USB有源數(shù)字功率放大器的制作

USB有源數(shù)字功率放大器的制作多媒體功放一般都是裝在有源音箱內(nèi)部的，所以散熱會(huì)比較差，如果用A類放大器或AB類放大器散熱會(huì)比較困難，其實(shí)散熱困難的根本原因是放大器的效率低，導(dǎo)致很大一部分電能變成熱量白白浪費(fèi)掉，不僅對(duì)散熱提出較高要求而且與現(xiàn)在這種提倡建設(shè)的節(jié)約型社會(huì)格格不入，但是A類放大器與AB類放大器的優(yōu)點(diǎn)是失真小音質(zhì)好，所以目前為止還是功率放大器的主流，是否有一種效率高而且音質(zhì)有好的放大器？答案是肯定的，在這篇文章中我將介紹由型號(hào)為TA2024的T類數(shù)字放大器和USB音頻解碼器等芯片組成的一款性能優(yōu)良的多媒體數(shù)字功率放大器，該放大器采用USB數(shù)字音頻輸入，輸出功率為每聲道15W。推動(dòng)一對(duì)SONY組合音響上的音箱，低音相當(dāng)渾厚有力，高音纖細(xì)優(yōu)美，作為電腦有源音箱使用效果非常理想。一．方案設(shè)計(jì)及功能電路介紹該放大器的系統(tǒng)框圖如圖1所示。輸入信號(hào)為從USB端口輸入的數(shù)字音頻信號(hào)經(jīng)PCM2702解碼，再經(jīng)音量控制電位器控制送入由TA2024組成的T類數(shù)字放大器中進(jìn)行功率放大推動(dòng)音箱。下面就各部分功能加以敘述。圖1系統(tǒng)框圖1．USB解碼電路USB解碼電路是以PCM2702USB音頻DAC為核心組成的，電路如圖2所示，PCM2702是一片高信噪比（典型值為105dB）低諧波失真（THD+N）為0.002%，大動(dòng)態(tài)范圍（100dB）高分離度（103dB）的USB數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，它有兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出通道和一個(gè)一體化的USB接口控制器，該接口符合USB1.0標(biāo)準(zhǔn)，全速傳輸率為12Mbps，也許有人會(huì)問現(xiàn)在不都是USB2.0接口嗎，USB1.0速度是不是太慢了，其實(shí)不然，12Mbps的傳輸速率對(duì)傳輸音頻數(shù)據(jù)來說綽綽有余。PCM2702可接收采樣率為32KHz、44KHz和48KHz的16位立體聲或單聲道數(shù)字音頻信號(hào)，《無線電》對(duì)該芯片有很多介紹故在此不作過多闡述。由高速低失真運(yùn)算放大器AD712和外圍元件組成二階低通濾波器濾除高頻成分后得到立體聲音頻信號(hào)，再將立體聲音頻信號(hào)送入由RSM2314組成的音源選擇及音量控制電路。圖2USB解碼電路類功率放大電路T類功率放大器是音速感（Tripath）公司生產(chǎn)的采用“數(shù)字功率處理技術(shù)”具備D類功放效率、同時(shí)又具有AB類功放音質(zhì)的新功放類型（詳細(xì)工作原理請(qǐng)參考Tripath官方網(wǎng)站，這里就不做詳述了）。所謂T，就是取Tripath首字母。目前最多被發(fā)燒友熱捧的有TA2024和TA2022兩種型號(hào)，TA2024輸出功率較小15W*2（@12V,4Ω），TA2022輸出功率較大70W*2（@±30V，4?），普遍的評(píng)價(jià)是TA2024的音質(zhì)要好于TA2022，再者本功率放大器用于電腦有源音箱，故15W*2的功率也足夠了,TA2024的供電電壓為單12V所以電源電路很好解決，用一只TO-3金封的LM317為其穩(wěn)壓供電便可滿足要求。TA2024芯片封裝如圖3所示，引腳功能見圖4。圖3TA2024封裝圖4TA2024引腳圖功率放大電路見圖5，電路中，第1腳（＋5VGEN）是芯片產(chǎn)生的5V基準(zhǔn)電源，經(jīng)電阻分壓后接輸入腳，調(diào)節(jié)分壓電阻，可以調(diào)節(jié)輸出直流電壓水平（注：最佳輸出直流Uo＝0V，過大的直流電壓水平可能損壞揚(yáng)聲器和導(dǎo)致開關(guān)機(jī)噪音）。功放輸入采用比較典型的電容耦合形式，R3和R4是反饋電阻，決定了功放增益Au。第12腳是MUTE（靜音）控制引腳，這里接到第19腳，該較為錯(cuò)誤輸出腳，一旦電路出現(xiàn)問問題該較將控制TA2024進(jìn)入靜音保護(hù)狀態(tài)。這個(gè)引腳也可以單獨(dú)引出做為靜音控制。注意到功放的輸出實(shí)際上是平衡形式的，沒有公共地。輸出接有LC濾波網(wǎng)絡(luò)，這是因?yàn)門類功放與D類放大器一樣都是工作在開關(guān)狀態(tài)，所以輸出信號(hào)中帶有高頻信號(hào)。10uH電感和0.22uF電容大概設(shè)置頻率截止點(diǎn)73kHz。輸出另外帶有阻容串連的茹貝爾（Zobel）濾波網(wǎng)絡(luò)，同樣也是為了濾去高頻，同時(shí)可以降低負(fù)載阻抗變化。另外還有一個(gè)電容跨接在揚(yáng)聲器兩極，這個(gè)可以使負(fù)載接近“純電阻”。在輸出端接有4個(gè)肖特基二極管，靠近輸出引腳，可以防止輸出信號(hào)電平低于地電平，防止損壞芯片內(nèi)的輸出功率管。同時(shí)可以防止過高的輸出電平出現(xiàn)。TA2024構(gòu)成的電路具有80％以上的效率，在10W（@8Ω）情況下，效率達(dá)到了88％，所以不需要大的散熱器來支持（除非電路設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致異常發(fā)熱），一般情況下使用電路板的露銅來散熱就足夠了。所以TA2024芯片設(shè)計(jì)成貼片封裝（而不是TO-220類型），下方有金屬導(dǎo)熱塊。我在資料上看到有一些設(shè)計(jì)在TA2024上額外增加散熱器，我認(rèn)為這對(duì)散熱沒有任何幫助，從圖3可以看出，TA2024的芯片是靠貼在下表面的金屬塊導(dǎo)熱的，發(fā)熱傳導(dǎo)到上方很少，也很慢，在芯片上方增加散熱器將導(dǎo)致空氣不流通，反而影響散熱效果。圖5功率放大電路電源電路電源電路用采用橋式整流濾波電路，穩(wěn)壓電路使用金屬封裝的LM317K穩(wěn)壓集成電路，輸出電流為3A，濾波用電解電容采用兩支并聯(lián)而未用單個(gè)大容量電容，大家都知道，電解電容為了得到較大的容量所以電極都是卷在一起的，這樣就有較大的等效電感，等效電感使電容的高頻阻抗升高，兩個(gè)電容并聯(lián)與單個(gè)大電容相比等效電感較低，所以這樣可以降低電源的高頻內(nèi)阻，提高電源的性能。在兩個(gè)大電容上并聯(lián)0.1uF小電容目的是為了進(jìn)一步降低電源內(nèi)阻。電源電路如圖6所示。圖6電源電路二．元件選擇及電路制作元器件的選擇：電阻和小容量瓷片電容選用0805貼片封裝，小容量電解電容用貼片鉭電容，濾波電解電容用紅寶石電容，輸出濾波用的10uH電感，用直徑1mm的漆包線在外徑23mm內(nèi)徑12mm的高頻鐵氧體磁環(huán)上繞13T，用數(shù)字電橋?qū)崪y(cè)電感量為10.5uH，如圖7所示。PCM2702，TA2024都是貼片封裝。LM317使用金屬TO-3封裝，該封裝的LM317可輸出3A的平均電流，使用配套散熱器，5V穩(wěn)壓和3.3V穩(wěn)壓集成電路選用ASM1117系列貼片封裝。放大器上使用的4個(gè)肖特基二極管用1SS14，電源變壓器使用50W的E型電源變壓器?？烧{(diào)電阻用3296多圈型。敷銅板選用雙面高頻玻璃纖維板。其它元件無特殊要求，按圖取值即可。圖8為制作所使用的元器件。圖7制作好的電感圖8制作所使用的元器件印刷電路板的制作：在畫電路圖時(shí)，為了使各功能電路的結(jié)構(gòu)清晰所以是將各功能電路的電路圖分開畫的，在實(shí)際設(shè)計(jì)PCB時(shí)是將USB解碼電路、T類數(shù)字放大電路作為主電路做在一塊PCB上的，如圖9所示，電源電路PCB見圖10所示。圖9主電路PCB圖10電源電路PCB做過音頻電路的人都知道各部分要分別接地然后匯總于一個(gè)點(diǎn)上，而這點(diǎn)一般在濾波電容的接地點(diǎn)上，這叫做單點(diǎn)接地，目的是消除交流聲提高信噪比。該電路板采用雙面結(jié)構(gòu)，背面主要做大面積鋪地，這樣做的好處是減小接地電阻，達(dá)到與單點(diǎn)接地同樣的效果，從而大大化簡(jiǎn)了布線的難度。大面積鋪地還可以起到屏蔽的作用，提高電路的抗干擾能力，也節(jié)約了腐蝕電路板的時(shí)間。就電路板的制作我簡(jiǎn)單的描述一下：繪圖：根據(jù)的電路圖在繪制電路板的軟件（我用的是ProtelDXP2004）中繪制好PCB圖，然后進(jìn)行打印預(yù)覽，從中設(shè)置要打印的層面，圖形比例、打印顏色、焊盤孔及鏡像。設(shè)置打印層面時(shí)將頂絲印層（TopOverlay）和底絲印層（BottomOverlay）屏蔽掉，只顯示布線層，因?yàn)榻z印層顯示的是器件的輪廓和編號(hào)，印到電路板上會(huì)將電路短路。圖形比例設(shè)置成1：1，否則電路板與元器件不能對(duì)應(yīng)。打印顏色設(shè)置成單色，如果選擇成灰度那么打印到轉(zhuǎn)印紙上的墨粉濃度太低不能轉(zhuǎn)印。設(shè)置鏡像時(shí)，如果要打印的是頂布線層（TopLayer）則設(shè)置鏡像，如果打印的是底布線層（BottomLayer）則不鏡像。打印和轉(zhuǎn)印：做完以上的工作，就要將圖形打印到轉(zhuǎn)印紙上并進(jìn)行轉(zhuǎn)印。轉(zhuǎn)印紙有專門的熱轉(zhuǎn)印紙，但價(jià)格較貴也不好買，我用的是背膠紙中光面的底層紙，效果很好，賣電腦耗材的地方都能找到。將打印到轉(zhuǎn)印紙上的圖形轉(zhuǎn)印之前先將敷銅板用橡皮擦干凈然后再轉(zhuǎn)印，這樣可以保證轉(zhuǎn)印質(zhì)量。轉(zhuǎn)印時(shí)有條件的使用熱轉(zhuǎn)印機(jī)，我用的是老式電熨斗，因?yàn)槔鲜诫婌俣返陌l(fā)熱板比較厚重，而且很平，保溫比較好。將轉(zhuǎn)印紙對(duì)齊蓋到敷銅板上，打開電熨斗，使其溫度上升到大約150℃，用熨斗來回熨轉(zhuǎn)印紙20秒左右，等敷銅板稍微冷卻一下之后慢慢從邊角撕下轉(zhuǎn)印紙，這時(shí)墨就印在了敷銅板上。腐蝕：做得如果是單面板則直接將印好的敷銅板放在三氯化鐵溶液中腐蝕，如果是雙面板則在還未轉(zhuǎn)印的一面上貼上膠帶保護(hù)，然后再放進(jìn)三氯化鐵溶液中腐蝕。腐蝕時(shí)最好保持溶液的溫度在30℃以上，而且要不停的搖晃容器加速腐蝕。做雙面板時(shí)，腐蝕好一面以后，在邊上給幾個(gè)離的比較遠(yuǎn)的焊盤打孔做定位孔，將另一面的轉(zhuǎn)印紙按照定位孔對(duì)好后，用熨斗將其印在敷銅板上，腐蝕時(shí)將腐蝕好的一面用膠帶貼好保護(hù)，待腐蝕完后，一塊完整的雙面電路板就做好了，自己制作電路板不可能給過孔沉銅，所以過孔用硬線兩邊焊接進(jìn)行連通，達(dá)到與沉銅同樣的效果。因?yàn)殡娐分写罅坎捎觅N片元件，尤其是PCM2702與TA2024的引腳間距只有0.65mm，所以焊接時(shí)更應(yīng)注意技巧。焊接貼片電阻電容時(shí)，先將電路板處理干凈，給一個(gè)焊盤鍍上錫，將貼片元件先按住，然后將