564V。用数字万用表毫伏档测量这个电压即可。静态电流设定多大这取决于你的电源电压和想要的输出功率。有一个重要公式如你笔记所记最大不失真峰值输出电流 ≈ 2 * 静态电流。这是因为在A类状态下正半周信号由Q2上管提供电流负半周由Q1下管从输出电容放电提供电流。每个管子能提供的最大电流变化量就是静态电流本身。因此总的最大峰值电流就是静态电流的两倍。假设你希望功放在8Ω负载上输出10W RMS功率。根据P I_peak^2 * R / 2可计算出所需峰值电流I_peak sqrt(2*P/R) sqrt(20/8) ≈ 1.58A。那么你需要的静态电流Iq ≈ I_peak / 2 ≈ 0.79A。为了留有余量通常会设置到1A或1.2A。静态电流越大热量也越大对散热要求呈平方级增长需要权衡。4. 交流增益分析与关键元件作用剖析4.1 电压增益的计算与影响因素你笔记中对增益的分析非常准确“R4越小增益越大R5越大增益越大”。我们把它说完整。在JLH1969中主要的电压增益由Q4和Q2这两级提供。但决定整体闭环增益的是负反馈网络。简化分析我们可以看从Q3基极反相输入端到输出端的增益。反馈网络由R7和R8组成。电路的闭环电压增益Av ≈ 1 (R8 / R7)。这是一个近似公式源于运算放大器负反馈的理论。为什么R7连接输出端和Q3基极反相输入端。R8连接Q3基极和地同相输入端通过电阻接到一个固定偏置但交流信号相当于接地。这构成了一个典型的同相放大器负反馈结构。增益Av 1 (R_f / R_in)这里R_f R8R_in R7。所以要增大增益就增大R8或减小R7。这和你笔记中“R4越小流过R4的交流电流越大...”从局部晶体管电流的角度描述最终结论是一致的。在标准电路中R72.7k R88.2k 计算增益Av ≈ 1 (8.2k / 2.7k) ≈ 4.04倍换算成分贝大约是20*log10(4.04) ≈ 12.1 dB。这个增益不算高意味着你需要一个电平较高的前级信号来驱动。4.2 神秘10k电阻的作用揭秘你笔记中提到了“10K电阻的作用不知道”。这很可能指的是原理图中连接在Q3基极和地之间的那个电阻有时与一个电容并联。我们以最常见的版本为例分析几个关键的10k或附近阻值电阻输入对管基极偏置电阻R1 R2你计算中点电压时用到的8.2k和2.7k就是。它们决定了差分放大级的静态偏置电压。它们的比值影响中点电压它们的绝对值大小会影响输入阻抗和偏置电流的稳定性。阻值太大噪声可能增加对漏电流敏感阻值太小会增加前级负载耗电增加。10k量级是一个折中选择。Q3基极对地电阻与反馈电阻R8并联这个电阻如果存在的主要作用是为Q3的基极提供直流通路。在深度直流负反馈下Q3基极的直流电压被反馈网络固定。但这个节点对交流信号来说是高阻抗的并联一个电阻如10k-100k可以稳定直流工作点防止因晶体管漏电流或干扰导致电位漂移提高电路的直流稳定性。同时它也会稍微降低电路的输入阻抗。反馈网络中的电阻R7 R8如前所述它们直接决定闭环增益。它们的取值也影响了反馈深度和电路的频响。实操心得在搭建时如果发现中点电压不稳定通电后慢慢漂移可以尝试在Q3基极对地之间加一个47k-100k的电阻往往能有效改善。这属于原理图没有明确画出的“增强稳定性”的技巧。5. 电路动态工作过程与波形推演5.1 信号放大过程的逐级推演你笔记中描述的过程是正确的但我们可以更形象地走一遍“输入电压增大Q4PNP的发射极电流增大Q3和Q2的集电极电流增大Q1发射极电流减小。” 我们假设一个正弦波正半周信号。输入信号正半周Vin↑信号从C1输入到达Q3和Q4的发射极因为PNP管发射极是输入端。对于Q4其基极电压相对固定通过R2偏置当发射极电压升高正半周实际上使得Q4的发射结压降Vbe减小。对于PNP管Vbe减小意味着导通程度减弱所以Q4的集电极电流Ic4会减小。关键点Q3和Q4的发射极电流之和是恒定的由尾恒流源或大电阻决定。Q4的Ic减小意味着Q3的Ic必须增大以维持总电流不变。所以Q3的集电极电流Ic3增大。推动级动作Q3的集电极直接驱动Q2的基极。Ic3增大意味着流过Q2基极的电流增大导致Q2NPN的导通程度加深其集电极电流Ic2急剧增大。输出级动作Q2的集电极电流Ic2也就是流经负载喇叭和输出电容的主要电流。Ic2增大导致输出点电压升高输出正半周信号。此时Q2作为上管“推”电流给负载。同时由于输出点电压升高Q1下管NPN的发射结压降Vbe减小其导通程度减弱即“Q1发射极电流减小”符合你的笔记描述。负半周过程相反输入负半周时Q4导通加深Q3导通减弱Q2电流减小输出点电压下降。此时输出电容储存的电荷通过Q1放电Q1作为下管“拉”电流从负载流出完成负半周放大。这个过程清晰地展示了单端推挽的工作方式Q2负责“推”源电流Q1负责“挽”吸电流两者在静态时都导通动态时一增一减协同工作。5.2 自举电容的作用与必要性输出电容Cout通常是2200uF-4700uF的大电解电容除了隔直还有一个至关重要的作用自举Bootstrap。仔细观察Q2的集电极负载电阻通常称为“自举电阻”一端接电源Vcc另一端接输出端。当输出信号向正方向摆动时输出端电压升高。由于电容两端电压不能突变这会导致自举电容连接Q2集电极的那一端电压也被“举”高甚至可能超过电源电压Vcc。这就为Q2的集电极提供了一个更高的瞬时工作电压使得Q2能在不饱和的情况下输出更大的电压摆幅从而提高了输出电压的峰峰值和输出功率。没有这个自举电容电路的最大输出幅度会受到严重限制。注意事项自举电容的容量必须足够大通常在100uF以上以保证在最低工作频率时其容抗远小于自举电阻的阻值。同时其耐压值必须高于电源电压。6. 元器件选型、PCB布局与装配实战6.1 关键元器件选型指南晶体管Q3 Q4输入差分对必须配对。要求Vbe和Hfe电流放大系数尽可能一致。常用小信号PNP管如BC556B A970 2SA970等。配对能最大限度降低失真和直流漂移。Q2推动级/上输出管需要较高的耐压和功耗。原设计用2N3055但它的频率特性一般。现代DIY常用MJL4281 MJE15030等性能更好的管子。Hfe在50-150之间比较合适。Q1下输出管同样需要高耐压和高功耗通常与Q2同型号或者选用互补管Q2用NPN Q1用PNP构成全互补但经典JLH1969是准互补Q1也是NPN。原设计也是2N3055。偏置二极管D1 D2用两个1N4148串联即可。更讲究的会用晶体管接成二极管形式将BC结短接利用其Vbe的温度特性进行温度补偿与输出管安装在同一散热器上实现热耦合稳定静态电流。电阻反馈电阻R7 R8使用金属膜电阻精度1%为宜噪声低温度稳定性好。功率1/4瓦足够。输出管发射极电阻Re这是“电流采样电阻”阻值小但功耗大。常用0.47Ω/5W或1Ω/3W的水泥电阻或无感线绕电阻。它的精度直接影响静态电流的测量和设置。其他电阻1/4瓦金属膜电阻即可。电容输入耦合电容Cin影响低频响应。常用1uF-10uF的薄膜电容如CBB WIMA或音频专用电解电容如ELNA Silmic。极性注意不要接反。输出电容Cout大容量电解电容建议使用低ESR等效串联电阻的音频专用电容如尼康KG系列 伊娜FOR AUDIO系列。容量2200uF-4700uF耐压需高于电源电压。自举电容Cboot100uF-220uF电解电容耐压高于电源电压。电源滤波电容每声道至少需要每安培电流2000uF的容量。对于1.2A静态电流建议每声道使用不小于10000uF的滤波电容并并联0.1uF薄膜电容和100uF电解电容做高频退耦。6.2 PCB布局与接地艺术对于音频功放PCB布局和接地的重要性不亚于原理图设计。糟糕的布局会引入噪声、振荡和串扰。一点接地星型接地这是最重要的原则。将电源滤波地、输出级大电流地、输入小信号地分开走线最后在电源滤波电容的负极引脚处汇合形成“星型”连接点。绝对避免将大电流地线和小信号地线形成环路。大电流路径最短最粗从电源滤波电容正极 - 输出管集电极 - 发射极电阻 - 输出电容正极 - 负载喇叭- 地这个环路承载着巨大的交流电流。这个环路的面积必须尽可能小走线要宽以减少寄生电感和电阻提高瞬态响应降低失真。输入级远离干扰源输入端子、输入耦合电容、差分对晶体管及其周边电阻应远离电源变压器、整流桥、输出级等强干扰区域。退耦电容紧贴芯片给Q2 Q3 Q4的电源引脚就近放置一个0.1uF的陶瓷电容和一个10uF-100uF的电解电容到地为高频和低频电流提供就近回路。散热设计输出管Q1和Q2会产生大量热量。必须使用足够大的散热器热阻要低并在晶体管和散热器之间涂抹优质的导热硅脂。如果使用绝缘垫片要计算其热阻。最好能将温度补偿二极管或偏置二极管与输出管固定在同一散热器上实现热跟踪。装配顺序建议先焊接所有电阻、小电容和二极管。焊接晶体管插座如果使用然后插入晶体管。最后焊接大电解电容和接插件。通电前务必复查核对所有晶体管、二极管的管脚和方向核对电解电容极性用万用表二极管档检查电源输入端有无短路。7. 调试、测量与典型问题排查实录7.1 上电调试标准化流程安全第一接入灯泡保护板。不接输入不接负载喇叭。先调直流状态。通电观察灯泡亮度。如果灯泡常亮或很亮立即断电说明存在严重短路。如果灯泡闪一下变暗或微亮基本正常。测量电源电压是否正常。测量输出中点电压调整反馈电位器对应R7将中点电压调到电源电压的一半如24V电源调到12V。如果调不到检查差分对晶体管是否配对良好电阻值是否正确。测量并设置静态电流测量输出管发射极电阻Re两端的电压计算静态电流。缓慢调整偏置电位器如果有通常与偏置二极管串联将静态电流调到目标值如50mA先试机。注意调整静态电流时中点电压会变化需要两者反复微调直到中点电压为Vcc/2且静态电流为目标值。预热与热稳定测试调试好后让功放通电工作15-30分钟期间持续监测中点电压和静态电流。由于温度升高它们可能会漂移。一个设计良好的功放漂移应在可接受范围内如中点电压漂移100mV静态电流变化20%。如果漂移过大检查温度补偿二极管是否与输出管热耦合良好。撤掉灯泡保护接上负载和音源先输入一个很小的信号如1kHz正弦波用示波器观察输出波形是否正常有无削顶或振荡。然后逐步增大输入测量最大不失真输出功率和波形。7.2 常见问题、现象与排查技巧下表总结了搭建JLH1969时最常遇到的问题问题现象可能原因排查思路与解决方法通电后灯泡常亮电源或输出级存在严重短路。1. 断电用万用表测电源输入端正负极间电阻。2. 检查输出管Q1 Q2的C-E极是否击穿。3. 检查滤波电容、输出电容是否装反或短路。中点电压调不到Vcc/21. 差分对晶体管不配对或损坏。2. 反馈网络电阻R7/R8值错误或虚焊。3. 偏置二极管D1/D2损坏或接反。4. Q2或Q1损坏。1. 断电测量Q3 Q4的Vbe是否正常约0.6V对比两者是否接近。2. 核对R7 R8阻值。3. 检查二极管正向压降约0.65V每个。4. 拆下Q1 Q2单独测试。静态电流调不上去或为01. 偏置电路问题二极管、可调电阻。2. Q2不工作或损坏。3. 推动级供电问题。1. 检查偏置二极管两端电压是否为~1.3V。2. 测量Q2的Vbe电压调整偏置时看是否有变化。3. 检查连接Q2集电极的自举电阻和电容。静态电流过大且不可调1. Q1 Q2击穿或漏电。2. 偏置可调电阻短路或阻值调错。3. 温度补偿失效散热不良导致热奔溃。1. 立即断电检查输出管温度。2. 检查偏置可调电阻是否处于最小阻值位置。3. 确保补偿二极管与输出管安装在同一散热器上并接触良好。输出有高频振荡示波器看波形有毛刺或自激1. PCB布局不佳存在寄生振荡。2. 消振电容通常跨接在Q2的C-B极或反馈电阻上未装或容量不当。3. 电源退耦不足。1. 在Q2的C-B极之间并联一个100pF-220pF的小电容消振电容。2. 在反馈电阻R8两端并联一个47pF-100pF电容。3. 加强电源退耦在关键点增加0.1uF陶瓷电容。声音失真、发破1. 静态电流过小工作到B类区产生交越失真。2. 输入信号过大导致输出削波。3. 电源功率不足大动态时电压跌落。4. 输出电容容量不足或品质差。1. 适当增大静态电流。2. 减小输入信号幅度或在前级加衰减。3. 检查电源变压器功率和滤波电容容量。4. 更换更大容量、更低ESR的输出电容。交流声哼声大1. 接地环路不合理。2. 输入信号线屏蔽不良或靠近电源线。3. 电源滤波不足。1. 严格检查并实施“一点接地”。2. 使用屏蔽线连接输入且远离电源变压器和交流线。3. 增大滤波电容容量或采用稳压电源供电。一个关键的实操心得调试时一定要先调好中点电压再调静态电流。因为中点电压是全局直流负反馈的目标先把它稳定在Vcc/2整个电路的直流工作点就基本正确了此时再调整静态电流会顺利很多。如果顺序反过来可能会陷入反复调整的困境。8. 性能评估、主观听感与优化方向8.1 客观性能测试搭建完成后可以用音频分析仪或“声卡软件”的方式进行基本测试频率响应JLH1969的电路简单开环增益不高依靠负反馈来拓展频响。通常其-3dB带宽能达到20Hz-20kHz以上非常平坦。总谐波失真噪声THDN在额定功率如5W/8Ω下经典的JLH1969的THD大约在0.05%-0.1%级别。这个指标在今天看来并不突出但它的失真成分以低次偶次谐波为主听感上反而温暖悦耳。输出功率根据公式P_max (Vcc/2)^2 / (2*Rl)估算。24V供电8Ω负载理论最大正弦波功率约(12)^2 / (2*8) 9W。实际由于管压降、发射极电阻压降等能达到7-8W就不错。8.2 主观听感特点这是JLH1969备受推崇的原因。普遍认为其声音具有温暖醇厚中频饱满人声富有感情。顺滑柔和高频不刺耳略带“胆味”电子管味。音乐味浓虽然解析力和动态对比现代高清功放有差距但播放爵士、人声、古典小品等音乐时非常耐听能让人沉浸在音乐中而非分析声音。它的不足在于功率有限适合驱动高灵敏度音箱90dB或在小房间使用。效率低、发热大需要庞大的散热系统。低频控制力相对于大功率功放对低音单元的控制力稍弱。8.3 可能的优化与魔改方向经典的电路有无数的衍生版本DIY的乐趣就在于此使用现代高性能晶体管替换Q2/Q1为MJL4281/MJL4302等能改善高频延伸和线性度。增加恒流源负载将差分对的尾电阻换成晶体管恒流源能大幅提高共模抑制比和电源抑制比降低失真。改为全互补输出将下管Q1换成PNP管如MJL4302与上管NPN组成全互补输出对称性更好失真更低。加入稳压电源为输入差分和电压放大级提供独立的稳压电源可以隔绝输出级大电流波动的影响提升信噪比和细节表现。调整反馈网络尝试不同的反馈电阻比例来调整增益或在反馈网络中引入频响矫正网络如并联小电容微调声音风格。最后我想说的是JLH1969不仅仅是一个电路它更像是一个经典的模电实验平台。从理解每个点的电压电流到设置静态工作点再到处理自激、调试接地整个过程是对模拟电路基本功的一次全面锻炼。当你第一次听到自己亲手搭建的功放传出音乐时那种成就感是购买成品机器无法比拟的。它的声音或许不是最精准的但那份由简单电路创造出的温暖和亲和力以及动手实践带来的深刻理解才是这个项目最宝贵的价值。