一款帶USB音頻解碼的耳放

1、 一款帶USB音頻解碼的耳放朋友酷愛電影,最近購得一副耳機,森海塞爾的HD555,說用電腦聲卡聽起來聲音平淡并且有輕微的底噪,邀請我?guī)退O計一個耳放。出于成本的考慮,我馬上想到了網上經典的47耳放,這款耳放的電路簡單,成本低廉并且評價也不錯。由于電腦音頻輸出本身有底噪,所以打算不使用內置聲卡,而采用一個外置聲卡完成解碼和DA轉換。幾經考慮,最后決定選用德州儀器的USB音頻CODEC芯片PCM2900,曾經使用過這款芯片,性能非常優(yōu)秀。一、電路設計耳放部分和音頻解碼部分的電路確定以后,就能畫出系統的框圖了,我設計的整個耳放框圖如圖1所示。功率放大部分采用的47耳放電路需要雙電源供電,而生活中使用

2、的交流適配器輸出一般為單電源,所以需要增加單/雙電源轉換電路。另外,PCM2900的輸出信號包含有高頻分量,在進行放大前要通過低通濾波器進行平滑濾波。1. 耳放電路圖2給出了一個聲道的電路圖。經典的47耳放使用了兩個雙運放,其中一個作放大,另一個作跟隨,電壓放大倍數由R1和R3確定,實驗證明,對于HD555這款耳機,用USB音頻DAC輸出作為音源時,圖中的取值是比較合適的。實際應用時,為了保證運放的可靠工作,一般會在反饋電阻R3上并聯一個20pF左右的小電容,圖2中沒有畫出。2. 單雙電源轉換電路圖3為單電源轉雙電源電路。如圖,當功放的輸入端接固定的直流電平時,輸出端電位為電源電壓的1/2,如

3、果將輸出端作為參考地,那么電源電壓的正負極分別為+1/2Vcc和-1/2Vcc。這里使用的是廉價的集成功率放大器TDA2030,其工作電壓范圍為±6V±18V,所以單電源的供電電壓應為1236V,選用筆記本電腦電源(+19V就很合適。3. 音頻DAC電路圖4所示為使用PCM2900構成的USB音頻DAC 電路。PCM2900是一款USB接口的音頻CODEC芯片,這里只是用了它的DAC部分,沒有使用ADC部分。PCM2900可以使用USB總線的+5V電源供電,外圍電路十分簡單,并且具有16位分辨率和低至0.005%作者/任杰/西北工業(yè)大學電子信息學院+5V+3.3VAC220

4、V V+V-USB 接頭PCM2900音頻DAC低通濾波功率放大交流適配器穩(wěn)壓器單電源轉雙電源LinRP10KR247KR547U1AU2A+-22331R1 4.7K R3 10KLoutR4 47圖1 耳放的系統框圖圖2 耳放部分電路圖的THD+N。圖中并聯在晶體上的1M左右的電阻不可省略,否則可能導致晶體振蕩器不起振。 4. 低通濾波電路圖5給出的低通濾波電路采用的是德州儀器公司設計指南里的電路。運算放大器和外圍容阻器構成二階低通濾波器,用以濾除DAC輸出的高頻分量。這里采用USB總線電源,經過一個線性穩(wěn)壓器LM1117穩(wěn)成+3.3V后給濾波器的運放供電。由于供電電壓較低,所以需要使用專

5、用的低電壓運放,并且在單電源供電的情況下,運放的同相輸入端不能直接接地,而應該接到電源電壓的中點位置,這里沒有使用電阻分壓的方式產生中點電位,而是將同相輸入端直接接到PCM2900內部DAC的公共端(Vref。二、元器件選擇因為這個制作用到的元器件較多,所以在畫PCB 之前,要先確定使用的元器件型號和封裝尺寸。在這里,我將整個系統電路分為小信號部分和大信號部分,其中小信號部分包括音頻解碼部分和低通濾波部分,這一部分的電路用到的芯片PCM2900和OPA2353均為貼片封裝,為了使這部分整體看起來協調,外圍的容阻器件全部采用0805封裝的貼片元件。大信號部分包括電源電路部分和耳放部分,這部分電路

6、用到的運放IC和TDA2030均為直插封裝,所以外圍的器件也采用直插封裝。特別需要注意的是,耳放部分的元器件質量直接影響音質,所以選用時不能過于隨便。這里所用的電阻全部為1/4W的金屬膜電阻,電子市場那些賣一兩分錢一個的電阻最好不要用在這里。另外兩個非常重要的元件是輸入耦合電容和音量電位器。輸入耦合電容直接影響音色,一般使用薄膜電容或者性能優(yōu)良的電解電容,這里使用的是1F的紅色WIMA,在音頻應用中,這個電容評價很高。這里使用的是ALPS16型電位器,性價圖4 USB音頻DAC電路圖3 單電源轉雙電源電路 比比較高,不足之處是用在這里顯得體積偏大。用作電源轉換的TDA2030采用的是TO-22

7、0封裝,將其引腳彎折后,可以水平安裝在PCB 上,這樣不僅更加美觀,并且TDA2030可以借助PCB 上的銅箔散熱,而無需安裝散熱器(在這里TDA2030的發(fā)熱量不大。三、PCB的設計音頻類的制作里,這一環(huán)節(jié)是相當重要的,它最大程度上決定了制作的成敗。耳放最終的負載是耳機,具有較高的靈敏度并且緊貼于耳朵上,任何可聽見的噪聲都是難以容忍的,所以合理的布線尤為重要。為了最大限度的減小噪聲,一種做法就是將所有的電源線都單獨接到主電源上,所有的地線都單獨接到電源地上,也就是所謂的單點連接。圖6、圖7分別為給出了本次制作的PCB 布線圖和PCB 實物圖。音頻解碼部分和低通濾波部分采用的元器件尺寸很小,嚴

8、格意義上的單點連接不太容易實現,所以采用地平面的方法,PCB 雙面敷銅,并用大量的通孔將兩面連接起來。這種方法由于使用方便,大多數人喜歡使用。但需要注意的是,在元器件布局時盡可能地保持地平面的完整,不要出現地平面的分割。耳放部分的直插器件尺寸都比較大,并且由于沒有太大電流的走線,可以很方便地按單點的方式連接。從圖7的PCB 實物圖能看出,所有的小信號地(包括解碼和濾波部分的地都接到一個點上(線圈出,然后將這個點和大信號地(耳放輸出地單獨接到電源地上。為了確保電路的可靠工作,應該在運放IC、電源穩(wěn)壓IC 和用作電源轉換的功放IC 電源引腳上對地接一個0.1F 左右的小電容,并且盡量靠近IC 的電

9、源引腳。此外,為了避免引入耦合和干擾,輸入信號線不要太長并盡可能遠離輸出信號和電源線等大信號線。四、焊接與安放 本制作用到的元件種類較多,封裝各異,焊接有一定的難度,基本的焊接順序如下:焊接PCM2900和OPA2353。其中PCM2900的引腳間距只有0.65mm,焊接時極易形成搭接短路,焊完后要仔細檢查。(見圖8焊接貼片容阻器。貼片容阻器包括三類:0805封裝的貼片電阻,0805封裝的陶瓷電容和3216封裝的鉭電解。其中鉭電解需要注意極性,一般標有紅線的一 圖5 低通濾波和電源電路圖6 PCB布局布線圖端為正極。貼片陶瓷電容從外觀上讀不出容量的大小,所以焊接時一定要仔細對照,不能焊錯。(見

10、圖9焊接直插電阻和穩(wěn)壓IC,這一步驟比較簡單,如圖10。焊接其他直插器件,包括電容、晶振接插件等。這些器件的焊接難度不大,需要注意的 安放時盡量與PCB 保持平整,特別是TDA2030,在焊接完成后,需要使用螺釘將其固定,使散熱片緊貼于電路板上的散熱銅箔,或者將散熱片直接焊接在銅箔上(如圖11。最后焊接完成的電路板如圖12,電位器的個頭確實顯得有點大。最后需要注意的是,ALPS16型電位器為金屬手柄,如果不加絕緣旋鈕的話,手碰到手柄時會引入干擾,所以需要將電位器外殼接地,如圖13。五、試聽與使用 焊接完成后,檢查有無元器件焊錯,特別是電解電容有沒有焊反,如果沒有,就可以通上電源,此時指示燈亮,

11、不要急著插入耳機,先用萬用表的直流電壓檔測試一下輸出端的直流電壓,正常情況下在零點幾mV 到幾十mV,不同的運放芯片這一電壓不同,這里使用的是德州儀器的NE5532,實測直流電壓為2mV 左右。接下來將USB 接口通過延長線連接到電腦的USB 口上,可以看到屏幕右下角工具欄里彈出如圖14字樣,接著顯示出圖15字樣,說明USB 聲卡安裝成功了。在每次插入聲卡后,一般情況下Windows 會默認優(yōu)先使用USB 聲卡。如果Windows 仍然按內置聲卡驅動方案運行,就需要對控制面板中的聲音和音頻設備進行設置,具體方法如下:單擊開始控制面板聲音和音頻設備,在彈出的聲音和音頻屬性界面中點擊聲音頻選項卡,將聲音播放和錄音設備選成USB Audio Codec,如圖16所示。此時就可以插上耳機,打開播放器開始欣賞音樂