TA2020制作功放.pdf
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1、 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
2、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
3、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
4、 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
5、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
6、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
7、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,
8、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
9、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
10、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(
11、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
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