用TA2020打造精致桌面功放 精致, 功放

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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8.5~14.6V。
典型值是12V。4Ω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，8Ω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：


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200Ω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10Ω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20Ω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。
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。
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。