一款带USB音频解码的耳放_图文

1、 一款带USB音频解码的耳放朋友酷爱电影,最近购得一副耳机,森海塞尔的HD555,说用电脑声卡听起来声音平淡并且有轻微的底噪,邀请我帮他设计一个耳放。出于成本的考虑,我马上想到了网上经典的47耳放,这款耳放的电路简单,成本低廉并且评价也不错。由于电脑音频输出本身有底噪,所以打算不使用内置声卡,而采用一个外置声卡完成解码和DA转换。几经考虑,最后决定选用德州仪器的USB音频CODEC芯片PCM2900,曾经使用过这款芯片,性能非常优秀。一、电路设计耳放部分和音频解码部分的电路确定以后,就能画出系统的框图了,我设计的整个耳放框图如图1所示。功率放大部分采用的47耳放电路需要双电源供电,而生活中使用

2、的交流适配器输出一般为单电源,所以需要增加单/双电源转换电路。另外,PCM2900的输出信号包含有高频分量,在进行放大前要通过低通滤波器进行平滑滤波。1. 耳放电路图2给出了一个声道的电路图。经典的47耳放使用了两个双运放,其中一个作放大,另一个作跟随,电压放大倍数由R1和R3确定,实验证明,对于HD555这款耳机,用USB音频DAC输出作为音源时,图中的取值是比较合适的。实际应用时,为了保证运放的可靠工作,一般会在反馈电阻R3上并联一个20pF左右的小电容,图2中没有画出。2. 单双电源转换电路图3为单电源转双电源电路。如图,当功放的输入端接固定的直流电平时,输出端电位为电源电压的1/2,如

3、果将输出端作为参考地,那么电源电压的正负极分别为+1/2Vcc和-1/2Vcc。这里使用的是廉价的集成功率放大器TDA2030,其工作电压范围为±6V±18V,所以单电源的供电电压应为1236V,选用笔记本电脑电源(+19V就很合适。3. 音频DAC电路图4所示为使用PCM2900构成的USB音频DAC 电路。PCM2900是一款USB接口的音频CODEC芯片,这里只是用了它的DAC部分,没有使用ADC部分。PCM2900可以使用USB总线的+5V电源供电,外围电路十分简单,并且具有16位分辨率和低至0.005%作者/任杰/西北工业大学电子信息学院+5V+3.3VAC220

4、V V+V-USB 接头PCM2900音频DAC低通滤波功率放大交流适配器稳压器单电源转双电源LinRP10KR247KR547U1AU2A+-22331R1 4.7K R3 10KLoutR4 47图1 耳放的系统框图图2 耳放部分电路图的THD+N。图中并联在晶体上的1M左右的电阻不可省略,否则可能导致晶体振荡器不起振。 4. 低通滤波电路图5给出的低通滤波电路采用的是德州仪器公司设计指南里的电路。运算放大器和外围容阻器构成二阶低通滤波器,用以滤除DAC输出的高频分量。这里采用USB总线电源,经过一个线性稳压器LM1117稳成+3.3V后给滤波器的运放供电。由于供电电压较低,所以需要使用专

5、用的低电压运放,并且在单电源供电的情况下,运放的同相输入端不能直接接地,而应该接到电源电压的中点位置,这里没有使用电阻分压的方式产生中点电位,而是将同相输入端直接接到PCM2900内部DAC的公共端(Vref。二、元器件选择因为这个制作用到的元器件较多,所以在画PCB 之前,要先确定使用的元器件型号和封装尺寸。在这里,我将整个系统电路分为小信号部分和大信号部分,其中小信号部分包括音频解码部分和低通滤波部分,这一部分的电路用到的芯片PCM2900和OPA2353均为贴片封装,为了使这部分整体看起来协调,外围的容阻器件全部采用0805封装的贴片元件。大信号部分包括电源电路部分和耳放部分,这部分电路

6、用到的运放IC和TDA2030均为直插封装,所以外围的器件也采用直插封装。特别需要注意的是,耳放部分的元器件质量直接影响音质,所以选用时不能过于随便。这里所用的电阻全部为1/4W的金属膜电阻,电子市场那些卖一两分钱一个的电阻最好不要用在这里。另外两个非常重要的元件是输入耦合电容和音量电位器。输入耦合电容直接影响音色,一般使用薄膜电容或者性能优良的电解电容,这里使用的是1F的红色WIMA,在音频应用中,这个电容评价很高。这里使用的是ALPS16型电位器,性价图4 USB音频DAC电路图3 单电源转双电源电路 比比较高,不足之处是用在这里显得体积偏大。用作电源转换的TDA2030采用的是TO-22

7、0封装,将其引脚弯折后,可以水平安装在PCB 上,这样不仅更加美观,并且TDA2030可以借助PCB 上的铜箔散热,而无需安装散热器(在这里TDA2030的发热量不大。三、PCB的设计音频类的制作里,这一环节是相当重要的,它最大程度上决定了制作的成败。耳放最终的负载是耳机,具有较高的灵敏度并且紧贴于耳朵上,任何可听见的噪声都是难以容忍的,所以合理的布线尤为重要。为了最大限度的减小噪声,一种做法就是将所有的电源线都单独接到主电源上,所有的地线都单独接到电源地上,也就是所谓的单点连接。图6、图7分别为给出了本次制作的PCB 布线图和PCB 实物图。音频解码部分和低通滤波部分采用的元器件尺寸很小,严

8、格意义上的单点连接不太容易实现,所以采用地平面的方法,PCB 双面敷铜,并用大量的通孔将两面连接起来。这种方法由于使用方便,大多数人喜欢使用。但需要注意的是,在元器件布局时尽可能地保持地平面的完整,不要出现地平面的分割。耳放部分的直插器件尺寸都比较大,并且由于没有太大电流的走线,可以很方便地按单点的方式连接。从图7的PCB 实物图能看出,所有的小信号地(包括解码和滤波部分的地都接到一个点上(线圈出,然后将这个点和大信号地(耳放输出地单独接到电源地上。为了确保电路的可靠工作,应该在运放IC、电源稳压IC 和用作电源转换的功放IC 电源引脚上对地接一个0.1F 左右的小电容,并且尽量靠近IC 的电

9、源引脚。此外,为了避免引入耦合和干扰,输入信号线不要太长并尽可能远离输出信号和电源线等大信号线。四、焊接与安放 本制作用到的元件种类较多,封装各异,焊接有一定的难度,基本的焊接顺序如下:焊接PCM2900和OPA2353。其中PCM2900的引脚间距只有0.65mm,焊接时极易形成搭接短路,焊完后要仔细检查。(见图8焊接贴片容阻器。贴片容阻器包括三类:0805封装的贴片电阻,0805封装的陶瓷电容和3216封装的钽电解。其中钽电解需要注意极性,一般标有红线的一 图5 低通滤波和电源电路图6 PCB布局布线图端为正极。贴片陶瓷电容从外观上读不出容量的大小,所以焊接时一定要仔细对照,不能焊错。(见

10、图9焊接直插电阻和稳压IC,这一步骤比较简单,如图10。焊接其他直插器件,包括电容、晶振接插件等。这些器件的焊接难度不大,需要注意的 安放时尽量与PCB 保持平整,特别是TDA2030,在焊接完成后,需要使用螺钉将其固定,使散热片紧贴于电路板上的散热铜箔,或者将散热片直接焊接在铜箔上(如图11。最后焊接完成的电路板如图12,电位器的个头确实显得有点大。最后需要注意的是,ALPS16型电位器为金属手柄,如果不加绝缘旋钮的话,手碰到手柄时会引入干扰,所以需要将电位器外壳接地,如图13。五、试听与使用 焊接完成后,检查有无元器件焊错,特别是电解电容有没有焊反,如果没有,就可以通上电源,此时指示灯亮,

11、不要急着插入耳机,先用万用表的直流电压档测试一下输出端的直流电压,正常情况下在零点几mV 到几十mV,不同的运放芯片这一电压不同,这里使用的是德州仪器的NE5532,实测直流电压为2mV 左右。接下来将USB 接口通过延长线连接到电脑的USB 口上,可以看到屏幕右下角工具栏里弹出如图14字样,接着显示出图15字样,说明USB 声卡安装成功了。在每次插入声卡后,一般情况下Windows 会默认优先使用USB 声卡。如果Windows 仍然按内置声卡驱动方案运行,就需要对控制面板中的声音和音频设备进行设置,具体方法如下:单击开始控制面板声音和音频设备,在弹出的声音和音频属性界面中点击声音频选项卡,将声音播放和录音设备选成USB Audio Codec,如图16所示。此时就可以插上耳机,打开播放器开始欣赏音乐