USB有源数字功率放大器的制作

USB有源数字功率放大器的制作多媒体功放一般都是装在有源音箱内部的，所以散热会比较差，如果用A类放大器或AB类放大器散热会比较困难，其实散热困难的根本原因是放大器的效率低，导致很大一部分电能变成热量白白浪费掉，不仅对散热提出较高要求而且与现在这种提倡建设的节约型社会格格不入，但是A类放大器与AB类放大器的优点是失真小音质好，所以目前为止还是功率放大器的主流，是否有一种效率高而且音质有好的放大器？答案是肯定的，在这篇文章中我将介绍由型号为TA2024的T类数字放大器和USB音频解码器等芯片组成的一款性能优良的多媒体数字功率放大器，该放大器采用USB数字音频输入，输出功率为每声道15W。推动一对SONY组合音响上的音箱，低音相当浑厚有力，高音纤细优美，作为电脑有源音箱使用效果非常理想。一．方案设计及功能电路介绍该放大器的系统框图如图1所示。输入信号为从USB端口输入的数字音频信号经PCM2702解码，再经音量控制电位器控制送入由TA2024组成的T类数字放大器中进行功率放大推动音箱。下面就各部分功能加以叙述。图1系统框图1．USB解码电路USB解码电路是以PCM2702USB音频DAC为核心组成的，电路如图2所示，PCM2702是一片高信噪比（典型值为105dB）低谐波失真（THD+N）为0.002%，大动态范围（100dB）高分离度（103dB）的USB数模转换芯片，它有两个数模转换输出通道和一个一体化的USB接口控制器，该接口符合USB1.0标准，全速传输率为12Mbps，也许有人会问现在不都是USB2.0接口吗，USB1.0速度是不是太慢了，其实不然，12Mbps的传输速率对传输音频数据来说绰绰有余。PCM2702可接收采样率为32KHz、44KHz和48KHz的16位立体声或单声道数字音频信号，《无线电》对该芯片有很多介绍故在此不作过多阐述。由高速低失真运算放大器AD712和外围元件组成二阶低通滤波器滤除高频成分后得到立体声音频信号，再将立体声音频信号送入由RSM2314组成的音源选择及音量控制电路。图2USB解码电路类功率放大电路T类功率放大器是音速感（Tripath）公司生产的采用“数字功率处理技术”具备D类功放效率、同时又具有AB类功放音质的新功放类型（详细工作原理请参考Tripath官方网站，这里就不做详述了）。所谓T，就是取Tripath首字母。目前最多被发烧友热捧的有TA2024和TA2022两种型号，TA2024输出功率较小15W*2（@12V,4Ω），TA2022输出功率较大70W*2（@±30V，4Ω），普遍的评价是TA2024的音质要好于TA2022，再者本功率放大器用于电脑有源音箱，故15W*2的功率也足够了,TA2024的供电电压为单12V所以电源电路很好解决，用一只TO-3金封的LM317为其稳压供电便可满足要求。TA2024芯片封装如图3所示，引脚功能见图4。图3TA2024封装图4TA2024引脚图功率放大电路见图5，电路中，第1脚（＋5VGEN）是芯片产生的5V基准电源，经电阻分压后接输入脚，调节分压电阻，可以调节输出直流电压水平（注：最佳输出直流Uo＝0V，过大的直流电压水平可能损坏扬声器和导致开关机噪音）。功放输入采用比较典型的电容耦合形式，R3和R4是反馈电阻，决定了功放增益Au。第12脚是MUTE（静音）控制引脚，这里接到第19脚，该较为错误输出脚，一旦电路出现问问题该较将控制TA2024进入静音保护状态。这个引脚也可以单独引出做为静音控制。注意到功放的输出实际上是平衡形式的，没有公共地。输出接有LC滤波网络，这是因为T类功放与D类放大器一样都是工作在开关状态，所以输出信号中带有高频信号。10uH电感和0.22uF电容大概设置频率截止点73kHz。输出另外带有阻容串连的茹贝尔（Zobel）滤波网络，同样也是为了滤去高频，同时可以降低负载阻抗变化。另外还有一个电容跨接在扬声器两极，这个可以使负载接近“纯电阻”。在输出端接有4个肖特基二极管，靠近输出引脚，可以防止输出信号电平低于地电平，防止损坏芯片内的输出功率管。同时可以防止过高的输出电平出现。TA2024构成的电路具有80％以上的效率，在10W（@8Ω）情况下，效率达到了88％，所以不需要大的散热器来支持（除非电路设计不合理，导致异常发热），一般情况下使用电路板的露铜来散热就足够了。所以TA2024芯片设计成贴片封装（而不是TO-220类型），下方有金属导热块。我在资料上看到有一些设计在TA2024上额外增加散热器，我认为这对散热没有任何帮助，从图3可以看出，TA2024的芯片是靠贴在下表面的金属块导热的，发热传导到上方很少，也很慢，在芯片上方增加散热器将导致空气不流通，反而影响散热效果。图5功率放大电路电源电路电源电路用采用桥式整流滤波电路，稳压电路使用金属封装的LM317K稳压集成电路，输出电流为3A，滤波用电解电容采用两支并联而未用单个大容量电容，大家都知道，电解电容为了得到较大的容量所以电极都是卷在一起的，这样就有较大的等效电感，等效电感使电容的高频阻抗升高，两个电容并联与单个大电容相比等效电感较低，所以这样可以降低电源的高频内阻，提高电源的性能。在两个大电容上并联0.1uF小电容目的是为了进一步降低电源内阻。电源电路如图6所示。图6电源电路二．元件选择及电路制作元器件的选择：电阻和小容量瓷片电容选用0805贴片封装，小容量电解电容用贴片钽电容，滤波电解电容用红宝石电容，输出滤波用的10uH电感，用直径1mm的漆包线在外径23mm内径12mm的高频铁氧体磁环上绕13T，用数字电桥实测电感量为10.5uH，如图7所示。PCM2702，TA2024都是贴片封装。LM317使用金属TO-3封装，该封装的LM317可输出3A的平均电流，使用配套散热器，5V稳压和3.3V稳压集成电路选用ASM1117系列贴片封装。放大器上使用的4个肖特基二极管用1SS14，电源变压器使用50W的E型电源变压器。可调电阻用3296多圈型。敷铜板选用双面高频玻璃纤维板。其它元件无特殊要求，按图取值即可。图8为制作所使用的元器件。图7制作好的电感图8制作所使用的元器件印刷电路板的制作：在画电路图时，为了使各功能电路的结构清晰所以是将各功能电路的电路图分开画的，在实际设计PCB时是将USB解码电路、T类数字放大电路作为主电路做在一块PCB上的，如图9所示，电源电路PCB见图10所示。图9主电路PCB图10电源电路PCB做过音频电路的人都知道各部分要分别接地然后汇总于一个点上，而这点一般在滤波电容的接地点上，这叫做单点接地，目的是消除交流声提高信噪比。该电路板采用双面结构，背面主要做大面积铺地，这样做的好处是减小接地电阻，达到与单点接地同样的效果，从而大大化简了布线的难度。大面积铺地还可以起到屏蔽的作用，提高电路的抗干扰能力，也节约了腐蚀电路板的时间。就电路板的制作我简单的描述一下：绘图：根据的电路图在绘制电路板的软件（我用的是ProtelDXP2004）中绘制好PCB图，然后进行打印预览，从中设置要打印的层面，图形比例、打印颜色、焊盘孔及镜像。设置打印层面时将顶丝印层（TopOverlay）和底丝印层（BottomOverlay）屏蔽掉，只显示布线层，因为丝印层显示的是器件的轮廓和编号，印到电路板上会将电路短路。图形比例设置成1：1，否则电路板与元器件不能对应。打印颜色设置成单色，如果选择成灰度那么打印到转印纸上的墨粉浓度太低不能转印。设置镜像时，如果要打印的是顶布线层（TopLayer）则设置镜像，如果打印的是底布线层（BottomLayer）则不镜像。打印和转印：做完以上的工作，就要将图形打印到转印纸上并进行转印。转印纸有专门的热转印纸，但价格较贵也不好买，我用的是背胶纸中光面的底层纸，效果很好，卖电脑耗材的地方都能找到。将打印到转印纸上的图形转印之前先将敷铜板用橡皮擦干净然后再转印，这样可以保证转印质量。转印时有条件的使用热转印机，我用的是老式电熨斗，因为老式电熨斗的发热板比较厚重，而且很平，保温比较好。将转印纸对齐盖到敷铜板上，打开电熨斗，使其温度上升到大约150℃，用熨斗来回熨转印纸20秒左右，等敷铜板稍微冷却一下之后慢慢从边角撕下转印纸，这时墨就印在了敷铜板上。腐蚀：做得如果是单面板则直接将印好的敷铜板放在三氯化铁溶液中腐蚀，如果是双面板则在还未转印的一面上贴上胶带保护，然后再放进三氯化铁溶液中腐蚀。腐蚀时最好保持溶液的温度在30℃以上，而且要不停的摇晃容器加速腐蚀。做双面板时，腐蚀好一面以后，在边上给几个离的比较远的焊盘打孔做定位孔，将另一面的转印纸按照定位孔对好后，用熨斗将其印在敷铜板上，腐蚀时将腐蚀好的一面用胶带贴好保护，待腐蚀完后，一块完整的双面电路板就做好了，自己制作电路板不可能给过孔沉铜，所以过孔用硬线两边焊接进行连通，达到与沉铜同样的效果。因为电路中大量采用贴片元件，尤其是PCM2702与TA2024的引脚间距只有0.65mm，所以焊接时更应注意技巧。焊接贴片电阻电容时，先将电路板处理干净，给一个焊盘镀上锡，将贴片元件先按住，然后将