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基于VMA系列功放模塊實(shí)現(xiàn)音頻功放電路的設(shè)計(jì)

電子設(shè)計(jì) ? 來源:無線電 ? 作者:劉丁 ? 2021-03-17 09:07 ? 次閱讀
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音頻功率放大器可以說是電子行業(yè)一個(gè)歷久彌新的領(lǐng)域了。從器件類型上來說,經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路以及混合電路等發(fā)展歷程;從電路形式上來說,有A類、B類、AB類等等。這些器件和電路各有特點(diǎn),每一種都能做出上乘的產(chǎn)品。

今年來隨著電子技術(shù)的進(jìn)步,一種新型的音頻功放電路——D類音頻功率放大器正在被越來越廣泛地使用。D類功放跟傳統(tǒng)的模擬功放不同,不是直接通過電壓來直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器,而是將音頻信號(hào)調(diào)成到頻率高得多(幾百KHz)的PWM信號(hào),再用這個(gè)信號(hào)去驅(qū)動(dòng)感性的揚(yáng)聲器線圈,從而恢復(fù)出聲音。與傳統(tǒng)的功放相比,D類功率放大器最大的特點(diǎn)就是效率高。傳統(tǒng)的A類功率放大器相當(dāng)大一部分功率耗散在驅(qū)動(dòng)電路上了,因此效很低,通常僅為20%-30%。這顯然不符合當(dāng)代綠色節(jié)能的潮流。而D類功放由于采用PWM模式,效率非常高(可高達(dá)90%)。因此同樣的輸出功率,傳統(tǒng)的A類功放需要大得多的電源,而且需要大面積的散熱器。而D類功放的電能需求只有同功率A類功放的1/4左右,并且由于發(fā)熱量小,通常只需要很小的散熱器甚至不用散熱器。此外D類功放的電路通常比較簡(jiǎn)單,因此可以省很多空間,因此故障率也大大低于傳統(tǒng)的模擬功放。

盡管D類功放作為一種較新的功放電路,經(jīng)常被很多音響發(fā)燒友詬病有“數(shù)碼聲”等問題,然而無論是儀器測(cè)試還是實(shí)聽測(cè)試都表明D類音頻放大器的音質(zhì)絲毫不亞于傳統(tǒng)的模擬功放。在可以預(yù)見的將來,節(jié)能環(huán)保D類功放必將成為音頻功率放大器的主流而被廣泛應(yīng)用。

VMA系列數(shù)字音頻功放模塊簡(jiǎn)介

VMA系列數(shù)字音頻功放模塊是由北京瑞宇飛科技有限公司推出的高品質(zhì)微型D類音頻功放模塊,目前共有5種型號(hào)。VMA系列功放模塊具有以下特點(diǎn):

內(nèi)部集成了所有功放所需要的器件,通常情況下信號(hào)通路不需要任何外圍元件就能構(gòu)成高品質(zhì)的功放電路。

采用了高效無輸出電感的設(shè)計(jì),因此模塊的體積非常小,僅跟一枚郵票的尺寸相仿。又因?yàn)椴捎昧诉吘壈肟椎脑O(shè)計(jì),因此該模塊也被很多用戶形象地稱為“郵票功放”。

功率密度。以VMA2016為例,僅僅15mmx25mmx3.8mm的尺寸就能在8Ω負(fù)載時(shí)輸出10Wx2的功率。

發(fā)熱小,效率高,節(jié)能環(huán)保。以VMA2015為例,即使在15W的滿負(fù)荷下,模塊也無需散熱器,外殼僅感到溫?zé)岫选?/p>

外圍電路及其簡(jiǎn)單,無需散熱器和大功率電源,大大降低了系統(tǒng)成本。

VMA系列功放模塊目前的5種型號(hào)和參數(shù)如下表所示

基于VMA系列功放模塊實(shí)現(xiàn)音頻功放電路的設(shè)計(jì)

其中VMA2013與VMA2015是pin-pin兼容的,VMA2014和VMA2016是pin-pin兼容,僅功率不同,可以直接互換。

下圖是VMA2016功放模塊的實(shí)物照片。

圖一 VMA2016立體聲功放模塊實(shí)物

可以看出,即使是目前該系列模塊中輸出功率最大的,也僅僅與一枚硬幣尺寸相仿。小體積的優(yōu)勢(shì)使得VMA系列芯片在一些諸如汽車音響、電池供電音響、手持設(shè)備等空間有限的應(yīng)用中大有用武之地。下面逐個(gè)介紹該系列的成員:

VMA2012

VMA2012是該系列中最早誕生的,但就其輸出功率而言只能算小兄弟。不過2.5w x 2的功率也決不可小覷了,可以讓你的桌面小音箱唱得滿屋子都聽得清清楚楚。這個(gè)型號(hào)最大的特點(diǎn)是供電電壓低,最低只需要2.7V就能正常工作了,最高也不能超過5.5V。也就是說,只需要2-3節(jié)干電池供電,VMA2012就能推動(dòng)8歐的小音箱讓十幾平米的房間充滿美妙的音樂。這對(duì)于傳統(tǒng)的模擬功放而言是不可思議的。

下面是VMA2012的引腳圖以及瑞宇飛科技有限公司提供的Altium Designer器件庫(kù):

圖二 VMA2012引腳圖以及元件符號(hào)

VMA2012模塊采用的仍然是VM系列模塊常見的PQN-12封裝,尺寸為15x18x3.8mm,非常纖小。VMA2012的引腳說明如下:

采用VMA2012設(shè)計(jì)立體聲功放非常簡(jiǎn)單,通常只需要兩個(gè)設(shè)置增益的電阻。如果20倍的電壓增益正好適合,甚至這兩個(gè)電阻都可以省去了。小體積、低成本、低電壓的特性使得VMA2012非常適合用于高端收音機(jī)、便攜式小型音響、桌面音響等場(chǎng)合。

下圖是VMA2012的參考設(shè)計(jì)電路:

圖三 VMA2012參考設(shè)計(jì)

上圖參考設(shè)計(jì)中采用的是單端輸入的設(shè)計(jì),適合用來直接接MP3等音源。當(dāng)然也可以設(shè)計(jì)成差分輸入的模式用于與codec等設(shè)備接口。

電壓增益通過兩個(gè)電阻Rg1和Rg2來設(shè)置,增益的計(jì)算公式為:

由增益的公式可以推斷出,如果省去Rg直接將輸入信號(hào)接入模塊,VMA2012最高增益是20倍。這樣的增益正好適合MP3等音源推動(dòng)小型桌面音箱。如果有特殊需要更高的增益,我們可以根據(jù)客戶的要求進(jìn)行制造。

下圖是用戶采用VMA2012模塊制造的功放板,其尺寸僅為CF卡大小,可以裝入非常小的空間內(nèi)做成超mini的功放。有用戶*價(jià)其音質(zhì)“超乎預(yù)想,完全可以滿足一般的音樂欣賞要求?!?/p>

圖四 用VMA2012設(shè)計(jì)的功放板

VMA2013/VMA2015

VMA2013/2015是單聲道大功率的音頻功放模塊,在負(fù)載為8Ω時(shí)VMA2013輸出功率是6W,VMA2015是15W。在半功率輸出時(shí)模塊的THD+N僅為0.07%。兩種芯片外觀尺寸和引腳完全一樣,因此可以互換使用。模塊封裝引腳和器件圖如下所示:

圖五 VMA2013/2015引腳圖和元件符號(hào)

VMA2012模塊采用的是VM系列模塊常見的PQN-12封裝,尺寸為15x18x3.8mm VMA2012的引腳說明如下:

采用VMA2013/2015設(shè)計(jì)功放電路同樣很簡(jiǎn)單,最簡(jiǎn)化的情況下可以不要任何外圍元件。當(dāng)然為了改善音質(zhì),特別是在大功率輸出的情況下,我們還是建議加一只1000uF以上的電源濾波電容。電容越大對(duì)改善大動(dòng)態(tài)的響應(yīng)越有利。此外在具體設(shè)計(jì)時(shí),G0和G1可以設(shè)計(jì)成跳線的形式以便設(shè)置不同的增益值。下圖是VMA2013/2015的參考電路圖:

圖六 VMA2013/2015參考設(shè)計(jì)電路圖

上圖的參考設(shè)計(jì)是單端的設(shè)計(jì),這時(shí)將IN-直接接地。G0、G1和VRPCB上可以用跳線來進(jìn)行設(shè)置。

下圖是采用VMA2015設(shè)計(jì)的15Wx2立體聲功放板,通過對(duì)比可以看到尺寸僅比CF卡略大,而輸出功率卻能夠達(dá)到15Wx2,充分顯示出了VMA系列模塊高功率密度的優(yōu)勢(shì)。

圖七 用2015設(shè)計(jì)的15Wx2立體聲功放板

VMA2014/VMA2016

VMA2014/VMA2016是中/大功率的立體聲音頻功放模塊。8Ω負(fù)載時(shí)VMA2014的輸出功率為5Wx2,VMA2016的功率為10Wx2。半功率輸出時(shí)THD+N僅為0.07%,SNR高達(dá)97dB。兩種芯片外觀尺寸和引腳完全一樣,因此可以互換使用。模塊封裝引腳和器件圖如下所示:

圖八 VMA2014/2016引腳圖和元件符號(hào)

VMA2012模塊采用的是VM系列模塊常見的PQN-18封裝,尺寸為15x25.4x3.8mm VMA2012的引腳說明如下:

圖九 VMA2014/VMA2016參考電路

上圖的參考設(shè)計(jì)為單端輸入,這時(shí)將IN-直接接地。G0、G1和VR在PCB上可以用跳線來進(jìn)行設(shè)置。

下圖是采用VMA2016設(shè)計(jì)的10Wx2立體聲功放板,尺寸僅與CF卡相仿,可以輕易放入很多小音箱以及其它音頻娛樂設(shè)備中。

圖十 用VMA2016設(shè)計(jì)的10Wx2立體聲功放板

目前VMA2016已經(jīng)在汽車音響、桌面音響中被大量使用,其優(yōu)異的音質(zhì)、纖小的體積、簡(jiǎn)潔的電路以及高性價(jià)比得到了廣大用戶的一致好*。有用戶*價(jià):“質(zhì)不錯(cuò),高低音非常均衡,音質(zhì)細(xì)膩耐聽,高頻纖細(xì),低頻量感也很好”;“非常省電,開到一般響度,離音箱2米聽弦樂聲音正合適,消耗電流100mA左右”;“發(fā)熱量很小,在常規(guī)音量下,電路僅微微溫?zé)岫?。?/p>

VMA系列模塊的焊接

VMA系列模塊采用耐高溫的材料進(jìn)行封裝,因此可以采用回流焊進(jìn)行焊接。在業(yè)余條件下用電烙鐵焊接也是非常方便的。準(zhǔn)備一把尖頭烙鐵和一些細(xì)焊錫絲(1mm以下最佳)。先在焊盤上涂上一些助焊劑,然后將模塊放到準(zhǔn)確的位置,使模塊上的引腳與焊盤一一對(duì)應(yīng)好。將焊錫絲放入半孔缺口,用烙鐵輕輕觸碰焊錫絲,很快焊錫就會(huì)融化并且將模塊的半孔焊盤與底板的焊盤牢固地焊接在一起。焊接的操作如下圖所示:

圖十一 VMA系列模塊的手工焊接

責(zé)任編輯:gt

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