用D类功放集成电路TPA3123制作BTL形式放大器

冰河入梦 · 发表于 2006-7-14 17:28:00

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距离笔者上一款功放的完成已有大半年的时间了，在这期间，采用TA2024的那款功放性能一直十分稳定，唯一的不足就是输出功率偏小，特别在搬到室外使用时，要推动一对60W的无源音箱就显得力不从心。而且笔者一直没能给它找到合适的外壳，裸板工作着，让人很没有安全感。于是，我开始琢磨制作一款功率更大的D类功放，并且为它配了一个漂亮的外壳。

想来想去，没能找到什么合适的方案，笔者之前所知的D类功放大多为平板电视机设计，功率在一二十瓦，制作我需要的功放，输出功率不会有大的提升，当然也有类似TAS5630这种号称输出功率能达到600W的，但无论是元器件还是电源的价格，都远远超过了笔者的支付能力。正在犹豫不决之时，偶然看到了《无线电》2010年第3期的套件制作文章——MINI USB AMP，套件中将双通道D类功放TPA3121用于桥推形式，大大提高了输出功率。没等细读完文章，笔者就迫不及待地开始设计电路了，笔者手头正好有几片 TPA3123和TPA3124，朋友送的TI样片。

电路简介

TPA3123/4是TI公司推出的双通道D类音频功率放大器，其中，TPA3123电源范围比TPA3124略宽，每声道输出功率比TPA3124大，而外围电路完全一样。用于双通道放大时，TPA3123每声道最大输出25W（TPA3124为15W），需要加大容量的隔直电容。而用作BTL形式输出时，理论上输出功率能达到双通道输出的4倍。如果忽略MOS管压降，当电源电压19V（笔记本电脑电源）时，可以估算得在6Ω负载上获得的功率能够达到 30W，24V的电源电压下将近50W，显然，这个输出功率是让人满意的。

图1 TPA3123/TPA3124桥推输出原理图

图1给出的是TPA3123用作桥推输出的原理图，外围电路十分简洁。图中将17、18引脚上拉到高电平，每通道电压增益为36dB，约63V/V，则 BTL形式输出时电压增益约为126V/V。需要注意的是，TPA3123的输入阻抗随增益设定的改变有很大变化，所以耦合电容容量需要根据实际情况进行选取。按图中设定的增益，输入阻抗约9kΩ，选取1μF的耦合电容，可得下限频率约18Hz。

图中的J1为开关，通过控制TPA3123的SHDN引脚实现开关机操作。再看看输出级LC滤波电路，单从电容、电感的参数就能看出，TI公司的D类功放低通滤波上限频率比TA202X系列的要低，这可能是造就TI公司D类功放高效率的重要原因。从数据手册上可以查知，TPA3123在输出功率较大时，效率高于90%。

图2 运放组成的单端转差分电路

图3 电源电路

说了这么多，差点忘了电路的一个重要组成部分，那就是输入端的单端转差分电路。由于BTL形式的放大器的两个输入端输入的是互为反相的信号，而一般的音频信号为单端共地信号，因此需要一个电路实现单端转差分功能。最简单的实现方法是使用一个双运放，其中一个作为同相比例运放，一个作为反相比例运放，并使其放大倍数分别为1和-1即可。但是这种方法使用的电阻阻值不一致，很难保证输出信号的良好对称。笔者借用了《无线电》2010年第3期那篇文章中介绍的方法，一个运放用作跟随，另一个用作反相放大，电路如图2所示。由于使用的电阻阻值一致，比较容易做到输出信号的良好对称性。

最后需要提一下电源电路。笔者个人认为，给工作在小信号处理状态的运放加上线性稳压电路是很有必要的，所以这里选用高性能的低压、单电源运放 OPA2353，并使用7805稳压为其供电。电源电路如图3所示，由于TPA3123的工作电压高（可以高达30V），串接一个电阻降压很有必要。

冰河入梦 · 发表于 2006-7-16 00:08:00

元器件选择

每一次的制作中，元器件的选择这一项是至关重要的，因为合适的元器件不仅是电路安全稳定工作的前提，在音频电路中，更会直接影响听感。

在以往的制作中，出于价格的考虑，笔者往往本着实用的原则选用器件，而这回摒弃了这一原则，也小小地“发烧了”一把。

首先是级间耦合电容，首次使用了好评如潮的红色WIMA，而输入耦合电容、+5V电源退耦电容全部使用贴片钽电解电容。值得一提的是，单端转差分电路中用到运放，来自TI的高性能低电压满幅运放OPA2353，2.7~5.5V的单电源电压，低至0.0006%的THD+N以及高达22V/μs的压摆率，在单电源运放中绝对是首屈一指的。最后说句实话，尽管在这些器件上“发烧”了一把，但究竟性能有多大提升，或者说带来的提升是否感觉得到，笔者是不得而知的。

接下来是滤波电感，成品的电感在这种大电流情况下不太可能符合要求了，所以只好自己绕制。笔者选用了铁硅铝材料的磁环，商家介绍这种磁环频率高、不易饱和。买回去不同尺寸的磁环，最后通过边绕边测的方式，确定了如下的制作方法：铁硅铝磁环外径13mm、内径7mm，铜线直径0.8mm，匝数为18匝，实测电感为21μH左右。

最后需要注意的是滤波和退耦电容的选取。因为电源电压较高，一定要注意电容的耐压。笔者打算使用笔记本电脑电源（19V），主滤波电容选用 470μF/25V的铝电解电容。当然，如果PCB空间允许，容量可以选得更大一些。另外要注意AVVC端的退耦电容C9，如果使用贴片的钽电解电容，耐压很难做到很高，因此，在这里用1210封装的10μF瓷片电容代替。电路中其他元器件的选用可以参看实物图。

图4 PCB布线图

PCB的设计

这一环节无疑是音频类电路制作中最具技术含量的。低速数字系统的PCB设计大概只要连通了就能正常工作，而音频功率放大器的PCB上，也许仅仅由于一条走线的变化就可能引入噪声。笔者看过许多经验丰富的发烧友谈论PCB的设计问题，觉得涉及的很多方面的知识是没法用理论很清晰地表达出来的，唯有多次的实践，才能逐步掌握其中的技巧。图4给出的是笔者设计的PCB图，每一条连线都是通过反复考虑才确定下来的，完成这块PCB的布局布线，花了我整整一天的功夫。

这个电路的PCB将信号线尽可能地放到顶层，用来保证底层地平面的完整，而顶层没有采用大面积敷铜接地的方式，而是将大小信号地分开，分别接到电源地。为了TPA3123的散热良好，需要在顶层和底层尽可能地留出大面积铜箔，并在芯片底下放置导热通孔。考虑到温度升高对运放电路的影响，在底层的两级电路之间用电源线将地平面隔开，用作热隔离。另外需要注意的是，运放级的输入信号是很微弱的，由R10、R11分压产生的Vref是运放的参考地，所以应采用单点连接的方式将信号线接到Vref端。

图5 PCB实物图

图5给出了加工好的PCB实物图片，由于外壳的尺寸限制，省去了音量电位器。

冰河入梦 · 发表于 2006-7-16 16:01:00

焊接与试听

原则上，电路是要先焊接好一个声道，测试了没问题才继续焊接的，但是笔者忍不住内心的激动，一次性焊完了所有的元器件（相信大多数爱好者经常也有这种冲动），焊接完成的PCB如图6所示。

图6 焊接好的PCB实物

焊接完成后，检查一下电源有无短路、电解电容极性是否装反，确认无误后就可以通电了。通上电源后，看看是否有芯片过热等现象，如果没有，再用万用表测一下输出端的直流电压是否为零，如果是，就可以接上扬声器。图7给出了测试的现场实拍。

图7 测试现场实拍

接上扬声器后，没有任何反应，笔者以为是开关没有打开，于是用短路帽将SHDN引脚拉至高电平，结果还是没有反应。正当笔者继续检查是否存在故障时，不小心碰到了输入端，扬声器里立即传出了刺耳的噪声。笔者欣喜若狂，将耳朵贴到扬声器上，确实完全听不到噪声，就像没有工作一样。由此看来，PCB上下的功夫没有白费，这款功放在底噪的抑制上做得相当不错了。

接着，将MP3音量调小，输入MP3音乐信号，扬声器里传出干净、清晰的声音，逐渐调大输出音量，音量等级大概在25（总音量分32级）的时候，声音已开始变得混浊，音箱明显快扛不住了。而此时的输出功率，足以用于家庭影院（笔者在6楼的阳台上试听，能引来1楼方圆20m内邻居的关注）。

值得注意的是，由于功放部分的电压增益超过120V/V，加上单端转差分电路2V/V的增益，整机增益高达240V/V，所以输入音频信号电平值一定要足够低，否则很可能瞬间输出过大而损坏扬声器。

接下来，将音源改为电脑的内置声卡输出，将音频线插入电脑耳机插孔，扬声器里传出明显的噪声，只有当音量调大时方能将噪声掩盖。换上笔者以前用 PCM2912制作的声卡，则完全听不到噪声。这一区别在平时使用普通耳机时听不出来，使用普通的小功率有源音箱也听不出来，而换成高增益的大功率功放，则将噪声放大到很明显的水平了。
长时间的试听后笔者发现，在大功率工作时，TPA3123的发热还是比较大的，测试当天气温在33℃左右，中间由于芯片过热保护，出现了一次自动停机现象。为了功放的长期稳定工作，笔者在芯片底下的PCB上焊接了一块铜片充当散热器，如图8所示。

图8 增加的铜片散热器

图9 加工好的外壳
组装

加工好的外壳如图9所示。外壳为铝合金材料，尺寸为100mm×70mm×25mm，背板上装输出接线端子，面板上只有输入端子、开关、电源接口以及工作指示灯。PCB的尺寸是严格按照外壳尺寸设计（70mm×76mm），宽度上正好插入外壳内部的槽中，长度上空出的一截裁剪一块洞洞板来填充。

图10 准备装入外壳的PCB

图11组装完成的功放外观

图10中红色的小开关是笔者费了不少时间才找到的，产自中国台湾，质量非常不错。最后就是将PCB插入外壳，这一步需要注意的是，尽量使铜片散热器保持平整，并调整其高度，使其能够紧贴在外壳上，以利于散热。由于散热器和输入端子的外壳都是接地的，在这里不需要考虑绝缘的问题。图11为组装完成的功放，如此纤小的体积，很难想象它能迸发出惊人的强劲功率，同等输出功率的AB类功放，大概仅散热器就有五六个这么大吧。

结语

写下这篇文章的心情是异常兴奋的，迫不及待地想与读者分享成功的喜悦。做了不少的音频功放，这次称得上是像模像样的，尽管没有作类似上一次的波形测试，但是它令人满意的听感、极低底噪以及强劲的输出功率，让笔者感受了极大的制作乐趣。

minihifi · 发表于 2006-7-17 03:04:00

向老兄学习![em10][em10]

chizha · 发表于 2006-7-17 05:57:00

支持充满深情的好词

yinxiangxsw · 发表于 2006-7-18 23:17:00

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