PCM2902音频数字解码电路制作耳机放大器

PCM2902音频数字解码电路制作耳机放大器,PCM2902 application

作者：吴红奎 吴红静 耳机放大器虽然输出功率不大，业余条件下要做好也并不容易，为了达到理想的水准，很多耳机放大器采用了分立元件，因为输出功率不大，采用A类放大器的不在少数，这在业余条件下并不容易做好，下面介绍的耳机放大器采用TI公司出品的专门的耳机放大器集成电路，适合业余条件下自制，也初步具备了专业素质。
　　一、主要特点
　　耳机放大器的主要特点是：
　　全集成电路整体解决方案，包括电源、音源、驱动、功放等耳机放大器所需要的全部电路。
　　采用常见的数字音源输入方式：
　　S/PDIF和USB，适应家用和电脑多媒体音源。
　　可以采用USB总线供电而无需额外的电源。
　　低失真(O.005％)、大动态(93dB)、高信噪比(93dB)；具备键控式电子音量控制和静音控制功能。
　　电流反馈式差分输入功放级，具备超过120dB的动态范围和信噪比以及0.00014％的超低失真。
　　二、电路原理与IC       这个电路除了S/DIF接收电路外全部采用了TI(Texas Instruments，德州仪器)出品的集成电路组成，包括输入及其DAC电路、不平衡转平衡线路放大器、平衡输入方式功率输出级、电源电路几部分，S/PDIF光纡方式的数字信号接收由东芝公司出品的集成化接收组件TROX173完成，S/PDIF同轴方式的数字信号接收由SN75179完成，其余大部分接收和编解码功能全部由TI公司出品的PCM2902完成，包括USB输入、模拟输入、S/PDIF数字信号的编解码、ADC(模数辕换器)、DAC(数模转换器)以及模拟滤波器等。
　　整个系统共采用9个7种集成电路，总电路原理图参见下图。
　　1.输入及DAC电路
　　输入及DAC电路由PCM2902、TORX173、SN75179组成，下面分别叙述它们的特点及功能：
　　TORX173是常用的光纤信号集成化接收组件，外围电路简单，输出为TTL电平方式，5V电源供电，工作电流最大为40mA，数据接收速率最大不超过6Mb/s。
　　SN75179是，TI出品的低功耗差分收发器，满足TIA/EIA-422-B、TIA/EIA-485-A、和ITU V.11的标准要求，接收灵敏度为±200mV，工作电源电压5V，采用DIP8封装形式，可用SP490E等型号替代。
　　PCM2902是单片式USB界面立体声音频编解码器，自动识别转换USB、S/PDIF、模拟输入，带有S/PDIF输出接口，全速USB1.1传输界面；集成ADC和DAC，采用TI的SPACt TM结构体系(一种从USB数据流恢复音频时钟信号的技术结构)，片上模拟锁相环(PLL)，独立的录音、重放采样速率。
　　本电路只使用了PCM2902的USB输入、S/PDIF输入方式，模拟输入闲置未用。
　　PCM2902的主要特点和技术性能如下：
　　● 双通道16位△-∑ 数模转换器(DAC)和模数转换器(ADC)。其中DAC支持常见的32、44．1、48kHz采样速率，ADC支持8、11．025、16、22．05、32、44．1、48kHz的采用速率；
　　●单电源供电方式，典型应用采用USB总线5V供电；
　　●HID接口实现音量、静音和待机控制；
　　●片上DAC主要技术指标：
　　●模拟音频性能：THD+N=0．005％；SNR(信噪比)=93dB；DNR(动态范围)=93dB；
　　●片上超取样数字滤波器：带内不均匀度=±O．1dB；转折频率衰减能力=-43dB；
　　●片上模拟低通滤波器；
　　●单端电压输出方式。
　　下图为PCM2902的内部功能框图。
　　为了获得更好的性能，采用了超低噪音LDO(低压差稳压器)TPS79901为PCM2902供电，其输出电压按图1中的数值为3．6V，调整R9和R8的数值可以调整输出电压。 2．不平衡转平衡线路放大器
　　DRV134PCM2902为不平衡输出方式，而后级耳机放大器TPA6120A2采用的是平衡输入方式，为了实现前后级匹配，本电路采用了TI旗下的Burr-Brown公司的平衡式音频线路放大器DRV134。DRV134为不平衡输入、平衡输出方式线路放大器，集成了设定增益所需要的电阻而无需担心外围元件选择不当导致的通道平衡问题，增益固定为6dB该器件，8引脚封装，其内部等效电路如下图所示。
　　由下图可以看出DRV134包含了我们通常需要3个运算放大器完成的电路功能：输入缓冲放大和平衡方式线路放大器。DRV134的主要特点和技术性能如下：低失真：THD+N=0．0005％；高转换速率：15V/μs；宽电源电压：±4．5V～±18V；低功耗，静态电流为±5.2mA；CMRR(共模信号抑制比)：68dB；PSRR(电源电压抑制比)：110dB；输出失调电压(差分输出端)：±1mV典型值，最大不超过±10mV。
　　如果想采用运算放大器，可以采用一个双运放组成双通道输入缓；中放大，一个四运放组成双通道平衡式线路放大器，如Burr-Brown公司的低噪音系列音频运放OPA2134(双运放)和OPA4134(四运放)。
　　3．平衡输入方式功率输出级TPA6120A4
　　TPA6120A4是电流反馈式高保真耳机放大器，其主要特点和技术性能如下：
　　●宽电源电压范围：±5V～±15V，各通道独立供电；
　　●工作电流(VCC=±15V，每个通道，最大值)：15mnA；
　　●±12V供电条件下以80mW功率驱动600Ω负载而THD+N典型值为0．00014％；
　　●IMD(瞬态互调失真)　0．00014％，典型值；
　　●DNR(动态范围)和SNR(信噪比)：120dB；
　　●2V/V增益条件下输出噪声典型值为5μV；
　　●SR(转换速率)：1300V/μs；
　　●CMRR：100dB；
　　●PSRR(电源电压抑制比)：75dB；
　　●输入失调电压(差分输入)：2mV，最大不超过5mV。
　　●串音抑制能力(VIN=1VRMS，RL=32Ω～64Ω，RF=1Kω，fIN=1kHz)：-90dB。
　　电流反馈放大器有如下明显的优点：高达1300V/s的转换速率能够有效防止奇次谐波失真的产生；瞬态电流输出特性的速度和线性不受输出失真限制，应付大动态输出不会引起本底噪声增加或者信噪比劣化；频率响应与增益无关使放大器在全频带内都拥有一个很宽的稳定增益范围，环路增益在20dB/oct范围内不会劣化。这使得基于电流反馈构架的TPA6120A2具备低噪音、宽频带范围内的高开环增益、低失真的特点。
　　4、电源电路PTN4050A和PTN4050C
　　DRV134和TPA6021A2都需要正负双电源才能很好的工作，为了能够采用USB总线+5V电源，加入了+5转换为±12.5V电源的DC-DC电源电路。DC-DC电源转换器一般采用PWM（脉宽调制）开关电源电路，小功率应用也可以采用电荷泵（电容储能式开关电路）电路。开关电源在很宽的输入电源电压范围内具备很高的效率，但会带来电磁干扰，这也是音频放大器很少采用开关电源的主要原因之一。优化成熟的设计可以将电磁干扰降到理想的程度，这在业余条件下是不容易做得好的，为了使电路简单化，本电路采用了模块式DC-DC电源转换器PTN4050A和PTN4050C，其外围应用电路比我们常见的三端可调线性稳压器的电路还要简单，只需要一个电阻设定输出电压即可。
　　PTN4050A是输出电压可调的正至负电源转换器，输出电压由1脚和4脚间的电阻决定，其主要特点和技术性能如下：
　　输出功率可以达到6W，输出电路可以达到500mA；宽输入电压范围：2.9～7V；可调的宽输出电压范围：口3～口15V；高效率，可以达到84%；开关频率（典型值）：260kHz；输出纹波（典型值）：3%；使能控制端子和过热停机功能；输出限流和输入电压欠压停机功能。
　　PTN4050C是输出电压可调的升压式电源转换器，输出电压由1脚和3脚间的电阻决定，其主要特点和技术性能如下：
　　输出功率可以达到12W，输出电流可以达到1OOOmA：宽输入电压范围：2.95～5.5V；可调的宽输出电压范围：5～15V；效率可以达到90%；开关频率（典型值）：525kHz；输出纹波（典型值）：1.5%；PTN4050A和PTN4050C属于统一系列的产品，外形尺寸和工作温度范围相同，引脚安装方式含引脚在内外形尺寸为22×12.6×12.5mm，并且提供了无引线焊球连接安装方式，其高度降低到了10mm。 三、装配与调整
　　本电路中的主要IC都是扁平贴片封装形式，业余条件下使用面包板时装配不太方便，好在这些IC的引脚不是很多，间距也不是太小，只要具备较为熟练的焊接技术还是可以的。如果条件允许的话制作一块印板，那就更不成问题了。下面简单说一下各单元电路的外围元件选取原则和可能遇到的调试问题。
　　1、PCM2902及其它输入电路
　　PCM2902包含数字电路和模拟电路，应该注意各电源端子的退耦，退耦电容应尽量接近电源端子，一般情况下可不强求数字地、模拟地严格分开，也不用强求最后一点接地，如果使用印板仍然推荐大面积敷地以提高信噪比。
　　采用贴片元件时退耦电容尽量采用X5R类型的电容和电阻。
　　PCM2902内部已经有电压调整电路，如果要求不高，外部LDO即TPS。79901也可以不用。按照图1中元件数值，TPS79901输出端(5脚)的电压为3．6V以上，如果低于3．6V应调整一下R9的数值，但电压不要高于3．8V。
　　PCM2902多种输入方式的转换是依据优先级自动识别的，从高到低分别是S／PDIF、Analog(模拟信号)、USB，如果S／PDIF端口的连线有效，则USB、Analog不会有效，如果S／PDlF连线无效，Analog连接有效则USB无效，否则USB有效；三者只会也只能一种有效。
　　如果不需要S／DIF输入方式，图1中．的IC2(SN75179)和IC9(TORX173)及其外围电路就可以省略不用。如果想获得更好一点的性能而又不增加电路的复杂性，还可以采用不支持S／DIF输入输出功能的PCM2702，其SNR与DNR可以达到100dB；如果不考虑电路的复杂性，可以采用独立的输入输出电路和高性能DAC，如TI的PCM1792，其SNR与DNR可以达到120dB以上，全平衡输出方式可以更好的和末级耳放配合。
　　2、DRV134及外围电路
　　其外围电路极其简单，为了保证电路性能，需要主意两片DRV134电源端子应先接退耦电容然后再分别与正或者负电源连接而不是简单的连接到一起后随意接入退耦电容。
　　3、TPA6120A2及外围电路
　　首先：TPA6120A2外围元电阻的精度，最好使用1％精度的低噪音电阻，如果有数字万用表最好进行挑选，两个通道对应位置的电阻的阻值尽量接近，即R33和R37、R32和R34、R30和R36、R31和R35，R40和R41可以不用做此严格要求。
　　其次：电源端的退耦电容应该先接电容然后再分别与电源相连。
　　第三：所有外围元件力求就近与TPA6120A2的引线端连接，R33和R37优先与输入端(5脚和16脚)连接。
　　第四：TPA6120A2采用散热增强型20引脚扁平封装，底部有裸露的散热焊盘，也是TPA6120A2的接地端子，应妥善接地并且保证有一定的铜箔面积以保证散热；如果使用面包板，可以采用8～10根3厘米左右的细铜丝对称并排焊接到裸露的散热焊盘上以达到散热目的，同时可以让散热焊盘朝上以利于散热。
　　第五：关于TPA6120A2空脚的处理。TPA6120A2每边有5个共10个空脚，这些空脚与内部电路并不相连，采用印板安装时可以接地以改善散热，如果使用面包板可以空置不用或者只用最外侧的两个以改善连接强度。
　　TPA6120A4内含两路独立供电的放大器，如果只需要一路放大器可以关闭第2通道的放大器以节省电能并减少发热量，这种方式也改善了串音抑制能力。关闭第2通道的放大器只需关闭第2通道的正电源即可，负电源不允许断开，第2通道也不能单独工作。如果因为某种原因只用了一个通道又不便关闭第二通道时，第二通道的输出端一定要接入一个至少25Ω的负载电阻，即下左图或者下右图中的RL并且尽量接近IC的输出端子以保证杜绝放大器的高频振荡，这时候RL和RO也可以合而为一。
　　最后：关于TPA6120A2出现振荡问题的处理方法。
　　电流反馈式高速宽频带放大器的稳定性不如我们常见的电压反馈式放大器，TPA6120A2的带宽高达10MHz以上，外围元件(电阻)选择不当很容易引起高频振荡，瞬间电压大的波动也容易造成放大器的随机振荡，虽然频率高达数十兆，对音频表现的影响仍然不容忽视。
　　如果不具备测试条件，可以严格下述外围元件(电阻)的选用原则凭听感来调整，一般而言，存在振荡的放大器听起来高音会发毛甚至刺耳，无论如何，听起来舒服的放大器就是好的放大器。
　　通常我们习惯于不平衡输入的单端应用，如下左图所示，Ri和Rf决定了放大器的增益，较小阻值的Rf可以降低系统的噪音，但却更容易导致放大器产生振荡，较大阻值的Rf虽然会带来更多的噪音，但放大器却比较稳定，也可以提高对阻抗负载的适应性，因为提高RF阻值可以使放大器驱动更高阻抗的负载。TPA6021A2典型的Rf阻值是1kΩ，为了提高放大器的增益以适应高阻抗负载可以在1～2kΩ之间调整，不推荐使用超过10kΩ的Rfo其次是Ro，适当的Ro也可以抑制放大器的振荡发生。Ro的阻值一般不得小于10Ω，这个数值对负载的影响可以降低到忽略的程度，如果有需要，这个数值可以提高到100Ω或者更高。 　　与常见的电压反馈放大器不同，反馈回路中不能加入诸如起频率补偿作用的电容，否则会引起放大器的振荡，负载回路中的电容同样如此，包括输出回路的分布电容以及耳机的等效电容等，这些固有的电容在通常条件下并不容易处理，适当的调节Rf和Ro则可以很好解决这个问题。
　　为了防止前级电路(信号源)以及线路电容对正相输入端的影响，同时也避免本级电路的输入输入电容对前级电路的影响，有时需要加入Rs，50Ω已经足够了同时又不会对信号造成什么影响。
　　下右图是TPA6021A2一个通道的差分输入应用原理图，这种方式可以很高的共模信号抑制能力，而我们常见的外来噪音及其干扰，很大一部分都是共模信号。在有条件的情况下应该尽量选择高精度的电阻以保证正、反相回路的输入电阻和反馈电阻的阻值分别尽量接近相等，当然低噪音的电阻也是必须的。
　　无论采用单端输入还是差分应用，外围电阻在布线时应该尽量靠近IC的引线端子，对于反馈电阻，应优先靠近输入端子，如果有条件尽量采用无引线的贴片电阻。
　　如果有一台示波器，可以按照下面的方法进行测试调整。
　　通过示波器可以观察到放大器的振荡现象，进一步绘制输出特性与频率的曲线图可以很好衡量放大器的稳定性：是振荡还是处于临界点?还是比较稳定？右图和左图显示两个曲线图实例，更多的曲线图可以参阅TPA6021A2的电子数据文档。
　　右图是放大器比较稳定的情况，曲线平滑而且没有大的峰、谷出现，这时候可以适当减小Rf以提高放大器性能；左图就是放大器出现振荡的情况，这时候就需要对放大器进行适当的调整，包括调节输入电阻(Rs)、反馈电阻(Rf)和输出电阻(Ro)以及改善电源退耦和滤波，通常情况下，这些振荡通过这些措施是可以完全消除的。如果曲线出现2dB的峰、谷，则说明放大器存在振荡；如果在输出端接入一个10pF的电容曲线才出现了2dB左右的峰、谷，则说明放大器处于临界状态。 4、电源电路
　　由单电源产生双电源的方法有很多，如果不强求使用总线方式供电，也可以直接使用外接双电源供电，这样成本会低一些。因为电路的整体功耗不大，可以采用通用的三端稳压器供电，这时候可以采用±15V电源而不是本电路中的±12.5V，因为这是兼顾功耗的设计。LJSB总线只能为每个终端提供最大500rrlA的电流，供给本电路富裕量有些小，因为本电路大约需要350mA的总输入电流，所以本电路本身也设计了外接电源接口；使用这个外接接口时最好使用稳压的+5V电源，因为本电路里的TPS79901和PTN4050C的最高额定工作电压只有5.5V；如果你的电脑或者其他数字音源的USB接口供电能力不足，就只有采用外接电源了；即使是使用LJSB总线电源也需要独占一个USB接口而不要和键盘、鼠标等共用，不然容易引起供电不足而导致电路性能下降。
　　电源电路部分应该单独装配，装好后要先上电检查调试而不要直接给真正的负载供电，为正负电源分别接上电阻负载检查输出电压是否正常，负载适应能力是否正常，即快速接入和短开负载，输出电压是否有跳变现象，从指针式万用表的表针是否摆动就可以观察出来，如果有电子负载进行测试当然更好，不过对于模块化电路，简单的测试是能够满足需要的。
　　电源电路应该能够提供不小于±50mA的输出电流，所以负载电阻可以使用220Ω、3～5W的电阻做测试负载。 5、总调试
　　全部元件安装完毕后仔细检查一下是否有安装连接错误，检查无误后先短开电源电路与负载的连接，先上电检查电源部分是否正常，电源部分包括TPS79901和PTN4050A、PTN4050C。
　　电源正常后就可以全部通电检查了，在总电源输入部分串入电流表或者用万用表的电流档代替，通电瞬间观察电流大小是否异常，尤其是比较大的情况；如果异常大应迅速短开电路检查电路是否有短路的地方，如果没有可以逐个断开用电负载用排除法检查。电流正常后用万用表的毫伏档测量一下TPA6120A2的输出端(接耳机的地方)对地是否有明显直流电压，如果没有就可以接上耳机和音源试听了。
　　首先连接好与电脑的USB连线，要确保S/DIF没有连接并且你的操作系统是windows98以上的操作系统，这时候电脑应该马上自动识别出有USB设备出现，一般情况下这时候你的电脑会自动将音频播放设备设置为USB音频，也可以到“控制面板”中打开“声音和音频设备”选项确认一下，“音频”标签中的“声音选项”应该显示为“USBSpeakers”或者类似的内容，否则多半是你的电路有问题，当然你也可以看一下下拉菜单中是否有，至少应该有你原来的声卡的信息。如果你确认你的电路连接包括USB连线和电脑的USB接口没有问题，可以换一下PCM2902试一下。
　　如果一切正常，就可以播放一首你熟悉的音乐欣赏你的劳动成果了。欣赏完了，如果你的电脑声卡输出有S/DIF接口那是最好不过了，将合适的S/PDIF连线接到合适的接口上，这时候电脑中USB音频设备应该自动消失并转换为你电脑中原来的声卡，因为这时候是电脑声卡为你的耳放提供S/PDIF数字音频信号。你可以比较一下与USB连接方式的音质区别。如果你的电脑声卡不具备S/PDIF输出，你就只好用你的DVD或者其他有S/PDIF输出功能的设备来测试你的耳放了，需要注意的耳放的电源供应，为了方便最好使用外接电源供电。如果找不到S/PDIF输出信号也不要紧，一般来说，对于PCM2902这一部分，只要USB功能正常，其他功能一般都是正常的，你可以慢慢等，等有了S/PDIF信号源再说；如果你非要测试一下输入转换功能，也可以用模拟信号输入试一下，将PCM2902的12、13脚与地线的连接断开，分别连接一个1μF的无极性电容，如果采用电解电容应该注意电容的接入极性，然后接入模拟音源就可以观察输入功能转换是否正常了。