距離筆者上一款功放的完成已有大半年的時(shí)間了，在這期間，采用TA2024的那款功放性能一直十分穩(wěn)定，唯一的不足就是輸出功率偏小，特別在搬到室外使用時(shí)，要推動(dòng)一對(duì)60W的無(wú)源音箱就顯得力不從心。而且筆者一直沒(méi)能給它找到合適的外殼，裸板工作著，讓人很沒(méi)有安全感。于是，我開(kāi)始琢磨制作一款功率更大的D類功放，并且為它配了一個(gè)漂亮的外殼。
想來(lái)想去，沒(méi)能找到什么合適的方案，筆者之前所知的D類功放大多為平板電視機(jī)設(shè)計(jì)，功率在一二十瓦，制作我需要的功放，輸出功率不會(huì)有大的提升，當(dāng)然也有類似TAS5630這種號(hào)稱輸出功率能達(dá)到600W的，但無(wú)論是元器件還是電源的價(jià)格，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了筆者的支付能力。正在猶豫不決之時(shí)，偶然看到了《無(wú)線電》2010年第3期的套件制作文章——MINI USB AMP，套件中將雙通道D類功放TPA3121用于橋推形式，大大提高了輸出功率。沒(méi)等細(xì)讀完文章，筆者就迫不及待地開(kāi)始設(shè)計(jì)電路了，筆者手頭正好有幾片TPA3123和TPA3124，朋友送的TI樣片。
電路簡(jiǎn)介
TPA3123/4是TI公司推出的雙通道D類音頻功率放大器，其中，TPA3123電源范圍比TPA3124略寬，每聲道輸出功率比TPA3124大，而外圍電路完全一樣。用于雙通道放大時(shí)，TPA3123每聲道最大輸出25W（TPA3124為15W），需要加大容量的隔直電容。而用作BTL形式輸出時(shí)，理論上輸出功率能達(dá)到雙通道輸出的4倍。如果忽略MOS管壓降，當(dāng)電源電壓19V（筆記本電腦電源）時(shí)，可以估算得在6Ω負(fù)載上獲得的功率能夠達(dá)到30W，24V的電源電壓下將近50W，顯然，這個(gè)輸出功率是讓人滿意的。
圖1 TPA3123/TPA3124橋推輸出原理圖
圖1給出的是TPA3123用作橋推輸出的原理圖，外圍電路十分簡(jiǎn)潔。圖中將17、18引腳上拉到高電平，每通道電壓增益為36dB，約63V/V，則BTL形式輸出時(shí)電壓增益約為126V/V。需要注意的是，TPA3123的輸入阻抗隨增益設(shè)定的改變有很大變化，所以耦合電容容量需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選取。按圖中設(shè)定的增益，輸入阻抗約9kΩ，選取1μF的耦合電容，可得下限頻率約18Hz。
圖中的J1為開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制TPA3123的SHDN引腳實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)機(jī)操作。再看看輸出級(jí)LC濾波電路，單從電容、電感的參數(shù)就能看出，TI公司的D類功放低通濾波上限頻率比TA202X系列的要低，這可能是造就TI公司D類功放高效率的重要原因。從數(shù)據(jù)手冊(cè)上可以查知，TPA3123在輸出功率較大時(shí)，效率高于90%。
圖2 運(yùn)放組成的單端轉(zhuǎn)差分電路
圖3 電源電路
說(shuō)了這么多，差點(diǎn)忘了電路的一個(gè)重要組成部分，那就是輸入端的單端轉(zhuǎn)差分電路。由于BTL形式的放大器的兩個(gè)輸入端輸入的是互為反相的信號(hào)，而一般的音頻信號(hào)為單端共地信號(hào)，因此需要一個(gè)電路實(shí)現(xiàn)單端轉(zhuǎn)差分功能。最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法是使用一個(gè)雙運(yùn)放，其中一個(gè)作為同相比例運(yùn)放，一個(gè)作為反相比例運(yùn)放，并使其放大倍數(shù)分別為1和-1即可。但是這種方法使用的電阻阻值不一致，很難保證輸出信號(hào)的良好對(duì)稱。筆者借用了《無(wú)線電》2010年第3期那篇文章中介紹的方法，一個(gè)運(yùn)放用作跟隨，另一個(gè)用作反相放大，電路如圖2所示。由于使用的電阻阻值一致，比較容易做到輸出信號(hào)的良好對(duì)稱性。
最后需要提一下電源電路。筆者個(gè)人認(rèn)為，給工作在小信號(hào)處理狀態(tài)的運(yùn)放加上線性穩(wěn)壓電路是很有必要的，所以這里選用高性能的低壓、單電源運(yùn)放OPA2353，并使用7805穩(wěn)壓為其供電。電源電路如圖3所示，由于TPA3123的工作電壓高（可以高達(dá)30V），串接一個(gè)電阻降壓很有必要。
元器件選擇
每一次的制作中，元器件的選擇這一項(xiàng)是至關(guān)重要的，因?yàn)楹线m的元器件不僅是電路安全穩(wěn)定工作的前提，在音頻電路中，更會(huì)直接影響聽(tīng)感。
在以往的制作中，出于價(jià)格的考慮，筆者往往本著實(shí)用的原則選用器件，而這回摒棄了這一原則，也小小地“發(fā)燒了”一把。
首先是級(jí)間耦合電容，首次使用了好評(píng)如潮的紅色WIMA，而輸入耦合電容、+5V電源退耦電容全部使用貼片鉭電解電容。值得一提的是，單端轉(zhuǎn)差分電路中用到運(yùn)放，來(lái)自TI的高性能低電壓滿幅運(yùn)放OPA2353，2.7~5.5V的單電源電壓，低至0.0006%的THD+N以及高達(dá)22V/μs的壓擺率，在單電源運(yùn)放中絕對(duì)是首屈一指的。最后說(shuō)句實(shí)話，盡管在這些器件上“發(fā)燒”了一把，但究竟性能有多大提升，或者說(shuō)帶來(lái)的提升是否感覺(jué)得到，筆者是不得而知的。
接下來(lái)是濾波電感，成品的電感在這種大電流情況下不太可能符合要求了，所以只好自己繞制。筆者選用了鐵硅鋁材料的磁環(huán)，商家介紹這種磁環(huán)頻率高、不易飽和。買回去不同尺寸的磁環(huán)，最后通過(guò)邊繞邊測(cè)的方式，確定了如下的制作方法：鐵硅鋁磁環(huán)外徑13mm、內(nèi)徑7mm，銅線直徑0.8mm，匝數(shù)為18匝，實(shí)測(cè)電感為21μH左右。
最后需要注意的是濾波和退耦電容的選取。因?yàn)殡娫措妷狠^高，一定要注意電容的耐壓。筆者打算使用筆記本電腦電源（19V），主濾波電容選用470μF/25V的鋁電解電容。當(dāng)然，如果PCB空間允許，容量可以選得更大一些。另外要注意AVVC端的退耦電容C9，如果使用貼片的鉭電解電容，耐壓很難做到很高，因此，在這里用1210封裝的10μF瓷片電容代替。電路中其他元器件的選用可以參看實(shí)物圖。
圖4 PCB布線圖
PCB的設(shè)計(jì)
這一環(huán)節(jié)無(wú)疑是音頻類電路制作中最具技術(shù)含量的。低速數(shù)字系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)大概只要連通了就能正常工作，而音頻功率放大器的PCB上，也許僅僅由于一條走線的變化就可能引入噪聲。筆者看過(guò)許多經(jīng)驗(yàn)豐富的發(fā)燒友談?wù)揚(yáng)CB的設(shè)計(jì)問(wèn)題，覺(jué)得涉及的很多方面的知識(shí)是沒(méi)法用理論很清晰地表達(dá)出來(lái)的，唯有多次的實(shí)踐，才能逐步掌握其中的技巧。圖4給出的是筆者設(shè)計(jì)的PCB圖，每一條連線都是通過(guò)反復(fù)考慮才確定下來(lái)的，完成這塊PCB的布局布線，花了我整整一天的功夫。
這個(gè)電路的PCB將信號(hào)線盡可能地放到頂層，用來(lái)保證底層地平面的完整，而頂層沒(méi)有采用大面積敷銅接地的方式，而是將大小信號(hào)地分開(kāi)，分別接到電源地。為了TPA3123的散熱良好，需要在頂層和底層盡可能地留出大面積銅箔，并在芯片底下放置導(dǎo)熱通孔。考慮到溫度升高對(duì)運(yùn)放電路的影響，在底層的兩級(jí)電路之間用電源線將地平面隔開(kāi)，用作熱隔離。另外需要注意的是，運(yùn)放級(jí)的輸入信號(hào)是很微弱的，由R10、R11分壓產(chǎn)生的Vref是運(yùn)放的參考地，所以應(yīng)采用單點(diǎn)連接的方式將信號(hào)線接到Vref端。
 
圖5 PCB實(shí)物圖
圖5給出了加工好的PCB實(shí)物圖片，由于外殼的尺寸限制，省去了音量電位器。
焊接與試聽(tīng)
原則上，電路是要先焊接好一個(gè)聲道，測(cè)試了沒(méi)問(wèn)題才繼續(xù)焊接的，但是筆者忍不住內(nèi)心的激動(dòng)，一次性焊完了所有的元器件（相信大多數(shù)愛(ài)好者經(jīng)常也有這種沖動(dòng)），焊接完成的PCB如圖6所示。
圖6 焊接好的PCB實(shí)物
焊接完成后，檢查一下電源有無(wú)短路、電解電容極性是否裝反，確認(rèn)無(wú)誤后就可以通電了。通上電源后，看看是否有芯片過(guò)熱等現(xiàn)象，如果沒(méi)有，再用萬(wàn)用表測(cè)一下輸出端的直流電壓是否為零，如果是，就可以接上揚(yáng)聲器。圖7給出了測(cè)試的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)拍。
圖7 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)實(shí)拍
接上揚(yáng)聲器后，沒(méi)有任何反應(yīng)，筆者以為是開(kāi)關(guān)沒(méi)有打開(kāi)，于是用短路帽將SHDN引腳拉至高電平，結(jié)果還是沒(méi)有反應(yīng)。正當(dāng)筆者繼續(xù)檢查是否存在故障時(shí)，不小心碰到了輸入端，揚(yáng)聲器里立即傳出了刺耳的噪聲。筆者欣喜若狂，將耳朵貼到揚(yáng)聲器上，確實(shí)完全聽(tīng)不到噪聲，就像沒(méi)有工作一樣。由此看來(lái)，PCB上下的功夫沒(méi)有白費(fèi)，這款功放在底噪的抑制上做得相當(dāng)不錯(cuò)了。
接著，將MP3音量調(diào)小，輸入MP3音樂(lè)信號(hào)，揚(yáng)聲器里傳出干凈、清晰的聲音，逐漸調(diào)大輸出音量，音量等級(jí)大概在25（總音量 分32級(jí)）的時(shí)候，聲音已開(kāi)始變得混濁，音箱明顯快扛不住了。而此時(shí)的輸出功率，足以用于家庭影院（筆者在6樓的陽(yáng)臺(tái)上試聽(tīng)，能引來(lái)1樓方圓20m內(nèi)鄰居的關(guān)注）。
值得注意的是，由于功放部分的電壓增益超過(guò)120V/V，加上單端轉(zhuǎn)差分電路2V/V的增益，整機(jī)增益高達(dá)240V/V，所以輸入音頻信號(hào)電平值一定要足夠低，否則很可能瞬間輸出過(guò)大而損壞揚(yáng)聲器。
接下來(lái)，將音源改為電腦的內(nèi)置聲卡輸出，將音頻線插入電腦耳機(jī)插孔，揚(yáng)聲器里傳出明顯的噪聲，只有當(dāng)音量調(diào)大時(shí)方能將噪聲掩蓋。換上筆者以前用PCM2912制作的聲卡，則完全聽(tīng)不到噪聲。這一區(qū)別在平時(shí)使用普通耳機(jī)時(shí)聽(tīng)不出來(lái)，使用普通的小功率有源音箱也聽(tīng)不出來(lái)，而換成高增益的大功率功放，則將噪聲放大到很明顯的水平了
長(zhǎng)時(shí)間的試聽(tīng)后筆者發(fā)現(xiàn)，在大功率工作時(shí)，TPA3123的發(fā)熱還是比較大的，測(cè)試當(dāng)天氣溫在33℃左右，中間由于芯片過(guò)熱保護(hù)，出現(xiàn)了一次自動(dòng)停機(jī)現(xiàn)象。為了功放的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，筆者在芯片底下的PCB上焊接了一塊銅片充當(dāng)散熱器，如圖8所示。
 
圖8 增加的銅片散熱器 圖9 加工好的外殼
組 裝
加工好的外殼如圖9所示。外殼為鋁合金材料，尺寸為100mm×70mm×25mm，背板上裝輸出接線端子，面板上只有輸入端子、開(kāi)關(guān)、電源接口以及工作指示燈。PCB的尺寸是嚴(yán)格按照外殼尺寸設(shè)計(jì)（70mm×76mm），寬度上正好插入外殼內(nèi)部的槽中，長(zhǎng)度上空出的一截裁剪一塊洞洞板來(lái)填充。
圖10 準(zhǔn)備裝入外殼的PCB
 
圖11 組裝完成的功放外觀
圖10中紅色的小開(kāi)關(guān)是筆者費(fèi)了不少時(shí)間才找到的，產(chǎn)自中國(guó)臺(tái)灣，質(zhì)量非常不錯(cuò)。最后就是將PCB插入外殼，這一步需要注意的是，盡量使銅片散熱器保持平整，并調(diào)整其高度，使其能夠緊貼在外殼上，以利于散熱。由于散熱器和輸入端子的外殼都是接地的，在這里不需要考慮絕緣的問(wèn)題。圖11為組裝完成的功放，如此纖小的體積，很難想象它能迸發(fā)出驚人的強(qiáng)勁功率，同等輸出功率的AB類功放，大概僅散熱器就有五六個(gè)這么大吧。
結(jié)語(yǔ)
寫下這篇文章的心情是異常興奮的，迫不及待地想與讀者分享成功的喜悅。做了不少的音頻功放，這次稱得上是像模像樣的，盡管沒(méi)有作類似上一次的波形測(cè)試，但是它令人滿意的聽(tīng)感、極低底噪以及強(qiáng)勁的輸出功率，讓筆者感受了極大的制作樂(lè)趣。 |
