低電壓音頻功率放大器TPA711的特性及其應(yīng)用

一、簡(jiǎn)介：

TPA711集成電路是TI專為內(nèi)置揚(yáng)聲器，外接耳機(jī),為低電壓場(chǎng)合應(yīng)用而開發(fā)的橋式（BTL）或單端（SE）音頻功率放大器。在3.3V工作電壓下，它可在音頻范圍內(nèi)，BTL (8Ω負(fù)載)工作模式下，輸出總諧波失真與噪聲值小于0.6%，250mW的連續(xù)功率。盡管TPA711具有20kHz以上的工作特性，但其在更窄頻段的應(yīng)用場(chǎng)合，如無(wú)線通信場(chǎng)合，效果最佳。BTL電路在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，輸出端可以省掉耦合電容器，這點(diǎn)對(duì)小型電池的供電設(shè)備特別重要。當(dāng)需要驅(qū)動(dòng)耳機(jī)時(shí)，TPA711不尋常的特點(diǎn)是可使放大器快速實(shí)現(xiàn)從BTL到SE模式切換。這樣，省掉了使用機(jī)械開關(guān)或附屬連接裝置。對(duì)功率敏感的應(yīng)用場(chǎng)合，TPA711可以在關(guān)斷模式下工作，借助于專用消噪聲電路消除揚(yáng)聲器的噪聲。TPA711有8腳SOIC和MSOP兩種表面安裝的封裝形式，它們可以減少50%的電路板面積和40%的高度。圖1、圖2分別表示其外形圖和內(nèi)部工作框圖。表1表示其引腳功能。

二、工作特性和外形圖

1. 工作電壓范圍3.3V～5V；

2. 額定工作電壓范圍2.5V～5.5V；

3. 輸出功率；

① 700mV，當(dāng)VDD=5V，BTL，RL=8Ω
② 85mV，當(dāng)VDD=5V，BE，RL=32Ω
③ 250mV，當(dāng)VDD=3.3V，BTL，RL=8Ω
④ 37mV，當(dāng)VDD=3.3V，SE，RL=32Ω

4. 關(guān)斷控制

① IDD=7μA，當(dāng)3.3V；
② IDD=50μA，當(dāng)5V；

5．BTL/SE轉(zhuǎn)換控制；

6．熱保護(hù)和短路保護(hù)；

7．集成消噪聲電器；

8．表面安裝封裝；

① SOIC
② PowerPADTMMSOp

外形如圖1所示。

圖1 D或DGN封裝頂視圖
D-小外形塑封（SOIC）
DGN-有導(dǎo)熱焊盤的小外形塑封（MSOP）

三、工作框圖及引腳功能:

圖2示出的是工作框圖，表1列出了引腳功能。

圖2 工 作 框 圖

表1 引 腳 功 能

四、參數(shù)測(cè)試電路：

圖3、4分別表示BTL、SE模式測(cè)試電路圖，用以測(cè)量電路的參數(shù)。

圖3 BTL模式測(cè)試電路

圖4 SE模式測(cè)試電路

五、典型應(yīng)用

1． 橋式輸出與單端輸出（BTL/SE）模式：

圖5給出了工作于BTL模式下的音頻功放電路圖。TPA711內(nèi)有兩個(gè)線性功放來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。它們工作于差動(dòng)方式。這樣相對(duì)于參考地電位，它的輸出功率較大。

圖5 橋式電路圖

輸出功率可由下式計(jì)算：

(1)

在便攜式音頻設(shè)備中，電路供電電壓為3.3V。在8Ω負(fù)載單端輸出62.5mW的情況下，橋式可輸出4×62.5=250mW。即有6dB的功增加。在增加功率輸出的同時(shí)，對(duì)頻率響應(yīng)也應(yīng)加以注意。
在圖6 所示的SE（單端）輸出情況下，接至負(fù)載的隔直耦合電容Cc是必不可少的，該電容器的容量比較大（3.3μF～1000μF），重量也較大，占印刷電路板的面積大，價(jià)格較貴。這個(gè)電容對(duì)系統(tǒng)的低頻響應(yīng)影響很大。這是由于這個(gè)電容和負(fù)載間形成的高通濾波而造成的。角頻率可由下式計(jì)算：

(2)

圖6 單端電路和頻率響應(yīng)圖

例如，在8Ω負(fù)載，輸出耦合電容為68μF時(shí)，將對(duì)293Hz以下的頻率加以衰減。而在BTL模式下，抵消了直流失調(diào)電壓，省掉了輸出輸出耦合電容，低頻特性只取決于輸出回路和揚(yáng)聲器特性。同時(shí)電路體積和造價(jià)也相應(yīng)降低。

2． BTL放大器效率：

線性放大器的效率低，這主要是因于輸出功率管上的管壓降。首先是功率輸出管上的直流壓降和輸出功率成反比，其次是由于正弦波本身的原因。管壓降可由VDD減去輸出電壓的RMS（均方根值）值得到，管壓降乘以電源電流的RMS，即可算出管耗。

雖然流過(guò)BTL，SE功率負(fù)載的電壓，電流都是正弦波，但是電源電流的波形是很不相同的。在SE模式下的電流波形是半波，而在BTL模式下是全波，這就意味著它們的波形因數(shù)（因子）不同，參見圖7。利用下面的公式可以計(jì)算放大器的效率：

(3)
式中：

圖7 BTL放大器的電壓、電流波形




（4）

表2給出了輸出功率不同條件下計(jì)算得到的效率。當(dāng)輸出功率低時(shí)，電路效率也低，隨著輸出功率的增加，電路的功率也增加。在正常工作范圍內(nèi)，內(nèi)部功耗幾乎為恒定值。從方程（4）可以看出，電源電壓VDD下降，電路效率增加。

表2 3.3V 8Ω BTL模制中效率與輸出功率的關(guān)系

*高的峰值電壓值引起總諧波失真增大。

3．典型應(yīng)用電路

圖8是一個(gè)典型便攜式音頻放大電路，電路電壓增益為-10。

圖8 TPA711應(yīng)用電路

下面討論圖8中電路元器件的選用。

4．元件選用：

增益設(shè)定電阻RF，R1。
在BTL工作模式下，TPA711的增益由RF，R1由公式5決定：（5）

公式（5）中系數(shù)-2是由于BTL電路在輸出端橋式電路輸出對(duì)稱波形幅度較SE大一倍的原因。假定TPA711是一個(gè)MOS放大器。輸入阻抗很高，那么輸入電流就很小，電路噪聲隨RF的增加而增加。同時(shí)，RF的取值應(yīng)有一個(gè)范圍，以確保電路正常工作。假定放大器的反相輸出端等效阻抗為5～20kΩ，則電路等效阻抗可由等式（6）決定。
（6）

舉例，假定R1=10 kΩ，RF=50 kΩ，則在BTL模式下電路電壓效益為-10，反相端輸入等效阻抗為8.3 kΩ，這個(gè)取值在推薦范圍內(nèi)。

對(duì)于高性能應(yīng)用場(chǎng)合，R1，RF選用金屬膜電阻，這樣可降低電路噪聲。當(dāng)RF大于50 kΩ時(shí)，由于RF和MOS輸入回路容抗的作用，會(huì)使電路工作不穩(wěn)定。這時(shí)可在RF兩端并一個(gè)5pF的電容。這樣RF，CF可形成一個(gè)低通濾波回路，回路的截止效率可由等式（7）決定。
（7）

例如，當(dāng)RF=100 kΩ，CF=5pF時(shí)，fco=318kHz，這足以超過(guò)音頻范圍。

5．輸入電容C1：

在實(shí)際應(yīng)用中，C1可使TPA711的偏置電壓穩(wěn)定，這對(duì)確保電路穩(wěn)定工作很重要。在本例中，C1，R1形成一個(gè)高通濾波回路，其角頻率由方程（8）決定。
（8）

電容C1的取值對(duì)穩(wěn)定電路偏置電壓影響較大。當(dāng)R1=10 kΩ時(shí)，為得到低至40Hz的平坦響應(yīng)特性，可由等式（9）決定C1取值。
（9）

在本例中，C1為0.40μF，實(shí)際應(yīng)用中C1取值范圍為0.40μF～1μF。C1取值還要考慮的影響是通過(guò)R1，RF的漏電流，這個(gè)漏電流會(huì)在電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)失調(diào)電壓，從而影響輸出功率，這點(diǎn)在高增益場(chǎng)合下的影響更明顯，所以實(shí)用中C1應(yīng)選用鉭電容或瓷片電容。當(dāng)使用有極性電容時(shí)，正極應(yīng)接在電路的輸入端，這是因?yàn)檩斎攵说闹绷麟娢粸閂DD/2的原因，它比信號(hào)源的直流電壓要高，電容的極性要正確，這點(diǎn)在使用中很重要。

6．電源去耦電容CS：

TPA711是一個(gè)高性能的CMOS音頻放大器，為了使電路的總諧波失真盡可能低，則要求電源的去耦要好。電源的去耦還可以消除由于電路的揚(yáng)聲器引線過(guò)長(zhǎng)而引入的振蕩。比較好的去耦是采用不同類型的兩個(gè)電容并聯(lián)，小容量，低等效串聯(lián)電阻（ESR）的小容量電容用來(lái)吸收高頻噪聲干擾，如電火花，在引線上數(shù)字雜亂干擾躁聲等。而對(duì)濾除低頻噪聲信號(hào)，應(yīng)選用鋁電解電容器，容量應(yīng)大于10μF。

7．中路旁通電容CB：

電容CB有幾個(gè)作用：

1） 在電路啟動(dòng)或由關(guān)斷模式的再啟動(dòng)情況下，CB決定電路的啟動(dòng)速率；

2） 可降低因輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)耦合引起電源產(chǎn)生的噪聲信號(hào)；

3） 可減少電路啟動(dòng)的撲撲聲。為使電路啟動(dòng)撲撲聲盡量小，CB可由方程（10）決定：
(10)

作為一個(gè)例子，取CB=2.2μF，C1=0.47μF，CF=50 kΩ，R1=10 kΩ，將這些值人入方程（10）得出：

可見滿足方程（10）。為使電路總諧波失真小，CB應(yīng)該用等效串聯(lián)電阻ESR小的瓷片電容或鉭電容。

8．單端工作狀態(tài)

在單端（SE）工作狀態(tài)下（見圖9），負(fù)載由VO+驅(qū)載。在單端模式下，增益由等式（11）的RF，R1決定。
(11)

在SE模式下，輸出耦合電容的選擇也很重要，CC對(duì)電路其它元件的取值也有影響。它應(yīng)滿足以下公式（12）。
(12)

9．輸出耦合電容CC：

在典型的單電源單端（SE）情況下，CC用來(lái)在電路輸出端與負(fù)載間隔直，電路的高通頻率由等式(13)決定。
(13)

電容CC的缺點(diǎn)是影響電路頻響的下限值，從而影響電路的低頻響應(yīng)。為使下限頻率足夠低，CC取值應(yīng)足夠大。一般對(duì)4Ω，8Ω，32Ω，47Ω的負(fù)載，CC應(yīng)選用330μF以上。表3給出了不同的取值情況下，電路的頻響特性。

表3 單端輸入時(shí)負(fù)載阻抗與電路低頻特性間的關(guān)系

如表3所示，8Ω負(fù)載比較合適，耳機(jī)頻響特性也很好。

10．SE/BTL工作模式：

PA711可以很方便地在SE和BTL工作模式下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，這是它最重要的特性，這對(duì)電路負(fù)載既有揚(yáng)聲器又有耳機(jī)的場(chǎng)合下特別有用。當(dāng)控制端SE/BTL為L(zhǎng)時(shí)，電路工作于BTL模式，當(dāng)SE/BTL為H時(shí)，電路工作于SE模式。SE/BTL的控制輸入可以是一個(gè)TTL邏輯電源，更常用的是采用圖9所示的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)。

圖9 TPA711電阻分壓網(wǎng)絡(luò)電路

當(dāng)耳機(jī)未插入時(shí)，耳機(jī)開關(guān)閉合，由100 kΩ電阻分壓網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)低電平SE/BTL端子，當(dāng)耳機(jī)插入時(shí)，電阻1 kΩ切斷，分壓網(wǎng)絡(luò)為SE/BTL端子提供一個(gè)高電平，從而完成SE/BTL工作模式轉(zhuǎn)換。

11．采用低等效串聯(lián)電阻電容：

本電路所有電容都應(yīng)采用低等效串聯(lián)電阻的電容，這對(duì)提高電路性能很有意義。

12．5V和3.3V工作：

TPA711可以在3.3V～5V范圍內(nèi)正常工作。提供電壓不同，輸出功率不同。每個(gè)TPA711的動(dòng)態(tài)范圍為（VDD-1）伏，而對(duì)3.3V工作電壓下，當(dāng)VO（PP）=2.3V時(shí)，電路出現(xiàn)限幅，對(duì)5V供電，VO（PP）=4V時(shí)，電路出現(xiàn)限幅。

13．動(dòng)態(tài)范圍和熱設(shè)計(jì)：

在正常工作狀態(tài)下，線性放大器會(huì)產(chǎn)生很大的功耗，對(duì)典型的CD需要12dB～15dB的動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)TPA711在5V供電電壓，負(fù)載為8Ω的情況下，它可以輸出700mW的峰值功率?，F(xiàn)將功率值轉(zhuǎn)變?yōu)閐B值。有：PdB=101gPw=101g700mW=-1.5dB

可得到無(wú)失真條件下的電路動(dòng)態(tài)范圍

-1.5dB-15dB=-16.5(15dB的動(dòng)態(tài)范圍)
-1.5dB-12dB=-13.5(12dB的動(dòng)態(tài)范圍)
-1.5dB-9dB=-10.5(9dB的動(dòng)態(tài)范圍)
-1.5dB-6dB=-7.5(6dB的動(dòng)態(tài)范圍)
-1.5dB-3dB=-4.5(3dB的動(dòng)態(tài)范圍)

再次將分貝值轉(zhuǎn)換為功率值：

Pw=10PDB/10
=22mW(15dB動(dòng)態(tài)范圍)
=44mW(12dB動(dòng)態(tài)范圍)
=88mW(9dB動(dòng)態(tài)范圍)
=175mW(6dB動(dòng)態(tài)范圍)
=350mW(3dB動(dòng)態(tài)范圍)

表4給出了TPA711在額定功率5V，8Ω，BTL模式下的峰值輸出功率，平均輸出功率，功耗，最高環(huán)境溫度間的關(guān)系。

表4表明，TPA711可以在DGN封裝條件下不使用散熱片，在環(huán)境溫度高達(dá)110℃時(shí)輸出700Mw。D封裝下環(huán)境溫度34℃，不使用散熱片，輸出功率700Mw。