设计制作一款超低噪音超低纹波HIFI电源

设计制作一款超低噪音超低纹波HIFI电源在集成电路流行前，人们用分离元件制作稳压电源。后来，三端稳压IC开始流行，这些IC使用简便，体积小，性能不俗，价廉物美。如果你不在乎价格，市场上有很多改进型的集成稳压可以买到。所以现在的DIYER很少有人愿意回到用分离元件自己制作稳压电源。

但是，集成三端稳压也有一些致命的缺点：

1、输入输出电压或电压差有限制;比如78系列最高输入电压是35V，317系列输入输出压差必须保持在35V以内。

2、大电流输出能力有限;受制于产品封装以及内部调整管的性能，大部分三端稳压芯片仅可提供1A 的输出电流能力，好点的也最多达到3A。

3、纹波抑制能力有限;受制于内部集成的741一辈爷爷级运放的增益带宽积和转换速率指标，大部分三端稳压的纹波抑制能力相当有限。尤其是在较高的频率下，仅是低频的1/10能力都没有。

上述缺点严重限制了传统三端稳压芯片在音频电路尤其是在需要高电压，大电流的情况比如功放等上面的应用。那么，我们DIY是否有能力做到性能超越三端稳压，成本不高，适用范围广的分立元件稳压电路呢?其实，拥有一个好的运放，一些常规电阻电容，一个好的参考电压源以及一些常规的晶体管，只要我们不追求体积，DIYer完全可以做出超越三端稳压IC的线性稳压电源！

要实现超越，我们必须先研究清楚常规三端稳压电路的工作机理，并回顾和总结前人所设计制作的优秀之作，并吸取其精华，利用日新月异的新器件，新思路，来设计并制作适合业余DIY的分立模拟稳压电源。

一、线性稳压电源如何工作？

这个是个标准的线性稳压器的简化方块图：

线性稳压器简化图

上图为串联型线性稳压电源，因为调整三极管是串联在输入和输出中间的。通过控制调整三极管的基极电压的方法来控制三极管输出脚的电压。连接误差放大器的一个输入脚的是参考电压VREF。连接误差放大器另一个输入脚的是一个电压分压器的中点电压。任何运放都会通过调节输出电压的方式来使两个输入端保持平衡。在这个图里，误差放大器的输出端连接到了一个NPN三极管的基极上，误差放大器输出电流到三极管的基极上，三极管电流从集电极向发射极流动，相当于从调整管基极吸取电流。一个运放只要有几十毫安的驱动力，就可以控制好调整管的电流。

设参考电压为5V（VREF），R1/R2=3。由于误差放大器同相端为参考电压保持不变，而运放总是要保持两个输入端的平衡，所以，他会不断调节自己的输出电压一直到分压电路中点即反相端出现5V为止。由于分压比为4，所以最终的输出电压VOUT将保持在20V，这是一个不断循环的过程，最终达到了稳压效果。

当然，这个简单的设计并非完美。误差放大器只会快速摇摆，参考电压也会有误差，稳压电源输出阻抗高导致电压失落。所有的元件都不同程度的存在温度漂移现象。此外，所有的部件都有噪音产生，而且随着温度上升而恶化。

二、高性能分立稳压电源的发展经历

回顾几十年来模拟分立元件串联稳压电源的发展，大体上有以下四款较经典的电路值得学习和借鉴：

1、 Sulzer 稳压电源

1980年2月Mike Sulzer 在The Audio Amateur杂志发布了下款稳压电源：

这个设计特点如下：

(1)使用高速低噪音NE5534作为误差放大器;

(2) 在运放供电V+处，未稳压电压通过一个低转折频率的RC低通滤波器(R3 及 C3+C4)大大地过滤掉纹波，基准稳压管的噪音也被另一个低通滤波器R4和C5给降低了;

(3) 反馈回路中采用较大的电容C1，R2与C1 从一个较低的转折频率开始滚降，所以高频噪音没有被误差放大器放大。输出电压是VREF × (R2/R1 + 1);

(4) 采用5534运放。5534是1980的新芯片，现在已经很普通了。一般而言，在317电路里面的误差放大器大致接近741运放的性能，当误差放大器的性能得到提高后，相应的稳压电源的性能也得到了提高。

1981年1月Sulzer在The Audio Amateur又发表了一篇文章。仅仅是一些细节上的改良而没有增加太多复杂程度，主要修改有：

(1) 使用一个LM317作为一个预稳压;

(2) 用一个精密的参考电压源代替稳压管;

(3) 将调整三极管的集电极直接连接到未稳压的供电上;

(4) 增加一个大功率三极管组成达林吨形式以取得更大的输出电流能力;

最值得一提改进是增加的预稳压。他使调整管上的电压降接近稳定，改进了他的性能。同时也取消了误差放大器V+端的低通滤波器，不仅节约了部件而且降低了阻抗，使运放的性能得到了提高。

1987年1月在The Audio Amateur杂志，Jan Didden 也发表了Sulzer稳压器的变种。他使用了一个7818作为预稳压器并用一个7805作为一个参考电压，另外他使用了比Sulzer稳压器原先使用的性能更好的三极管来做调整管。

2、Sulzer-Borbely 稳压器

也是在1987年1月发表的，本身是为了适应动圈唱机前级而做的设计。Borbely的改进是个值得肯定的设计。电路见下图，其特点如下：

(1)使用了一个LM317作为预稳压器。

(2)使用了band-gap(带隙)技术的参考电源LM336。和稳压管相比他们的主要特性是电压跌落要好的多，但他们的噪音要比掩埋型稳压管大。由于音频系统中并不需要使用低电压降的特性，所以我认为使用一个掩埋型稳压管LM329应该更好一些。无论如何，band-gap带隙型参考源的使用仍然是对传统稳压管的噪音以及稳定性的一次改良。只要你不在乎更大的电压跌落，我认为掩埋型的稳压管似乎更好一点。

3、Jung超级稳压器

最后我们来看Jung稳压器。Jung在1995年TAA杂志发表的电路，电路如下图：

Jung稳压器和Sulzer稳压器最主要的区别是：

(1) 采用更好的调整管(D44H11);

(2) 调整管采用不同的驱动电路;Sulzer稳压电源中的误差放大器按照标准的方式取得电压调节功能：通过改变误差放大器输出电流来控制调整管的电压降。而Jung稳压器则采用了一个不同的稳压机制。在Jung稳压器中，一个恒流源(Q2和关联电路)将电流推送到调整管的基极，误差放大器则吸收为保持设定输出电压而富余的电流。(这个连接到运放输出的二极管就是解释了为什么运放只能吸收电流的原因)。