TA2020制作功放.pdf

1 用 TA2020 打造精致桌面功放 现如今 D 类功放以其高效率已经风靡天下。在众多的 Class-D 功放芯片中，尤其以Tripath 公司生产的 D 类功放芯片 TA2024、TA2020 和 TA2022 受到网友和业内的一致热捧，甚至有人将其称为 T 类功放。取自 Tripath 公司的首字母T。三款芯片是同一系列的芯片，电气参数都差不多，只是输出功率有稍许不同，考虑到输出功率和电源系统的复杂度等诸多因素，笔者决定采用 TA2020 来打造一款属于自己的桌面功放。一、TA2020 简介 TA2020 这款集成音频功放芯片在网上已经有很详细的资料，在此笔者就不再赘述，只稍微介绍一下其特性：TA2020 工作在单电源 8.514.6V。典型值是 12V。4负载输出功率为 10W 是其 THD+N 仅为 0.03%；在输入对地短接的情况下其输出噪声电压只有 100V；D 类功放的高效率让 AB 类功放望尘莫及，8负载输出 12W 的情况下其效率可高至 88%.在没有散热片的情况下仍可正常工作；动态范围103dB,堪比高保真音响；设置了静音和关断模式引脚，关断状态的静态电流仅为 0.25mA;开关机时的砰砰声抑制系统，可有效保护扬声器，延长扬声器的使用寿命；过流过热保护；桥式推挽输出和易于焊接的 32 脚 SSIP 封装。二、电路原理 整机电路如图 1 所示。芯片的 10 脚和 12 脚为音频输入引脚，严禁有直流输入，否则会影响其静态工作点，输入端要有耦合电容隔掉直流。电阻 R1、R2、R3、R4 决定芯片的增益。R1 和 R3 为输入衰减电阻。电路的输入电阻即可认为是 R1、R3 的阻值；R2、R4 为输入反馈电阻，芯片增益的计算公式为：图 1 整机电路原理图 数据手册上对 R1、R2、R3、R4 的推荐值是 20K,这样通过上式可计算出电路电压增益是 12 倍，输入电阻是 20K.由此可推算出 4 负载情况下要想满负载输出（20WX2），输入音频方均根电压值应为：2 芯片 30 脚为内部基准 5V 电源引脚，向外部提供 5V 电压。分别提供给 2 脚（内部数字 5V 电源）和 8 脚（内部模拟 5V 电源）使用。PCB 板设计时都要分别在尽量靠近这三个引脚的地方放置一个低等效串联电阻（RES）的退耦电容。这样才能使芯片工作于最佳状态。6 脚为芯片输入过载指示引脚，当芯片输入过载时引脚电平被置高，但是其输出电流不能驱动 LED 发光，故要外加 LED 驱动，作为输入过载指示。14 脚为输入端电压偏置引脚，将输入引脚端电压偏置在大约2.4 V,故在使用极性电容作为输入耦合电容时应将电容正极朝向芯片。芯片17 脚为关断引脚，低电平有效，这里借用单片机系统中的上电复位电路，这样使芯片延迟启动，减少启动的瞬态冲击电流，有效减小开机砰声。保护扬声器。18 脚为输出过载和短路指示引脚，高电平有效。该引脚可串接一个最小 200的电阻驱动 LED 发光，把此脚和 11 引脚（静音）短接可在出现输出短路的情况下关断芯片。保护芯片。21、23、24、26 引脚分别为左右声道的差分输出引脚。29 脚为升压电荷泵输出引脚，标称值是比电源电压高 10V 左右，实测芯片正常工作时 12V 电源电压下该引脚的电压为20V.31 脚和 32 脚为升压泵开关引脚，32 脚上为300kHz 方波。幅度处于电源电压和地之间（实测12V 电源电压情况下为 6V），31 脚上幅度标称值比 32 脚高 10V,但频率相位均与 32 脚相同，在 31 和 32 脚之间靠近引脚的地方跨接一个 104 的低 RES 电容，此电路中使用瓷片电容。和大多数的 D 类功放一样。在芯片的输出端要加 LC 低通滤波器。以滤除高频杂波，避免高频杂波在扬声器上的热消耗，保护扬声器。提高芯片效率；与此同时。在也要加上茹贝尔消振回路（图中 C15 和 R7、R8 的串联网络），防止自激。由于贴片 1206 封装的 10电阻只能达到 1/4W,而此网络中要求至少 1/2W 的电阻。故笔者使用两个 1/4W 的20的电阻并联，以达到要求。在输出端靠近扬声器的地方要跨接一个 104 的电容，以抵消扬声器线圈的感性负载。为了避免扬声器的反馈电流倒灌入芯片。在芯片的每个输出脚靠近管脚的地方反向对地跨接一个肖特基二极管。以吸收扬声器负载的反射电流。肖特基二极管要尽量靠近芯片。电源滤波电容有两个作用，一是给芯片工作提供瞬态大电流，二是滤除电源杂波，使声音更干净。滤波电容的选取方法：在给电源端并联大电解电容的基础上在并上几个小的瓷片电容。滤除电源的高频杂波，在此笔者推荐使用多个小电容并联，以最大限度的减小电容的 RES,达到更好的效果。另外要在芯片的每个电源端跨接一个 104 的退耦电容到地。以消除自激。实际 PCB 布局中的电容分布并不像笔者原理图中表示的那样所有的电容均跨接在电源输入点，而是在芯片的每个电源引脚上都放置了一个 104 的退耦电容。三个 LED 指示灯，D1 1 是输入过载指示，D12 是输出短路（包括输出端两端短路、输出对地短路和输出对 VCC 短路）指示。D13 是电源指示灯。三、元器件选择 元件清单如表 1 所示。3 表 1 元件清单 四、PCB 布局布线 PCB 布线采用双层布线，以减小EMI 干扰，保证音质。4 D 类功放对 PCB 布线的要求不像 AB 类功放那样苛刻。但是，D 类功放的布线除了解决通常的地线问题外，由于其内部的高频率开关信号的影响，故还要考虑 EMI 的问题。输入要尽量和输出线、电源线远离，必要时还要加上隔离措施。输出线要尽量短而直。减小 EMI 干扰。输出线要流过 2A 左右的电流，要将线宽设在 1mm 以上。笔者在输入引线的两侧都放置了一排通孔，以屏蔽外界干扰；把输入和输出引线布局在不同的层面，也是能够最大限度的减小输出大电流对输入信号的干扰。得益于 TA2020 的设计巧妙。很多功能都被集成在芯片内部，只需很少的几个外围元件即可。外围电路不是很复杂，故对整个 PCB 板使用大面积接地即可。最终交由制版厂家做出的 PCB 版图如图 2 所示。图 2(a)PGB 板顶层 图 2(b)POB 板底层 五、焊接 笔者使用 35W 外热型电烙铁进行了焊接，由于本次制作大量使用了表贴元件。增加了焊接难度。焊接贴片元件时一定要非常小心。尤其是在焊接输入耦合钽电解电容时要特别注意电容的极性。在焊接输出滤波电感、电源接口、输入接口和输出接口时焊接时间最好长些。好让焊锡通过元件的引脚插孔流到另一面。增加焊接牢固性。芯片每个引脚的焊接时间不要超过 5S.以免温度过高烫坏芯片。D 类功放的高效率使得在设计中使用一个很小的散热片即可。但散热片要紧贴芯片背面裸露的散热铜片。可使用小螺丝加以固定，散热片要在电气上可靠的接地。焊接完成的功放板如图 3、图 4 所示。图 3 芯片 TA2020 特写及焊接完成的功放板正面 图 4 焊接完成的功放板反面及反馈电阻局部放大图 由于笔者疏忽。将反馈电阻 R2 和 R4 的位置画错了，故笔者在焊接时直接将 20K 的反馈电阻分别直接焊在了芯片的 9 脚与 10 脚和 12 脚与 13 脚两个引脚之间（如图 4 所示），采取了补进措施，芯片正常，但是在 PCB 板子上却磐下了一个很不好的污点。六、主观试听 5 焊接完成后，笔者迫不及待的想要一睹笔者亲手打造的桌面功放的风采。在确保每个焊点都正常、每个元件都焊接无误，用万用表测试电源没有对地短路的情况下，便通电试听了。笔者先用了一个廉价的喇叭作炮灰（不舍得自己宝贵的无源箱子），无输入的情况下（输入端悬空）竟然没有一点低噪！怀疑是喇叭灵敏度太小，先不管。检测输出端直流电压。左声道 1 7mV.右声道 2.8mV,正常范围，输入 mp3 时有音乐放出，看来一切正常，这下就可放心的接上我的箱子了。笔者的无源箱子是笔者在佛山实习的时候购得，没有铭牌，只标明了频响 50Hz 一16kHz.低音单元口径 5 英寸，阻抗 6（由笔者后来自己测试得到），功率 40W;硬模反球顶高音单元，声音纯正，标准的书架音箱配置，如图 6（a）所示。笔者可以说是对其一听如故，把实习补贴的余下的钱全都砸到这对箱子上了。接上箱子，无输入的情况下把耳朵贴在箱子的喇叭旁边，仍几乎听不到任何底噪！着实令我很惊讶！这么一款芯片竟有如此好的性能！插入 CD,放出了我的最爱一 beyond的海阔天空，那磅礴的气势铺面而来，将低音鼓和贝斯声表现的淋漓尽致，黄家驹的高音也刻画的完美至极！基于摇滚歌手张震岳的爱我别走改编的阿岳正传主题曲前奏的高音和低音结合体对功放是绝佳的考验。接上之后试听，其高音表现的令人非常满意，穿透力很强，低音也堪比市面上 500 块钱的 2.0 声道音响。图 5 1kHz 正弦波单端输出波形 图 6(a)双端输出测试现场，右边为笔者 的无源箱子 七、客观测试 由于是自己亲手打造，主观试听多少会有点主观因素在里面。为了对它的综合性能进行一个全方位的测试。笔者将其搬到了实验室。笔者用 DSl022C 双通道数字采样示波器先对功放输出单端测试，输入 5Q0mVpp 的正弦波，测试现场如图 5 所示，示波器上显示出了完美的反相的两条正弦波。单端输出测试完毕。笔者测试了 10Hz 到 80kHz 数个典型的频率值的 500mVpp 的正弦波双端输出波形，1 kHz 正弦波的输出波形如图 6（b）所示。6 图 6(b)1kHz 正弦波响应 图 7 TA2020 功放板的幅频响应曲线 由得到的数据可以画出此功放的幅频特性曲线，如图 7 所示，可见在整个音频频率域内功放的增益非常稳定，可贵的是在 10Hz 的情况下功放增益还能达到 1 1.76 倍，只是在20kHz 时增益有些偏小。由于输出 LC 低通滤波器的谐振点在 70kHz.故输出在 70kHz 时达到谐振，增益最大（14.24 倍），但是效率已经很低，从芯片的发热程度可以表现出来。笔者又对其进行了方波测试，分别取 200Hz、1kHz、10kHz、20kHz、70kHz 这几个频点进行了测试。输出波形如图 8 所示。10kHz 以下的频点上响应波形还很完美，频率达到 20kHz,由于输出端 LC 低通滤波器的缘故，已经明显失真了。在 70kHz 时已经完全变成了正弦波。图 8(a)1kHz 方波响应 图 8(b)70kHz 方波响应 八、结束语 自己亲手打造的精品功放现在正在使用当中，她每天都带给我完美的听觉享受。这个的功放没有使用任何发烧器件，却仍然表现出了其优越的性能！试听数字功放 TA2020 感受 家中的功放是胆机，现在天热，刚开机一会，机器就热的不行，感觉费电也不少。正好朋友手中进了一台乐派的汽车功放，成本价 60 元拿回来一台。芯片是当下热议的数字功放 TA2020-020，用开关 12V 电源试机，感觉竟然不输给我的胆机。但还是有差别的。具体如下：1、中高音，特别是人声比较出色，但低音稍差。2、单电源，超低的功耗，连续开机 2 个小时，小散热器只是微热，感觉有点不可思议。3、最好用 12V3A 开关电源，试着用传统的变压器电源，感觉不如开关电源音质，我是木耳多少也能听出来。4、能推 8 吋箱，感觉推 5.25 吋应该是绝配。社会在发展，特技在进步，在试听了一段时间后，我已决定让我的电子胆管功放下课了，音质不输胆机，不输 LM3886。7 T 类功放设计、制作（TA2024、TA2020、TA2022 等）什么是 T 类 T 类是 Tripath 生产的具有 D 类功放效率、同时音质媲美 AB 类功放的新功放类型（详细工作原理请参考 Tripath 官方资料）。所谓 T，就是取 Tripath 首字母。目前最多被 DIYer热捧的有 TA2024、TA2020 和 TA2022 等型号；在成品机中，Sonic Impact Technologies早在 2003 年就有 T-AMP 推出。T 类功放电路（TA2024 篇）TA2024 的电路板设计 在电路中，Pin1（5VGEN）是芯片输出其内部产生的 5V 基准电源，电阻分压后得到约2.4V 偏压，通过 1M 左右电阻接输入管脚，调节分压电阻，就可以调节输出的直流电平（注：最佳输出直流 U00V，过大的直流电平可能引起静态噪音并导致开关机冲击声，甚至损坏扬声器）。功放输入采用比较典型的电容耦合形式，R5 和 R6 是反馈电阻，和输入电阻一起决定了功放增益 Av，例如第一个声道增益 Av112（R5/R2）。Pin12 是 MUTE（静音）控制输入引脚。将该引脚上拉到高电平（5V 逻辑）时候，处于“静音”状态；接地时候则为“非静音”，即正常工作状态。需要注意该引脚具有内部上拉，所以如果悬空不用，芯片默认处于“静音”状态。Pin19 是 Fault（出错标志）输出引脚。如果电路出现过热、输出对地短路等情况，该引脚输出高电平。将 Pin12 和 Pin19 连接起来，如果有出现上述错误，则会自动将功放置为“静音”状态，防止芯片烧毁。另外芯片还有 SLEEP（休眠）输入控制和 Over Load（过载）状态输出引脚，顾名思义诸位可以加以利用。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 类功放的输出带有高频信号。10uH 电感和 0.47uF 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”。在输出还接有 4 个肖特基二极管，靠近输出引脚，可以防止输出信号水平低于地电平，防止损坏芯片内的输出功率管。选择合适的反向击穿电压的型号，还可以防止过高的输出电平出现。TA2024 的效率和散热 TA2024 构成的电路具有 80以上的效率，在 10W（8 欧）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 芯片也设计成贴片（而不是 TO220 类型），下方有金属导热块。目前有看到市面上一些设计在 TA2024 上额外增加散热器，8 我认为这个根本无助于散热，因为TA2024 的芯片晶体是贴在下表面金属块上的，发热传导到上方很少，也很慢，在芯片上方增加散热器反而导致空气不流通，影响散热效果。TA2024 芯片封装：那么什么情况下加散热器有效呢？看看这个芯片封装：金属散热块在上方，才是适合外加散热器的。TA2024 实做 合理的布局不仅有助于布线的简化，还可以提升 T 类功放品质。一般的原则是严格区分电路上的功能模块：输入、输出、电源等。另外 PCB 需要留出足够的空间来帮助芯片散热，大面积铺铜，同时阻焊开窗（露铜），作为散热用。请参考实物图：细节图片：组装完成品 1：完成图 2：T 类功放电路（TA2022 篇）如果说 TA2024 的功率和输出（4 线形式）是短板，那 TA2022 绝对是你的不二选择。70W 4（0.015%THD+N），最大达到不小于125W 每声道输出。这么大的功率已经不再可能用 12V 供电，所以是双电源，可以使用最高正负 36V 的直流电源，另外额外需要一组5V 基准供电。保证了大幅度输出和高品质音质。而且效率也保持在 90%左右。TA2022 的晶体封装在大块的厚铜基板上，保证良好导热，实际使用，不需要很大的散热器就可以工作。TA2022 实做图片 9 T 类功放电路（TA2020 篇）TA2020 功放实做 TA2020-020 芯片封装类似 TA2022，前者却可以工作于单电源。功率较 TA2024 大一些，可达到 20 多瓦4 欧。观察 2020 的输出可以发现和 2024 很相似，甚至可以认为 2020 是 2024 的增强版本，供电上限到了 14.6V，功率达到了 25W 最大。另外，对于焊接新手来说，相对 2024 的贴片封装，2020 的 SSIP 封装可以说是一个福音。乐派 LP-2020（TA2020-020）小功放改进及手绘外围电路图 乐派 LP-2020 小功放便宜好用，确实不错，听感也好，低音量足，感觉松软，很舒服。有几点不足：1、开、关机有冲击声（本人把供 IC 电源开关改为静音控制开关，IC 在由静音转为工作时还是有一点冲击声）。2、用料一般。也有几个亮点：1、有电源反接保护。2、有超压保护（DC14V）。3、18 脚的故障输出取得巧妙，利用 IC 故障时的高电平输入到 11 脚，使电路静音。本人的改进：1.在手绘图上，把 K 处开关短接，开关接在 TA2020 第 11 脚出去的 1K 电阻与 C945 集电极之间（印板上有预留的焊点，06 版的 LP-2020 开关正是接在此处），这样开关就直接成了静音功能的开关。2.在超压保护部分，在 14V 稳压管上并一个 100U 的电解，这样构成了一个开机静音、延时开启的功能，实测 3 秒左右（开关开启状态）。3.把 4558 运放焊掉，换上一个 8 脚运放插座，方便更换运放。10