tpa3116功放原理图 D类放大器集成电路设计

小编 2025-04-04 项目合作 23 0

D类放大器集成电路设计

模拟功率放大器的发展一直侧重于提高保真度,同时提升放大器能效。根据工作点或偏置点以及导通时输入信号周期的百分比,放大器可分为 A、B、AB 或 C 类放大器(图 1)。

图 1:A、B、AB 和 C 类模拟放大器的工作偏压和信号传导。(图片来源:Digi-Key Ele

A 类放大器(左上)在输入信号的整个周期内导通。其偏置点位于输入-输出工作特性的中点。信号保真度出色,但由于放大器始终处于开启状态,即使没有输入信号,能效也通常较低。

B 类(左下)放大器旨在通过在截止频率下偏置放大器来提高能效。放大器仅导通半个输入周期。通常,

电路 配置为推挽拓扑,以放大正输入和负输入转换。在没有信号的情况下,放大器不会导通,从而提高了能效。由于在输入极性的转换点处可能发生交越失真,从而造成保真度损失,因此会抵消这一优势。

若要解决交越失真问题,可以稍微向上移动放大器的偏置点。这样就产生了 AB 类放大器(右上)。此类放大器通常也用于推挽式配置。AB 类放大器是音频电源 应用中最常见的类型。

C 类放大器(右下)设计用于在输入周期的很小一部分上导通。它的特点是能效高,但保真度差。这些放大器适用于射频功率设计,其中输出负载是谐振电路,可恢复正确的波形。

有关提高这些模拟放大器能效的策略主要侧重于:将放大器的导通相位降至尽可能最短的持续时间,如 C 类放大器所示。

D 类基础知识

D 类放大器采用不同的方法,其工作方式与开关模式电源非常相似(图 2)。

图 2:D 类放大器将模拟输入转换为 PWM 波形,以完全打开或关闭 FET 开关。输出低通滤波器可

D 类放大器将输入模拟信号转换为脉冲宽度调制 (PWM) 波形。PWM 波形为每个脉冲完全打开或关闭推挽式 FET 输出级。当其中一个 FET 导通时,通过它的电流很高,但其上的电压非常低,因此仅在导通和关断状态之间的短暂转换期间消耗功率。同样,当该 FET 关断时,两端的电压很高,但电流接近零。此时,除了状态转换之外也没有功率耗散。

通过将模拟波形应用于比较器的一个输入,同时以所需开关频率将三角波形或斜坡波形应用于另一个输入,即可完成模拟波形到 PWM 波形的转换(图 3)。上方迹线代表输入波形,在本例中为 10 千赫兹 (kHz) 正弦波,其应用于比较器的一个输入。中间迹线是 250 kHz 三角波,其应用于比较器的另一个输入。比较器输出是下方迹线中显示的 PWM 波形。脉冲宽度随着输入信号的幅度而变化。

图 3:从模拟输入创建 PWM 信号需要输入信号(上方)和三角函数或斜坡函数(中间)。然后将两者应用

FET 推挽功率级的输出也是 PWM 信号。这适用于简单的电感器-电容器 (L-C) 低通滤波器,以恢复放大的模拟波形。三角波的频率必须远高于低通滤波器的转折频率。

PWM 的替代方案是脉冲密度调制 (PDM)。PDM 使用一系列短持续时间的矩形脉冲,脉冲密度会发生变化,与模拟输入幅度存在函数关系。它使用三角积分调制。

D 类放大器的增益受总线电压的影响。虽然电源抑制比欠佳,但可以通过使用放大器周围的反馈进行校正。此情形如图 2 的框图所示,其中反馈来自滤波器输入。

D 类放大器的主要优点是能效高达 90% 左右。这远胜于最接近的模拟竞争对手 AB 类放大器(能效为 50% 至 70%)。

高能效可实现更小的物理尺寸,并且可能无需使用散热器和冷却风扇。当应用于便携式设备时,更高的能效意味着更长的电池寿命。能效直接随输出功率水平而变化,并随功率下降而下降。

D 类放大器拓扑结构

D 类放大器通常使用两种拓扑结构,其中较为简单的结构是图 4 所示的半桥电路。

图 4:两种常用的 D 类拓扑结构是半桥和全桥配置。(图片来源:Digi-Key Electroni

全桥拓扑结构称为桥接式负载 (BTL),其优势是在供电电压与半桥配置相同时,可提供更高的输出功率。半桥的滤波器输入在正或负电源轨间摆动,而 BTL 电路在正负轨之间具有负载,同时使应用到负载的电压翻倍,从而使功率输出翻了四倍。BTL 操作还允许使用单个单极电源。

无滤波 D 类放大器

借助称为 AD 调制的传统 D 类开关系统,占空比可调制矩形波形,使其平均值对应于输入模拟信号电压。BTL 输出相互补充。输出中没有明显的共模开关内容。但是,由于 PWM 开关的平均值缘故,存在共模直流电压。由于此直流电压电平应用到负载两侧,因此不会增加其两端的功率耗散。

在没有输入的情况下,放大器以其标称 PWM 频率开关,应用于负载的占空比为 50%。这导致负载中有明显的电流流动和功率耗散。为了提高能效,需要使用 L-C 滤波器将电流降低到“纹波”。由于减少了负载耗散和输出 FET 的 RDS(on) 导通损耗,因此纹波电流越低,能效越高。

一种替代调制方案(通常称为 BD 或无滤波器调制)使用开关系统来调制输出信号差异的占空比,以便使其平均值与输入模拟信号匹配。BTL 输出在待机时彼此同相,而不是互补。这导致负载两端的电压差为零,从而无需滤波器即可最大程度地降低静态功耗。BD 调制在其输出中具有明显的共模内容。该调制方案依赖于扬声器的固有电感和人耳的带通滤波器特性来恢复音频信号。

D 类放大器集成电路

Texas Instruments TPA3116D2DADR 是一款 D 类立体声放大器,能效 > 90%,支持多路输出功率配置,其中包括 2 条到 21 伏、4Ω BTL 负载的 50 瓦通道。该系列中的其他型号支持 2 条到 24 伏、8 Ω 的 30 瓦通道,以及 2 条到 15 伏、8 Ω 的 15 瓦通道。只有最高功率装置才需要散热器。

这些装置支持高达 1.2 MHz 的开关频率,可避免 AM,以防止干扰。AD 或 BD 调制方案可通过单个输入控制进行选择。它包括集成自保护电路,包括过压、欠压、过热、DC 检测和短路,具有错误报告功能。下面使用 ti 的 TINA-TI 仿真 工具显示了典型配置(图 5)。

图 5:TI TPA3116D2DADR D 类立体声放大器仿真,其中显示 BD 调制的原始 (VM

该电路使用单个 12 伏电源,输出功率为 12.5 瓦到 4 Ω。虚拟示波器显示原始数字输出 (VM3) 以及滤波输出 (VM1)。

Texas Instruments TPA3126D2DAD 是 TPA3116D2 系列的性能升级。该器件与旧式 IC 为引脚对引脚兼容,并采用专有混合调制方案,将待机电流降低 70%,从而实现了很大改进。该方案降低了低功率水平下的待机电流,从而延长电池寿命。

在设计 D 类放大器时,需要多加留意低功耗操作。如前所述,能效与功率水平成正比,而低功率水平通常意味着能效较低。Texas Instruments TPA2001D2PWPR 是一款属于第三代 D 类设计的每通道 1 瓦的立体声 D 类放大器。它具有更低的电源电流、更低的本底噪声和更高的能效。由于围绕 D 类无滤波器调制方案而设计,无需输出滤波器,从而为设计人员节省部件成本和板空间。它可以使用 5 伏电源提供到 8 Ω 的每通道 1 瓦以上的功率。

参考设计可用作评估板 TPA2001D2EVM,形成即插即用的 D 类音频放大器(图 6)。

图 6:基于 TPA2001D2 D 类放大器的每通道 1 瓦的立体声放大器。(图片来源:Texa

该放大器采用 BTL 拓扑结构,基本为自足式,仅需少量外部元器件

总结

对于便携式和电池供电设计,D 类放大器以小封装提供低损耗和极高的功率效率。现成的 IC 可以快速方便地应用这些放大器,并且最近的技术进步减少了对滤波器的需求,使它们成本更低和更紧凑。

「创意DIY」 工业设计产品——手工实木小音箱,音质很棒,低音不错

一个不错的工业设计产品小音箱,当然少不了一块不错的功放板等电路构思了一下自己想要的小音箱的样子,大致考虑一下需要达到怎样的性能。我这里原来买了2.75寸的全频喇叭,每个的极限功率标称20W,实际上这么小的喇叭,用到10W的功率就已经很大声了。我用的是TPA3116D2的数字功放芯片,移动的小音箱,木质,因此选择了供电电压相对较低,发热很小的数字功放芯片,保证安全和节能。TPA3116D2功放芯片标称最大功率100W,但是看那么细的管脚,能有50W就不错了,管脚很细很密,自己做PCB很困难,因此我买了转接板,然后用洞洞板焊接,懒得做PCB了,反正电路不难。有人说数字功放布线不好会严重影响音质,这个确实会,只要注意芯片线路很近的地方不要焊接其他元件,电感的两端不要放元件,注意线的排版,信号线尽量不要靠近其他线,特别是过大电流的线,差不多做好这些就不会出现严重的干扰现象。楼主做的板子,实测几乎听不到底噪(耳朵贴在喇叭上)。最难的还是电感,根据官方说明书给的原理图,四个电感都是10UH的,我没有合适的磁体,但是有漆包线,索性没事就饶了几个,用了1.0mm的漆包线,这个绕起来太费劲啊,过程不细说了,一千克的漆包线估计只能绕十二三个这个空心电感。下面几张是功放板,手绕电感用绝缘漆和硅胶固定,这颜色的硅胶,一个字,丑,不过电感绕的还算不错。但是有个问题就是绕好的电感的容量大小不好计算,就用电感表量一下呗。没有电感表的就买成品电感吧。不过据说数字功放的电感用空心电感的声音最为棒,但是楼主自己也没试过,也不敢断定。不过能肯定的是,有些差的电感音质确实很差很难听,会很干涩直白,用这个电感听起来很温暖甜美。用了以前用剩下的发烧电阻电容。相对来说,一片3116用这种电阻电容有些奢侈,不过不管了。个人有些强迫症。再整上两个大滤波,其实这个滤波用100uf以上的就可以了,因为使用电池供电,电压相对很干净。

装箱

就这么点内容

电池使用2500mAH一节的18650,两并三串,加上电池保护板,电量指示灯,加上一个5--10A的保险丝

箱体用了松木的指接板,这个不贵,前面板用了一块榉木板,这个有点贵,不过还是物有所值的完工之后如下,开机测试

声音温暖,男声有磁性,女声甜美,低音挺下沉的。唯一不足就是高音略缺乏,有高音喇叭的朋友可以加两个一寸的高音,那就完美了。最后说一下续航问题,我听的时候手机音量开一半,我的手机带运放的那种,因此同等音量比不带运放的声音大,到现在用了十几个小时,电量还没用完,因此暂时不确定能用多久。

有要将自己的DIY升级成产品的、需要产品设计的可以联系设计者:千策良品工业设计

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