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。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。

　　

 

　　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

　　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6Ω(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。

　　

 

　　图6(b)1kHz正弦波响应

　　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。

　　

 

　　图7 TA2020功放板的幅频响应曲线

　　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

　　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!