USB有源数字功率放大器的制作

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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4

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８KHz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

2．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。

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图3 TA2０24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

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流通，反而影响散热效果。

图5 功率放大电路

3．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12m ｍ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