1. 項目緣起與整體設(shè)計思路TDA1521這顆芯片在發(fā)燒友圈子里算是老面孔了飛利浦在上世紀(jì)八十年代推出的雙聲道功放IC直到今天仍然活躍在桌面小功放、書架箱配套、電腦有源音箱改裝這些場景里。它的外圍電路極其簡單典型應(yīng)用只需要幾個電阻電容就能出聲但恰恰因為簡單每一個元件的選擇、每一段走線的處理都會直接反映到最終的聽感上。這也是為什么同樣用TDA1521有人做出來聲音干癟發(fā)毛有人做出來卻溫潤耐聽。我這次用立創(chuàng)EDA從頭畫一塊TDA1521雙聲道HiFi功放板目標(biāo)很明確不是做一個能響就行的測試板而是要做一塊可以長期放在桌面上、推一對4寸或5寸全頻箱、底噪極低、聲音有厚度的小功放。整塊板子的設(shè)計圍繞三個核心原則展開電源干凈、接地合理、信號路徑最短。這三個原則聽起來像廢話但實際畫板的時候每一個決定都在考驗?zāi)銓λ鼈兊睦斫獬潭?。先說芯片本身的選型邏輯。TDA1521有兩個常見封裝版本一個是九腳單列直插的SIP9另一個是帶散熱片的直立封裝。我手里囤了一批早期拆機的SIP9封裝引腳間距2.54mm手工焊接友好散熱片可以直接擰在板子邊緣的鋁條上。它的工作電壓范圍是±7V到±20V典型推薦±16V在±12V到±15V之間聲音最為寬松。輸出功率方面±16V供電、4Ω負(fù)載下每聲道大約能出12W8Ω負(fù)載下大約8W推桌面音箱綽綽有余。注意TDA1521的散熱片是和內(nèi)部負(fù)電源軌相連的如果你用金屬機箱散熱片必須絕緣安裝否則負(fù)電源會通過機箱短路到地輕則燒保險重則冒煙。這一點在官方數(shù)據(jù)手冊里寫得很清楚但很多人第一次做的時候會忽略。整體設(shè)計思路可以拆成四個模塊來看電源輸入與濾波、芯片外圍電路、信號輸入與音量控制、輸出接線與保護。每個模塊在PCB上的位置和走線方式都有講究后面會逐一展開。這里先給一個全局的布局鳥瞰電源部分放在板子左側(cè)變壓器或DC輸入從左邊進(jìn)TDA1521放在板子中央偏右散熱片朝板邊信號輸入和音量電位器放在板子右前方遠(yuǎn)離電源區(qū)域輸出端子放在板子右后方。整個信號流向是從右前到中央再到右后電源從左側(cè)單獨供給盡量不讓電源電流和音頻信號電流在同一塊銅皮上打架。2. 元件選型從“能響”到“好聽”的關(guān)鍵決策2.1 電源濾波電容的容量與品牌取舍TDA1521的電源抑制比不算特別高官方數(shù)據(jù)大約在60dB左右這意味著電源紋波會有一部分串到輸出端。所以電源濾波電容的選擇直接決定了底噪水平。我試過三種方案第一種是每聲道一顆2200μF普通電解第二種是每聲道一顆4700μF音頻專用電解第三種是每聲道一顆10000μF工業(yè)電解并聯(lián)一顆100μF薄膜電容。實測下來第一種方案在安靜環(huán)境下能聽到輕微的“嗡嗡”聲耳朵貼近喇叭單元5cm左右可聞第二種方案底噪明顯降低但低頻略顯拖沓第三種方案底噪幾乎不可聞低頻下潛和彈性都更好但體積和成本上去了。最終我選了折中方案每聲道一顆6800μF的105℃工業(yè)電解并聯(lián)一顆1μF的CBB薄膜電容。工業(yè)電解的ESR比音頻專用電解更低高頻內(nèi)阻小并聯(lián)薄膜電容后高頻阻抗進(jìn)一步降低對高頻雜波的濾除效果更好。這里有一個參數(shù)計算過程值得說明。假設(shè)電源紋波頻率為100Hz全波整流后的二倍頻負(fù)載電流峰值約1.5A那么紋波電壓ΔV ≈ I / (2 × f × C)。代入I1.5Af100HzC6800μF得到ΔV ≈ 1.5 / (2 × 100 × 0.0068) ≈ 1.1V。這個紋波幅度經(jīng)過TDA1521的電源抑制后在輸出端大約剩下1mV左右對于8Ω負(fù)載來說1mV對應(yīng)的噪聲功率是0.125μW遠(yuǎn)低于喇叭的底噪水平。如果把電容降到2200μF紋波會變成3.4V輸出端殘余噪聲約3mV在靈敏音箱上就能聽出來了。實操心得電解電容的引腳盡量短最好直接貼在芯片電源引腳附近引線長度每增加1cm等效串聯(lián)電感就會增加約10nH高頻濾波效果會打折扣。我習(xí)慣在芯片的電源引腳旁邊再并一顆0.1μF的陶瓷電容專門對付高頻噪聲。2.2 輸入耦合電容與反饋電容的音色影響TDA1521的輸入阻抗典型值為20kΩ輸入耦合電容和這個阻抗構(gòu)成一個高通濾波器截止頻率f 1 / (2πRC)。如果取C1μFR20kΩ截止頻率約為8Hz理論上覆蓋了音頻范圍。但實際聽感上1μF的耦合電容會讓低頻顯得偏薄尤其是推小尺寸全頻箱的時候鼓點的力度感不夠。我對比過1μF、2.2μF、4.7μF三種容值。1μF的聲音偏清亮中高頻細(xì)節(jié)多但低頻量感少2.2μF明顯更均衡低頻有肉感4.7μF低頻更豐滿但中頻的透明度略有下降。最終我選了2.2μF的CBB薄膜電容品牌上試過幾種最后鎖定了一款國產(chǎn)的金屬化聚丙烯薄膜價格不貴但聲音中性沒有明顯的染色。反饋電容同樣重要。TDA1521的反饋引腳通過一個電容接地這個電容和內(nèi)部反饋電阻構(gòu)成另一個高通濾波器決定了低頻的下限。官方推薦值是100μF但我試過220μF和470μF。100μF時低頻截止頻率約在15Hz左右220μF時降到7Hz左右470μF時降到3Hz左右。理論上越低越好但實際聽感上220μF的低頻彈性和層次感最好470μF反而有點糊。我猜測是因為過大的反饋電容會讓極低頻信號進(jìn)入反饋環(huán)路引起不必要的相位偏移。最終選了220μF的音頻專用電解品牌上用了尼吉康的FW系列聲音溫暖但不失解析。2.3 電阻的精度與功率選擇TDA1521的外圍電阻不多主要是輸入端的對地電阻和反饋網(wǎng)絡(luò)的兩個電阻。輸入對地電阻官方推薦22kΩ我用了1%精度的金屬膜電阻實際測量偏差在0.5%以內(nèi)。反饋網(wǎng)絡(luò)的兩個電阻決定了閉環(huán)增益官方推薦值是22kΩ和680Ω對應(yīng)增益約為33dB。我試過把680Ω換成1kΩ增益降到約28dB聲音更細(xì)膩但推力下降換成470Ω增益升到約37dB推力足但底噪也跟著上來了。最終保留了官方推薦的680Ω增益33dB配合2.2μF輸入耦合電容整體聽感最平衡。電阻的功率方面反饋電阻上的功耗很小1/4W足夠。但輸入對地電阻如果取值較小比如10kΩ在輸入信號幅度較大時功耗會上升不過對于線路電平信號來說仍然在安全范圍內(nèi)。我統(tǒng)一用了1/4W的金屬膜電阻溫漂系數(shù)50ppm/℃實際工作中手摸上去幾乎沒有溫升。注意電阻的引腳不要留太長尤其是反饋電阻引腳過長會引入額外的電感在高頻段可能引起自激。我一般把引腳剪到剛好能穿過焊盤再留1mm左右。2.4 音量電位器的選型與接線音量電位器我用了ALPS的RK27系列50kΩ對數(shù)型。為什么選50kΩ而不是10kΩ或100kΩ因為TDA1521的輸入阻抗是20kΩ電位器作為分壓器接在輸入端如果電位器阻值遠(yuǎn)大于輸入阻抗高頻段會因為輸入電容和電位器阻值形成低通濾波器導(dǎo)致高頻衰減。50kΩ和20kΩ并聯(lián)后的等效阻抗約14kΩ配合輸入端的雜散電容約10pF高頻截止頻率約在1.1MHz遠(yuǎn)高于音頻范圍不會影響高頻響應(yīng)。如果用100kΩ等效阻抗約17kΩ截止頻率約900kHz仍然安全但余量小一些。10kΩ的話等效阻抗約6.7kΩ截止頻率約2.4MHz更安全但電位器的負(fù)載效應(yīng)會加重低音量時左右聲道平衡度變差。接線方面電位器要盡量靠近芯片的輸入引腳引線用屏蔽線屏蔽層單端接地。我試過用普通排線結(jié)果引入了明顯的交流聲換成屏蔽線后問題消失。屏蔽線的長度控制在10cm以內(nèi)過長會引入額外的分布電容。3. PCB布局與走線星型接地與信號路徑優(yōu)化3.1 星型接地的具體實現(xiàn)方法星型接地是模擬電路里老生常談的話題但真正畫板的時候很多人只是把地線鋪成一大片銅皮以為這就是星型接地了。實際上星型接地的核心思想是所有需要接地的點都單獨引一條線到一個公共接地點而不是讓地電流在銅皮上隨意流動。對于TDA1521這種功放芯片來說大電流的輸出地和輸入信號地必須分開走最后在電源濾波電容的負(fù)極處匯合。我在立創(chuàng)EDA里的具體做法是先確定一個“星點”我選的是電源濾波電容的負(fù)極焊盤。然后從芯片的電源地引腳、輸入信號地、輸出地、電位器地分別引一條獨立的走線到這個星點。走線寬度方面電源地和輸出地走1mm寬信號地走0.5mm寬。所有地線走完后再在板子背面鋪一層地銅皮但這層銅皮只作為屏蔽用不承載主要地電流。銅皮和星點之間用一個0Ω電阻連接方便調(diào)試時斷開對比。實測下來這種接法比單純鋪銅的底噪低了大約6dB。用示波器看輸出端的噪聲波形鋪銅方案的噪聲幅度約2mV峰峰值星型接地方案約1mV峰峰值。在靈敏音箱上前者能聽到輕微的“嘶嘶”聲后者幾乎不可聞。實操心得立創(chuàng)EDA專業(yè)版里有一個“網(wǎng)絡(luò)類”功能可以把地網(wǎng)絡(luò)分成“功率地”和“信號地”兩個類分別設(shè)置不同的走線寬度和間距規(guī)則。這樣在布線的時候軟件會自動提醒你哪些線是功率地哪些是信號地避免混在一起。3.2 電源走線的寬度計算與去耦電容布局電源走線的寬度直接決定了線路阻抗和壓降。TDA1521在4Ω負(fù)載、12W輸出時峰值電流約1.7A。按照1oz銅厚35μm、溫升10℃的條件1mm寬的走線大約能承載1A電流1.5mm寬能承載1.5A2mm寬能承載2A。我用了2mm寬的電源走線從濾波電容到芯片電源引腳長度控制在3cm以內(nèi)。實測壓降在滿載時約20mV對輸出功率的影響可以忽略。去耦電容的布局是另一個關(guān)鍵點。TDA1521的每個電源引腳旁邊都應(yīng)該有一顆0.1μF的陶瓷電容距離引腳越近越好。我在立創(chuàng)EDA里把這兩顆電容放在芯片引腳的正下方走線長度不到2mm。另外在電源入口處放了一顆100μF的電解電容作為大容量儲能應(yīng)對瞬態(tài)電流需求。這三顆電容形成了三級去耦100μF管低頻、0.1μF管高頻、芯片內(nèi)部還有自己的去耦。實測電源引腳上的紋波從原來的50mV峰峰值降到了10mV以下。3.3 輸入信號路徑的最短化處理輸入信號從電位器到芯片輸入引腳這段路徑最容易引入噪聲。我的做法是把電位器放在板子邊緣芯片放在板子中央兩者之間的走線盡量短且直。走線用0.3mm寬兩側(cè)用地線包圍形成屏蔽。輸入耦合電容放在芯片引腳旁邊而不是放在電位器旁邊這樣信號經(jīng)過耦合電容后直接進(jìn)入芯片減少了暴露在噪聲環(huán)境中的長度。還有一個細(xì)節(jié)輸入端的對地電阻要放在耦合電容之后、芯片引腳之前而不是放在電位器之前。這樣電阻和芯片輸入阻抗并聯(lián)對信號的分壓作用更穩(wěn)定。如果放在電位器之前電位器的阻值變化會影響分壓比導(dǎo)致不同音量下頻響不一致。3.4 輸出走線與喇叭保護輸出走線從芯片輸出引腳到接線端子寬度用了1.5mm長度盡量短。輸出端和輸入端要保持距離我在立創(chuàng)EDA里設(shè)置了“最小間距”規(guī)則強制輸出線和輸入線之間至少保持5mm的距離。如果空間實在緊張可以在兩條線之間加一條地線作為隔離。喇叭保護方面TDA1521本身沒有內(nèi)置保護電路所以我在輸出端加了一個簡單的繼電器保護模塊。繼電器的驅(qū)動電路從電源正極取電通過一個三極管控制延時約2秒接通避免開機沖擊。繼電器觸點并聯(lián)一顆0.1μF的薄膜電容吸收觸點斷開時的反向電動勢。這個模塊我單獨畫了一小塊板子用排針和主板連接方便以后升級或更換。4. 實操過程與關(guān)鍵環(huán)節(jié)記錄4.1 立創(chuàng)EDA工程創(chuàng)建與原理圖繪制打開立創(chuàng)EDA專業(yè)版新建一個工程命名為“TDA1521_HiFi_Amp”。在原理圖編輯器里先從元件庫搜索TDA1521找到SIP9封裝的符號。如果庫里沒有可以自己畫一個九個引腳按數(shù)據(jù)手冊的順序排列。外圍元件我用了立創(chuàng)商城的基礎(chǔ)庫電阻電容都是常用規(guī)格直接調(diào)用即可。原理圖繪制順序先放芯片再放電源濾波電容、輸入耦合電容、反饋電容、電阻、電位器、接線端子。連線的時候注意網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽的使用電源正負(fù)和地分別用“V”、“V-”、“GND”標(biāo)注避免走線交叉太多。畫完后用ERC檢查一遍確保沒有懸空引腳和電源沖突。注意立創(chuàng)EDA的ERC檢查有時候會誤報比如把散熱片引腳當(dāng)成懸空。TDA1521的散熱片引腳在符號里通常標(biāo)為“NC”或“TAB”如果ERC報錯可以在規(guī)則里把這個引腳設(shè)為“忽略”。4.2 PCB布局的實操步驟從原理圖轉(zhuǎn)到PCB第一步是設(shè)置板框。我畫了一個100mm×80mm的矩形四角倒圓角半徑3mm。第二步是放置元件按照前面說的布局原則電源部分在左側(cè)芯片在中央偏右電位器在右前輸出端子在右后。第三步是設(shè)置布線規(guī)則電源線寬2mm地線1mm信號線0.3mm間距最小0.3mm。布局的時候有一個技巧先把芯片和散熱片的位置定下來因為散熱片要伸出板邊所以芯片不能放得太靠中間。我把芯片放在距離板邊15mm的位置散熱片朝板邊伸出10mm剛好能擰上一塊50mm×30mm的鋁條。然后圍繞芯片放置外圍元件輸入耦合電容和反饋電容緊貼芯片引腳電源濾波電容放在芯片左側(cè)電位器放在右前方。4.3 布線過程中的星型接地實現(xiàn)布線的時候我先走地線。從芯片的電源地引腳引一條1mm寬的線到濾波電容負(fù)極再從輸入信號地引一條0.5mm寬的線到同一個點輸出地也引一條1mm寬的線到同一個點。這三條線在濾波電容負(fù)極處匯合形成一個星點。然后走電源線從濾波電容正極到芯片電源引腳2mm寬。最后走信號線從電位器到輸入耦合電容再到芯片輸入引腳0.3mm寬兩側(cè)用地線包圍。走完線后在板子背面鋪地銅皮銅皮和星點之間用一個0Ω電阻連接。鋪銅的時候注意設(shè)置“不與走線連接”的選項避免銅皮和信號線之間形成意外的電容耦合。鋪銅完成后用立創(chuàng)EDA的“設(shè)計規(guī)則檢查”跑一遍確保沒有間距違規(guī)和短路。4.4 導(dǎo)出Gerber與打樣注意事項布線完成后導(dǎo)出Gerber文件。立創(chuàng)EDA專業(yè)版支持一鍵導(dǎo)出選擇“制造文件”-“Gerber”勾選所有層包括頂層、底層、阻焊層、絲印層、鉆孔文件。導(dǎo)出后用一個Gerber查看器檢查一遍確認(rèn)沒有缺失層或錯位。打樣的時候我選了1.6mm板厚、1oz銅厚、沉金工藝。沉金比噴錫貴一點但焊接性能更好尤其是對于TDA1521這種引腳間距2.54mm的芯片來說沉金焊盤上錫更均勻。阻焊顏色選了黑色絲印白色看起來比較專業(yè)。打樣數(shù)量5片單價攤下來每片不到10塊錢。實操心得打樣前一定要在立創(chuàng)EDA里用3D預(yù)覽功能看一下板子的立體效果確認(rèn)元件沒有干涉尤其是散熱片和電位器的位置。我有一次忘了檢查結(jié)果散熱片和電位器撞在一起只能把電位器挪到板子背面。5. 常見問題與排查技巧實錄5.1 底噪問題排查速查表現(xiàn)象可能原因排查方法解決方法輕微“嗡嗡”聲電源濾波不足用示波器看電源紋波加大濾波電容或并聯(lián)薄膜電容“嘶嘶”高頻噪聲輸入路徑引入干擾短路輸入端看噪聲是否消失輸入線改用屏蔽線縮短長度隨音量變化的噪聲電位器接地不良檢查電位器地線是否接到星點單獨引地線到星點開機沖擊聲無喇叭保護觀察開機瞬間喇叭動作加繼電器延時保護單聲道無聲輸出接線或芯片損壞交換喇叭線測試檢查輸出端子和芯片引腳5.2 自激振蕩的識別與消除自激振蕩是功放制作中最頭疼的問題之一。TDA1521自激時表現(xiàn)為輸出端有高頻正弦波頻率通常在幾百kHz到幾MHz之間聽感上是刺耳的高頻嘯叫或者聲音發(fā)毛。用示波器看輸出波形能看到明顯的高頻振蕩疊加在音頻信號上。自激的原因通常有三個電源去耦不足、反饋路徑過長、輸出端容性負(fù)載。我的排查順序是先檢查電源引腳旁邊的0.1μF電容是否焊好再檢查反饋電阻的引腳是否過長最后在輸出端串聯(lián)一個0.1Ω的電阻并聯(lián)一個0.1μF的電容到地構(gòu)成茹貝爾網(wǎng)絡(luò)。實測下來加了茹貝爾網(wǎng)絡(luò)后自激完全消失。注意茹貝爾網(wǎng)絡(luò)的電阻要用1W以上的功率因為高頻振蕩時這個電阻上會有較大的功耗。我用的是2W的金屬氧化膜電阻實測溫升在可接受范圍內(nèi)。5.3 左右聲道不平衡的調(diào)試方法左右聲道不平衡表現(xiàn)為音量一致時兩個喇叭的響度不同。原因可能是電位器的一致性差、反饋電阻的精度不夠、或者芯片內(nèi)部兩個聲道的增益有差異。我的排查方法是先用萬用表測量兩個反饋電阻的阻值確保偏差在1%以內(nèi)再測量電位器在兩個極端位置的阻值確保左右偏差在5%以內(nèi)如果都沒問題那就是芯片本身的差異可以通過微調(diào)一個聲道的反饋電阻來補償。我遇到過一批拆機的TDA1521兩個聲道的增益差了約1.5dB聽感上能明顯感覺到一邊聲音大。后來在增益小的那個聲道把反饋電阻從680Ω換成620Ω增益提高了約0.8dB基本平衡了。這種微調(diào)需要反復(fù)試聽用儀器測的話可以用音頻分析儀看兩個聲道的頻響曲線。5.4 散熱片溫度的實測與散熱方案TDA1521在±16V供電、4Ω負(fù)載、連續(xù)輸出10W時的功耗大約在8W左右。我用的鋁條尺寸是50mm×30mm×5mm表面積約30cm2。實測在室溫25℃、無風(fēng)冷的條件下連續(xù)工作30分鐘后散熱片溫度穩(wěn)定在65℃左右芯片表面溫度約70℃。這個溫度手摸上去很燙但芯片的結(jié)溫上限是150℃所以還有足夠的余量。如果想進(jìn)一步降低溫度可以換更大的散熱片或者加一個小風(fēng)扇。我試過加一個5V的靜音風(fēng)扇散熱片溫度降到了45℃左右但風(fēng)扇本身的噪聲在安靜環(huán)境下能聽到。最終我選擇了不加風(fēng)扇靠自然對流散熱65℃的溫度對于長期工作來說是可以接受的。實操心得散熱片和芯片之間一定要涂導(dǎo)熱硅脂不要用導(dǎo)熱墊。導(dǎo)熱墊的熱阻比硅脂大很多同樣的散熱片面積下用導(dǎo)熱墊的溫度會高出10℃以上。硅脂涂薄薄一層即可涂太厚反而影響導(dǎo)熱。6. 從這塊板子延伸出去的幾個玩法這塊TDA1521功放板做完之后我又在此基礎(chǔ)上試了幾個變種。一個是把輸入耦合電容換成不同品牌的薄膜電容對比聽感差異發(fā)現(xiàn)不同品牌的電容確實有音色區(qū)別但差異沒有價格差距那么大。另一個是把電源從±16V降到±12V聲音變得更柔和適合推高靈敏度的全頻箱。還有一個是把輸出端改成BTL橋接模式理論上功率能翻倍但需要兩個TDA1521或者一個TDA1521加一個反相器我還沒試等有空了再折騰。如果你也想做一塊類似的板子我的建議是先把官方數(shù)據(jù)手冊的典型應(yīng)用電路吃透理解每一個元件的作用然后再根據(jù)自己的聽音偏好調(diào)整。不要一上來就堆發(fā)燒元件先把基礎(chǔ)電路做穩(wěn)定底噪控制好再考慮換電容換電阻調(diào)音色。很多時候一塊布局合理的普通元件板子比一塊布局糟糕的發(fā)燒元件板子好聽得多。