作者：吳紅奎 吳紅靜
耳機放大器雖然輸出功率不大，業余條件下要做好也并不容易，為了達到理想的水準，很多耳機放大器采用了分立元件，因為輸出功率不大，采用A類放大器的不在少數，這在業余條件下并不容易做好，下面介紹的耳機放大器采用TI公司出品的專門的耳機放大器集成電路，適合業余條件下自制，也初步具備了專業素質。
一、主要特點
耳機放大器的主要特點是：
全集成電路整體解決方案，包括電源、音源、驅動、功放等耳機放大器所需要的全部電路。
采用常見的數字音源輸入方式：
S/PDIF和USB，適應家用和電腦多媒體音源。
可以采用USB總線供電而無需額外的電源。
低失真(O.005％)、大動態(93dB)、高信噪比(93dB)；具備鍵控式電子音量控制和靜音控制功能。
電流反饋式差分輸入功放級，具備超過120dB的動態范圍和信噪比以及0.00014％的超低失真。
二、電路原理與IC
這個電路除了S/DIF接收電路外全部采用了TI(Texas Instruments，德州儀器)出品的集成電路組成，包括輸入及其DAC電路、不平衡轉平衡線路放大器、平衡輸入方式功率輸出級、電源電路幾部分，S/PDIF光紆方式的數字信號接收由東芝公司出品的集成化接收組件TROX173完成，S/PDIF同軸方式的數字信號接收由SN75179完成，其余大部分接收和編解碼功能全部由TI公司出品的PCM2902完成，包括USB輸入、模擬輸入、S/PDIF數字信號的編解碼、ADC(模數轅換器)、DAC(數模轉換器)以及模擬濾波器等。
整個系統共采用9個7種集成電路，總電路原理圖參見下圖。
數字解碼電路制作耳機放大器PCM2902 application" height="550" src="http://files.chinaaet.com/images/2012/09/05/f4bdabfa-6a60-450c-a089-8ddf686dc968.jpg" width="786" />
1.輸入及DAC電路
輸入及DAC電路由PCM2902、TORX173、SN75179組成，下面分別敘述它們的特點及功能：
TORX173是常用的光纖信號集成化接收組件，外圍電路簡單，輸出為TTL電平方式，5V電源供電，工作電流最大為40mA，數據接收速率最大不超過6Mb/s。
SN75179是，TI出品的低功耗差分收發器，滿足TIA/EIA-422-B、TIA/EIA-485-A、和ITU V.11的標準要求，接收靈敏度為±200mV，工作電源電壓5V，采用DIP8封裝形式，可用SP490E等型號替代。
PCM2902是單片式USB界面立體聲音頻編解碼器，自動識別轉換USB、S/PDIF、模擬輸入，帶有S/PDIF輸出接口，全速USB1.1傳輸界面；集成ADC和DAC，采用TI的SPACt TM結構體系(一種從USB數據流恢復音頻時鐘信號的技術結構)，片上模擬鎖相環(PLL)，獨立的錄音、重放采樣速率。
本電路只使用了PCM2902的USB輸入、S/PDIF輸入方式，模擬輸入閑置未用。
PCM2902的主要特點和技術性能如下：
● 雙通道16位△-∑ 數模轉換器(DAC)和模數轉換器(ADC)。其中DAC支持常見的32、44．1、48kHz采樣速率，ADC支持8、11．025、16、22．05、32、44．1、48kHz的采用速率；
●單電源供電方式，典型應用采用USB總線5V供電；
●HID接口實現音量、靜音和待機控制；
●片上DAC主要技術指標：
●模擬音頻性能：THD+N=0．005％；SNR(信噪比)=93dB；DNR(動態范圍)=93dB；
●片上超取樣數字濾波器：帶內不均勻度=±O．1dB；轉折頻率衰減能力=-43dB；
●片上模擬低通濾波器；
●單端電壓輸出方式。
下圖為PCM2902的內部功能框圖。
為了獲得更好的性能，采用了超低噪音LDO(低壓差穩壓器)TPS79901為PCM2902供電，其輸出電壓按圖1中的數值為3．6V，調整R9和R8的數值可以調整輸出電壓。
2．不平衡轉平衡線路放大器
DRV134PCM2902為不平衡輸出方式，而后級耳機放大器TPA6120A2采用的是平衡輸入方式，為了實現前后級匹配，本電路采用了TI旗下的Burr-Brown公司的平衡式音頻線路放大器DRV134。DRV134為不平衡輸入、平衡輸出方式線路放大器，集成了設定增益所需要的電阻而無需擔心外圍元件選擇不當導致的通道平衡問題，增益固定為6dB該器件，8引腳封裝，其內部等效電路如下圖所示。
由下圖可以看出DRV134包含了我們通常需要3個運算放大器完成的電路功能：輸入緩沖放大和平衡方式線路放大器。DRV134的主要特點和技術性能如下：低失真：THD+N=0．0005％；高轉換速率：15V/μs；寬電源電壓：±4．5V～±18V；低功耗，靜態電流為±5.2mA；CMRR(共模信號抑制比)：68dB；PSRR(電源電壓抑制比)：110dB；輸出失調電壓(差分輸出端)：±1mV典型值，最大不超過±10mV。
如果想采用運算放大器，可以采用一個雙運放組成雙通道輸入緩；中放大，一個四運放組成雙通道平衡式線路放大器，如Burr-Brown公司的低噪音系列音頻運放OPA2134(雙運放)和OPA4134(四運放)。
3．平衡輸入方式功率輸出級TPA6120A4
TPA6120A4是電流反饋式高保真耳機放大器，其主要特點和技術性能如下：
●寬電源電壓范圍：±5V～±15V，各通道獨立供電；
●工作電流(VCC=±15V，每個通道，最大值)：15mnA；
●±12V供電條件下以80mW功率驅動600Ω負載而THD+N典型值為0．00014％；
●IMD(瞬態互調失真) 0．00014％，典型值；
●DNR(動態范圍)和SNR(信噪比)：120dB；
●2V/V增益條件下輸出噪聲典型值為5μV；
●SR(轉換速率)：1300V/μs；
●CMRR：100dB；
●PSRR(電源電壓抑制比)：75dB；
●輸入失調電壓(差分輸入)：2mV，最大不超過5mV。
●串音抑制能力(VIN=1VRMS，RL=32Ω～64Ω，RF=1Kω，fIN=1kHz)：-90dB。
電流反饋放大器有如下明顯的優點：高達1300V/s的轉換速率能夠有效防止奇次諧波失真的產生；瞬態電流輸出特性的速度和線性不受輸出失真限制，應付大動態輸出不會引起本底噪聲增加或者信噪比劣化；頻率響應與增益無關使放大器在全頻帶內都擁有一個很寬的穩定增益范圍，環路增益在20dB/oct范圍內不會劣化。這使得基于電流反饋構架的TPA6120A2具備低噪音、寬頻帶范圍內的高開環增益、低失真的特點。
4、電源電路PTN4050A和PTN4050C
DRV134和TPA6021A2都需要正負雙電源才能很好的工作，為了能夠采用USB總線+5V電源，加入了+5轉換為±12.5V電源的DC-DC電源電路。DC-DC電源轉換器一般采用PWM（脈寬調制）開關電源電路，小功率應用也可以采用電荷泵（電容儲能式開關電路）電路。開關電源在很寬的輸入電源電壓范圍內具備很高的效率，但會帶來電磁干擾，這也是音頻放大器很少采用開關電源的主要原因之一。優化成熟的設計可以將電磁干擾降到理想的程度，這在業余條件下是不容易做得好的，為了使電路簡單化，本電路采用了模塊式DC-DC電源轉換器PTN4050A和PTN4050C，其外圍應用電路比我們常見的三端可調線性穩壓器的電路還要簡單，只需要一個電阻設定輸出電壓即可。
PTN4050A是輸出電壓可調的正至負電源轉換器，輸出電壓由1腳和4腳間的電阻決定，其主要特點和技術性能如下：
輸出功率可以達到6W，輸出電路可以達到500mA；寬輸入電壓范圍：2.9～7V；可調的寬輸出電壓范圍：口3～口15V；高效率，可以達到84%；開關頻率（典型值）：260kHz；輸出紋波（典型值）：3%；使能控制端子和過熱停機功能；輸出限流和輸入電壓欠壓停機功能。
PTN4050C是輸出電壓可調的升壓式電源轉換器，輸出電壓由1腳和3腳間的電阻決定，其主要特點和技術性能如下：
輸出功率可以達到12W，輸出電流可以達到1OOOmA：寬輸入電壓范圍：2.95～5.5V；可調的寬輸出電壓范圍：5～15V；效率可以達到90%；開關頻率（典型值）：525kHz；輸出紋波（典型值）：1.5%；PTN4050A和PTN4050C屬于統一系列的產品，外形尺寸和工作溫度范圍相同，引腳安裝方式含引腳在內外形尺寸為22×12.6×12.5mm，并且提供了無引線焊球連接安裝方式，其高度降低到了10mm。
三、裝配與調整
本電路中的主要IC都是扁平貼片封裝形式，業余條件下使用面包板時裝配不太方便，好在這些IC的引腳不是很多，間距也不是太小，只要具備較為熟練的焊接技術還是可以的。如果條件允許的話制作一塊印板，那就更不成問題了。下面簡單說一下各單元電路的外圍元件選取原則和可能遇到的調試問題。
1、PCM2902及其它輸入電路
PCM2902包含數字電路和模擬電路，應該注意各電源端子的退耦，退耦電容應盡量接近電源端子，一般情況下可不強求數字地、模擬地嚴格分開，也不用強求最后一點接地，如果使用印板仍然推薦大面積敷地以提高信噪比。
采用貼片元件時退耦電容盡量采用X5R類型的電容和電阻。
PCM2902內部已經有電壓調整電路，如果要求不高，外部LDO即TPS。79901也可以不用。按照圖1中元件數值，TPS79901輸出端(5腳)的電壓為3．6V以上，如果低于3．6V應調整一下R9的數值，但電壓不要高于3．8V。
PCM2902多種輸入方式的轉換是依據優先級自動識別的，從高到低分別是S／PDIF、Analog(模擬信號)、USB，如果S／PDIF端口的連線有效，則USB、Analog不會有效，如果S／PDlF連線無效，Analog連接有效則USB無效，否則USB有效；三者只會也只能一種有效。
如果不需要S／DIF輸入方式，圖1中．的IC2(SN75179)和IC9(TORX173)及其外圍電路就可以省略不用。如果想獲得更好一點的性能而又不增加電路的復雜性，還可以采用不支持S／DIF輸入輸出功能的PCM2702，其SNR與DNR可以達到100dB；如果不考慮電路的復雜性，可以采用獨立的輸入輸出電路和高性能DAC，如TI的PCM1792，其SNR與DNR可以達到120dB以上，全平衡輸出方式可以更好的和末級耳放配合。
2、DRV134及外圍電路
其外圍電路極其簡單，為了保證電路性能，需要主意兩片DRV134電源端子應先接退耦電容然后再分別與正或者負電源連接而不是簡單的連接到一起后隨意接入退耦電容。
3、TPA6120A2及外圍電路
首先：TPA6120A2外圍元電阻的精度，最好使用1％精度的低噪音電阻，如果有數字萬用表最好進行挑選，兩個通道對應位置的電阻的阻值盡量接近，即R33和R37、R32和R34、R30和R36、R31和R35，R40和R41可以不用做此嚴格要求。
其次：電源端的退耦電容應該先接電容然后再分別與電源相連。
第三：所有外圍元件力求就近與TPA6120A2的引線端連接，R33和R37優先與輸入端(5腳和16腳)連接。
第四：TPA6120A2采用散熱增強型20引腳扁平封裝，底部有裸露的散熱焊盤，也是TPA6120A2的接地端子，應妥善接地并且保證有一定的銅箔面積以保證散熱；如果使用面包板，可以采用8～10根3厘米左右的細銅絲對稱并排焊接到裸露的散熱焊盤上以達到散熱目的，同時可以讓散熱焊盤朝上以利于散熱。
第五：關于TPA6120A2空腳的處理。TPA6120A2每邊有5個共10個空腳，這些空腳與內部電路并不相連，采用印板安裝時可以接地以改善散熱，如果使用面包板可以空置不用或者只用最外側的兩個以改善連接強度。
TPA6120A4內含兩路獨立供電的放大器，如果只需要一路放大器可以關閉第2通道的放大器以節省電能并減少發熱量，這種方式也改善了串音抑制能力。關閉第2通道的放大器只需關閉第2通道的正電源即可，負電源不允許斷開，第2通道也不能單獨工作。如果因為某種原因只用了一個通道又不便關閉第二通道時，第二通道的輸出端一定要接入一個至少25Ω的負載電阻，即下左圖或者下右圖中的RL并且盡量接近IC的輸出端子以保證杜絕放大器的高頻振蕩，這時候RL和RO也可以合而為一。
最后：關于TPA6120A2出現振蕩問題的處理方法。
電流反饋式高速寬頻帶放大器的穩定性不如我們常見的電壓反饋式放大器，TPA6120A2的帶寬高達10MHz以上，外圍元件(電阻)選擇不當很容易引起高頻振蕩，瞬間電壓大的波動也容易造成放大器的隨機振蕩，雖然頻率高達數十兆，對音頻表現的影響仍然不容忽視。
如果不具備測試條件，可以嚴格下述外圍元件(電阻)的選用原則憑聽感來調整，一般而言，存在振蕩的放大器聽起來高音會發毛甚至刺耳，無論如何，聽起來舒服的放大器就是好的放大器。
通常我們習慣于不平衡輸入的單端應用，如下左圖所示，Ri和Rf決定了放大器的增益，較小阻值的Rf可以降低系統的噪音，但卻更容易導致放大器產生振蕩，較大阻值的Rf雖然會帶來更多的噪音，但放大器卻比較穩定，也可以提高對阻抗負載的適應性，因為提高RF阻值可以使放大器驅動更高阻抗的負載。TPA6021A2典型的Rf阻值是1kΩ，為了提高放大器的增益以適應高阻抗負載可以在1～2kΩ之間調整，不推薦使用超過10kΩ的Rfo其次是Ro，適當的Ro也可以抑制放大器的振蕩發生。Ro的阻值一般不得小于10Ω，這個數值對負載的影響可以降低到忽略的程度，如果有需要，這個數值可以提高到100Ω或者更高。
與常見的電壓反饋放大器不同，反饋回路中不能加入諸如起頻率補償作用的電容，否則會引起放大器的振蕩，負載回路中的電容同樣如此，包括輸出回路的分布電容以及耳機的等效電容等，這些固有的電容在通常條件下并不容易處理，適當的調節Rf和Ro則可以很好解決這個問題。
為了防止前級電路(信號源)以及線路電容對正相輸入端的影響，同時也避免本級電路的輸入輸入電容對前級電路的影響，有時需要加入Rs，50Ω已經足夠了同時又不會對信號造成什么影響。
下右圖是TPA6021A2一個通道的差分輸入應用原理圖，這種方式可以很高的共模信號抑制能力，而我們常見的外來噪音及其干擾，很大一部分都是共模信號。在有條件的情況下應該盡量選擇高精度的電阻以保證正、反相回路的輸入電阻和反饋電阻的阻值分別盡量接近相等，當然低噪音的電阻也是必須的。
無論采用單端輸入還是差分應用，外圍電阻在布線時應該盡量靠近IC的引線端子，對于反饋電阻，應優先靠近輸入端子，如果有條件盡量采用無引線的貼片電阻。
如果有一臺示波器，可以按照下面的方法進行測試調整。
通過示波器可以觀察到放大器的振蕩現象，進一步繪制輸出特性與頻率的曲線圖可以很好衡量放大器的穩定性：是振蕩還是處于臨界點?還是比較穩定？右圖和左圖顯示兩個曲線圖實例，更多的曲線圖可以參閱TPA6021A2的電子數據文檔。
右圖是放大器比較穩定的情況，曲線平滑而且沒有大的峰、谷出現，這時候可以適當減小Rf以提高放大器性能；左圖就是放大器出現振蕩的情況，這時候就需要對放大器進行適當的調整，包括調節輸入電阻(Rs)、反饋電阻(Rf)和輸出電阻(Ro)以及改善電源退耦和濾波，通常情況下，這些振蕩通過這些措施是可以完全消除的。如果曲線出現2dB的峰、谷，則說明放大器存在振蕩；如果在輸出端接入一個10pF的電容曲線才出現了2dB左右的峰、谷，則說明放大器處于臨界狀態。
4、電源電路
由單電源產生雙電源的方法有很多，如果不強求使用總線方式供電，也可以直接使用外接雙電源供電，這樣成本會低一些。因為電路的整體功耗不大，可以采用通用的三端穩壓器供電，這時候可以采用±15V電源而不是本電路中的±12.5V，因為這是兼顧功耗的設計。LJSB總線只能為每個終端提供最大500rrlA的電流，供給本電路富裕量有些小，因為本電路大約需要350mA的總輸入電流，所以本電路本身也設計了外接電源接口；使用這個外接接口時最好使用穩壓的+5V電源，因為本電路里的TPS79901和PTN4050C的最高額定工作電壓只有5.5V；如果你的電腦或者其他數字音源的USB接口供電能力不足，就只有采用外接電源了；即使是使用LJSB總線電源也需要獨占一個USB接口而不要和鍵盤、鼠標等共用，不然容易引起供電不足而導致電路性能下降。
電源電路部分應該單獨裝配，裝好后要先上電檢查調試而不要直接給真正的負載供電，為正負電源分別接上電阻負載檢查輸出電壓是否正常，負載適應能力是否正常，即快速接入和短開負載，輸出電壓是否有跳變現象，從指針式萬用表的表針是否擺動就可以觀察出來，如果有電子負載進行測試當然更好，不過對于模塊化電路，簡單的測試是能夠滿足需要的。
電源電路應該能夠提供不小于±50mA的輸出電流，所以負載電阻可以使用220Ω、3～5W的電阻做測試負載。
5、總調試
全部元件安裝完畢后仔細檢查一下是否有安裝連接錯誤，檢查無誤后先短開電源電路與負載的連接，先上電檢查電源部分是否正常，電源部分包括TPS79901和PTN4050A、PTN4050C。
電源正常后就可以全部通電檢查了，在總電源輸入部分串入電流表或者用萬用表的電流檔代替，通電瞬間觀察電流大小是否異常，尤其是比較大的情況；如果異常大應迅速短開電路檢查電路是否有短路的地方，如果沒有可以逐個斷開用電負載用排除法檢查。電流正常后用萬用表的毫伏檔測量一下TPA6120A2的輸出端(接耳機的地方)對地是否有明顯直流電壓，如果沒有就可以接上耳機和音源試聽了。
首先連接好與電腦的USB連線，要確保S/DIF沒有連接并且你的操作系統是windows98以上的操作系統，這時候電腦應該馬上自動識別出有USB設備出現，一般情況下這時候你的電腦會自動將音頻播放設備設置為USB音頻，也可以到“控制面板”中打開“聲音和音頻設備”選項確認一下，“音頻”標簽中的“聲音選項”應該顯示為“USBSpeakers”或者類似的內容，否則多半是你的電路有問題，當然你也可以看一下下拉菜單中是否有，至少應該有你原來的聲卡的信息。如果你確認你的電路連接包括USB連線和電腦的USB接口沒有問題，可以換一下PCM2902試一下。
如果一切正常，就可以播放一首你熟悉的音樂欣賞你的勞動成果了。欣賞完了，如果你的電腦聲卡輸出有S/DIF接口那是最好不過了，將合適的S/PDIF連線接到合適的接口上，這時候電腦中USB音頻設備應該自動消失并轉換為你電腦中原來的聲卡，因為這時候是電腦聲卡為你的耳放提供S/PDIF數字音頻信號。你可以比較一下與USB連接方式的音質區別。如果你的電腦聲卡不具備S/PDIF輸出，你就只好用你的DVD或者其他有S/PDIF輸出功能的設備來測試你的耳放了，需要注意的耳放的電源供應，為了方便最好使用外接電源供電。如果找不到S/PDIF輸出信號也不要緊，一般來說，對于PCM2902這一部分，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信號源再說；如果你非要測試一下輸入轉換功能，也可以用模擬信號輸入試一下，將PCM2902的12、13腳與地線的連接斷開，分別連接一個1μF的無極性電容，如果采用電解電容應該注意電容的接入極性，然后接入模擬音源就可以觀察輸入功能轉換是否正常了。