TPA2016D2：立體聲音頻功率放大器的技術(shù)解析與設(shè)計應(yīng)用

在電子設(shè)備的音頻處理領(lǐng)域，音頻功率放大器的性能對音質(zhì)和用戶體驗有著至關(guān)重要的影響。德州儀器（TI）推出的TPA2016D2立體聲、無濾波D類音頻功率放大器，憑借其豐富的特性和卓越的性能，在眾多便攜設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。

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一、產(chǎn)品概述

1.1 核心特性

TPA2016D2具備多種出色的特性，使其在音頻放大器市場中脫穎而出。它采用無濾波D類架構(gòu)，減少了外部元件的使用，降低了成本和電路板空間。在不同的電源電壓和負(fù)載條件下，能夠提供可觀的輸出功率，如在5V電源下，每通道可向8Ω負(fù)載提供1.7W的功率（10% THD + N），向4Ω負(fù)載提供2.8W的功率（10% THD + N）；在3.6V電源下，每通道可向8Ω負(fù)載提供750mW的功率（10% THD + N），向4Ω負(fù)載提供1.5W的功率（10% THD + N）。 其電源電壓范圍為2.5V至5.5V，適用于多種電池供電的便攜設(shè)備。支持靈活的工作模式，可通過I2C接口進行編程，實現(xiàn)對動態(tài)范圍壓縮（DRC）和自動增益控制（AGC）參數(shù)的設(shè)置，還能進行數(shù)字I2C音量控制，增益可在 - 28dB至30dB范圍內(nèi)以1dB的步長進行選擇。此外，它具有低電源電流（3.5mA）和低關(guān)機電流（0.2μA），高電源抑制比（PSRR，80dB），快速啟動時間（5ms），并提供短路和熱保護功能。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

TPA2016D2的應(yīng)用范圍十分廣泛，涵蓋了無線或蜂窩手機、個人數(shù)字助理（PDA）、便攜式導(dǎo)航設(shè)備、便攜式DVD播放器、筆記本電腦、便攜式收音機、便攜式游戲設(shè)備、教育玩具以及USB揚聲器等眾多領(lǐng)域。這些設(shè)備通常對音頻質(zhì)量和功耗有較高的要求，而TPA2016D2正好能夠滿足這些需求。

二、技術(shù)特性深入剖析

2.1 與DAC和CODEC協(xié)同工作

在使用D類放大器與CODEC和DAC搭配時，有時會出現(xiàn)音頻放大器輸出本底噪聲增加的問題。這是由于CODEC/DAC的輸出頻率與音頻放大器輸入級的開關(guān)頻率相互混合所致。為了解決這個問題，可以在CODEC/DAC和音頻放大器之間放置一個低通濾波器，過濾掉導(dǎo)致問題的高頻信號，以確保放大器的正常性能。當(dāng)使用4階或更高階的ΔΣ DAC或CODEC驅(qū)動TPA2016D2的輸入時，建議在其每個音頻輸入（IN + 和IN - ）處添加一個RC低通濾波器，推薦的電阻值為100Ω，電容值為47nF。

2.2 無濾波操作與鐵氧體磁珠濾波器

在設(shè)計中，如果沒有LC濾波器時輻射發(fā)射測試不通過，且對頻率敏感的電路工作頻率大于1MHz，可以使用鐵氧體磁珠濾波器。鐵氧體磁珠濾波器對于僅需通過FCC和CE認(rèn)證的電路很有用，因為FCC和CE只測試大于30MHz的輻射發(fā)射。在選擇鐵氧體磁珠時，應(yīng)選擇在高頻下具有高阻抗、低頻下具有低阻抗的產(chǎn)品，并確保其具有足夠的電流額定值，以防止輸出信號失真。如果存在低頻（<1MHz）、對電磁干擾（EMI）敏感的電路，或者放大器到揚聲器的引線較長，則建議使用L輸出濾波器。

2.3 短路保護功能

當(dāng)發(fā)生短路事件時，TPA2016D2會進入低占空比模式。若要恢復(fù)到正常占空比模式，需要對設(shè)備進行復(fù)位。可以通過SDZ引腳設(shè)置關(guān)機模式，或者使用軟件通過SWS位進行關(guān)機。當(dāng)短路事件發(fā)生時，F(xiàn)AULT位（寄存器1，位3）會置為高電平，需要寫入操作才能清除該位。這一功能能夠在不影響設(shè)備長期可靠性的情況下，保護設(shè)備免受短路損壞。

2.4 自動增益控制（AGC）功能

AGC功能通過內(nèi)部可編程增益放大器（PGA）為放大器提供連續(xù)的自動增益調(diào)整。它能夠增強音頻的感知響度，同時防止揚聲器因過載而損壞（限幅器功能）。AGC功能會根據(jù)用戶通過固定增益、限幅器電平、壓縮比等變量選擇的音頻信號增益進行調(diào)整，還包括最大增益和噪聲門限閾值等高級功能。

固定增益決定了AGC的初始增益，其設(shè)置需要考慮多個因素，如在AGC禁用時的增益、最大化信噪比（SNR）以及避免揚聲器過載等。在啟用壓縮功能時，固定增益可在 - 28dB至30dB范圍內(nèi)調(diào)整；在禁用壓縮功能時，固定增益可在0dB至30dB范圍內(nèi)調(diào)整。

限幅器電平設(shè)置了放大器輸出允許的最大幅度，需要確保其低于或等于揚聲器的最大功率額定值，并且低于最小電源電壓，以避免信號削波。限幅器電平和固定增益相互影響，固定增益設(shè)置較高時，AGC的限幅范圍較大；固定增益設(shè)置較低時，AGC的限幅范圍較小。

壓縮比設(shè)置了限幅器電平區(qū)域外輸入和輸出信號之間的關(guān)系，能夠壓縮音頻的動態(tài)范圍。對于動態(tài)范圍大的音頻源，通過選擇合適的壓縮比，可以使其適應(yīng)動態(tài)范圍小的揚聲器，同時在不增加峰值電壓的情況下提高音頻的響度。

噪聲門限閾值用于防止在放大器輸入沒有音頻信號時AGC改變增益，只有當(dāng)輸入信號高于該閾值時，AGC才會開始工作。為了使噪聲門限功能有效，需要在ΔΣ CODEC/DAC和TPA2016D2之間添加一個濾波器，以消除ΔΣ調(diào)制產(chǎn)生的帶外噪聲，并使CODEC/DAC的輸出噪聲低于噪聲門限閾值。

最大增益限制了AGC中的增益步數(shù)，對于實現(xiàn)更高級的輸出信號與輸入信號傳輸特性非常有用。但該變量會影響限幅范圍和壓縮區(qū)域，如果減小最大增益，限幅范圍和壓縮區(qū)域也會相應(yīng)減小。

攻擊時間、釋放時間和保持時間是AGC中的重要時間變量。攻擊時間是兩次增益減小之間的最短時間，釋放時間是兩次增益增加之間的最短時間，保持時間是增益減小（攻擊）和增益增加（釋放）之間的最短時間。這些時間變量的合理設(shè)置對于防止增益變化過于頻繁或緩慢至關(guān)重要，攻擊時間應(yīng)至少比釋放時間和保持時間短100倍，保持時間應(yīng)等于或大于釋放時間。

三、編程與配置

3.1 I2C接口操作

TPA2016D2通過I2C接口進行控制。I2C總線使用SDA（數(shù)據(jù)）和SCL（時鐘）兩個信號在系統(tǒng)中的集成電路之間進行通信，數(shù)據(jù)以串行方式逐位傳輸，地址和數(shù)據(jù)的8位字節(jié)按最高有效位（MSB）優(yōu)先的順序傳輸。每個傳輸操作由主設(shè)備在總線上驅(qū)動起始條件開始，以主設(shè)備驅(qū)動停止條件結(jié)束。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，接收設(shè)備會通過應(yīng)答位對每個字節(jié)進行確認(rèn)。

3.2 單字節(jié)和多字節(jié)傳輸

TPA2016D2的串行控制接口支持對所有寄存器的單字節(jié)和多字節(jié)讀寫操作。在多字節(jié)讀取操作中，只要主設(shè)備繼續(xù)應(yīng)答，TPA2016D2就會從指定寄存器開始，逐字節(jié)地響應(yīng)數(shù)據(jù)。該設(shè)備支持順序I2C尋址，在寫入事務(wù)中，如果發(fā)出一個寄存器地址并隨后跟有該寄存器以及后續(xù)所有寄存器的數(shù)據(jù)，則會發(fā)生順序I2C寫入事務(wù)，發(fā)出的寄存器地址作為起始點，在發(fā)出停止或起始條件之前傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量決定了寫入的寄存器數(shù)量。

3.3 寄存器映射

TPA2016D2有多個寄存器用于控制其各種功能，如IC功能控制寄存器、AGC攻擊控制寄存器、AGC釋放控制寄存器、AGC保持時間控制寄存器、AGC固定增益控制寄存器、AGC控制寄存器等。通過對這些寄存器的不同位進行設(shè)置，可以實現(xiàn)對放大器的各種參數(shù)進行調(diào)整，如左右聲道放大器的使能、軟件關(guān)機控制、故障檢測、AGC的攻擊時間、釋放時間、保持時間、固定增益、限幅器電平、壓縮比等。

四、應(yīng)用設(shè)計注意事項

4.1 應(yīng)用電路設(shè)計

4.1.1 差分輸入信號應(yīng)用

在使用TPA2016D2處理差分輸入信號時，需要注意電源電壓、使能輸入和揚聲器負(fù)載等參數(shù)。對于表面貼裝電容，應(yīng)選擇溫度系數(shù)為X5R、X7R或更好的材料，其直流電壓額定值至少為應(yīng)用電壓的兩倍，電容值應(yīng)至少為應(yīng)用計算標(biāo)稱值的兩倍。解耦電容Cs對于確保放大器的高效運行和低總諧波失真（THD）至關(guān)重要，應(yīng)選擇低等效串聯(lián)電阻（ESR）的1μF陶瓷電容，并盡可能靠近設(shè)備的PVDD（L，R）引腳放置。輸入電容和輸入電阻形成一個高通濾波器，其截止頻率影響電路的低頻性能，在選擇輸入電容時，需要根據(jù)截止頻率進行計算，并確保其具有±10%或更好的容差，以避免在截止頻率及以下出現(xiàn)阻抗失配。

4.1.2 單端輸入信號應(yīng)用

單端輸入信號應(yīng)用的設(shè)計步驟與差分輸入信號應(yīng)用類似，同樣需要考慮電源、電容選擇和濾波等問題。

4.2 電源供應(yīng)建議

TPA2016D2的輸入電壓供應(yīng)范圍為2.5V至5.5V，電源的輸出電壓范圍必須在這個范圍內(nèi)。為了確保放大器的高效運行和低THD，需要進行適當(dāng)?shù)碾娫唇怦睢?yīng)在VDD/VCCOUT引腳2mm范圍內(nèi)放置一個低ESR的陶瓷電容（通常為0.1μF），以處理高頻瞬變、尖峰或數(shù)字雜波。此外，建議在VDD電源軌上放置一個2.2μF至10μF的電容，作為電荷存儲單元，提供比電路板電源更快的能量，防止電源電壓下降。

4.3 布局設(shè)計

4.3.1 元件布局

所有外部元件應(yīng)盡可能靠近TPA2016D2放置，特別是解耦電容Cs，其與設(shè)備之間的任何電阻或電感都會導(dǎo)致效率損失。

4.3.2 走線寬度

在焊球處，推薦的走線寬度為75μm至100μm，以防止焊料流到更寬的PCB走線上。對于TPA2016D2的高電流引腳（PVDD（L，R）、PGND和音頻輸出引腳），焊球處的走線寬度應(yīng)為100μm，PCB走線寬度至少為500μm，以確保設(shè)備的正常性能和輸出功率。對于其余信號，焊球處的走線寬度為75μm至100μm。音頻輸入引腳（INR±和INL±）應(yīng)并排布線，以最大化共模噪聲抑制。

4.3.3 焊盤設(shè)計

對于DSBGA封裝，建議使用非阻焊定義（NSMD）焊盤。這種方法使阻焊開口大于所需的焊盤面積，開口尺寸由銅焊盤寬度定義。在設(shè)計焊盤尺寸時，需要參考相關(guān)的尺寸表格和指南，以確保焊接質(zhì)量和設(shè)備的可靠性。

4.4 效率和熱考慮

TPA2016D2的最大環(huán)境溫度取決于PCB系統(tǒng)的散熱能力。通過計算熱阻（θJA）和最大允許結(jié)溫，可以估算出在不同功率耗散情況下的最大環(huán)境溫度。該設(shè)備具有熱保護功能，當(dāng)結(jié)溫超過150°C時會自動關(guān)閉，以防止IC損壞。使用電阻大于8Ω的揚聲器可以顯著提高熱性能，因為這可以減少輸出電流，提高放大器的效率。

五、總結(jié)

TPA2016D2作為一款功能強大的立體聲音頻功率放大器，具有豐富的特性和出色的性能，適用于多種便攜設(shè)備。在設(shè)計應(yīng)用時，需要深入理解其技術(shù)特性、編程配置方法以及應(yīng)用設(shè)計注意事項，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，實現(xiàn)高質(zhì)量的音頻輸出。同時，合理的布局設(shè)計和熱管理對于確保設(shè)備的穩(wěn)定運行和可靠性也至關(guān)重要。電子工程師在使用TPA2016D2進行設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求，綜合考慮各種因素，優(yōu)化設(shè)計方案，為用戶帶來更好的音頻體驗。你在使用TPA2016D2或類似音頻放大器時，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。