TPA2001D1：高效單聲道D類音頻功率放大器的設(shè)計與應(yīng)用

在音頻設(shè)備的設(shè)計中，功率放大器的選擇至關(guān)重要，它直接影響著音質(zhì)、功耗和系統(tǒng)成本。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）的TPA2001D1——一款1W無濾波單聲道D類音頻功率放大器。

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一、產(chǎn)品概述

TPA2001D1是一款專為驅(qū)動至少8Ω阻抗揚聲器而設(shè)計的1W單聲道橋接負載（BTL）D類放大器。它采用了TI的第三代調(diào)制技術(shù)，顯著提高了效率和信噪比（SNR）。其獨特之處在于，該放大器可以直接連接到揚聲器，無需像傳統(tǒng)D類放大器那樣使用LC輸出濾波器，這一特性不僅簡化了設(shè)計，還減少了成本和電路板空間。不過，由此產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）需要在系統(tǒng)層面進行屏蔽。這些特點使得TPA2001D1非常適合那些需要高效運行以延長電池續(xù)航時間的設(shè)備。

二、關(guān)鍵特性

2.1 高效節(jié)能

• 低電源電流：無濾波器時僅4mA，有濾波器時為7.5mA，關(guān)機電流低至0.05μA。
• 高轉(zhuǎn)換效率：在8Ω負載下，最大效率可達75 - 85%。

  2.2 優(yōu)質(zhì)音質(zhì)

• 低失真：在8Ω負載、1W功率、1kHz頻率下，總諧波失真加噪聲（THD + N）小于0.2%。
• 低噪聲：噪聲底僅40μVRMS（無加權(quán)濾波器）。

  2.3 靈活配置

• 四種內(nèi)部增益設(shè)置：通過GAIN1和GAIN0兩個輸入端子，可將放大器配置為6、12、18和23.5dB的增益。
• PSRR高：電源抑制比（PSRR）為 -77dB。

  2.4 保護功能

• 集成消噗聲電路：減少上電和關(guān)機時的噗聲。
• 短路保護：可防止電池、地和負載之間的短路。

三、引腳功能與封裝

TPA2001D1采用16引腳TSSOP封裝，各引腳功能明確，為設(shè)計帶來了便利。以下是部分關(guān)鍵引腳的功能：

• GAIN0和GAIN1：用于設(shè)置放大器的增益。
• INP和INN：差分輸入端子，為高阻抗CMOS輸入，可作為求和節(jié)點。
• OUTP和OUTN：BTL輸出端子。
• SHUTDOWN：控制放大器的關(guān)機模式，低電平有效。

四、工作原理與調(diào)制方案

4.1 音頻處理

D類放大器輸出的是脈寬調(diào)制（PWM）方波，它是開關(guān)波形和放大后的輸入音頻信號的總和。由于人耳只能感知20Hz - 20kHz的頻率，而開關(guān)頻率遠高于此，因此我們聽到的只是放大后的輸入音頻信號。

4.2 調(diào)制方案對比

• 傳統(tǒng)D類調(diào)制方案：TPA005Dxx系列采用的傳統(tǒng)調(diào)制方案，其差分輸出相位相差180度，輸出電壓在接地和電源電壓（VDD）之間變化。即使負載兩端的平均電壓為0V（占空比為50%），負載電流仍然很高，導(dǎo)致高損耗和高電源電流。
• TPA2001D1調(diào)制方案：OUTP和OUTN在無輸入時同相，正電壓時OUTP占空比大于50%，OUTN小于50%；負電壓時反之。負載兩端的電壓在大部分開關(guān)周期內(nèi)保持為0V，大大降低了開關(guān)電流，減少了負載中的I2R損耗。

五、應(yīng)用設(shè)計要點

5.1 是否使用輸出濾波器

• 無需濾波器的情況：如果放大器到揚聲器的走線較短，TPA2001D1可以不使用濾波器。例如，揚聲器線長度在八英寸或更短的情況下，該放大器無需屏蔽即可通過FCC和CE輻射發(fā)射測試。筆記本電腦和有源揚聲器等揚聲器與放大器在同一外殼內(nèi)的應(yīng)用，非常適合無濾波器的D類設(shè)計。
• 需要濾波器的情況：如果存在低頻（<1MHz）EMI敏感電路，或者放大器到揚聲器的引線較長，則需要使用輸出濾波器。對于輻射發(fā)射測試不通過的設(shè)計，當頻率敏感電路大于1MHz時，可以使用鐵氧體磁珠濾波器。選擇鐵氧體磁珠時，應(yīng)選擇在高頻時具有高阻抗、低頻時具有低阻抗的產(chǎn)品。

5.2 增益設(shè)置

放大器的增益由GAIN0和GAIN1兩個輸入端子控制。通過改變放大器內(nèi)部輸入電阻的抽頭來實現(xiàn)不同的增益設(shè)置，這會導(dǎo)致輸入阻抗（Z?）依賴于增益設(shè)置。實際增益分布較好，但由于輸入電阻的實際阻值變化，輸入阻抗可能會偏移30%。在設(shè)計時，應(yīng)假設(shè)輸入阻抗為20kΩ（TPA2001D1的絕對最小輸入阻抗）。

5.3 電容選擇

• 輸入電容（Ci）：Ci直接影響電路的低音性能。根據(jù)公式(C{i}=frac{1}{2 pi Z{1} f_{c}})計算其值，通常選擇0.1μF - 1μF的電容。為減少漏電流產(chǎn)生的直流偏移電壓，建議使用低漏電的鉭電容或陶瓷電容。同時，Ci必須比旁路電容小10倍，以減少開關(guān)機和進入/退出關(guān)機模式時的咔嗒聲和噗聲。
• 電源去耦電容（Cs）：為確保輸出總諧波失真（THD）盡可能低，并防止放大器與揚聲器之間長引線引起的振蕩，需要使用不同類型的兩個電容進行電源去耦。對于高頻瞬變、尖峰或數(shù)字雜散信號，使用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的陶瓷電容（通常為0.1μF），并盡可能靠近器件的VDD引腳；對于低頻噪聲信號，使用10μF或更大的鋁電解電容，放置在音頻功率放大器附近。
• 中軌旁路電容（C(BYP)）：這是最關(guān)鍵的電容，具有多種重要功能。在啟動或從關(guān)機模式恢復(fù)時，C(BYP)決定了放大器的啟動速度；它還可以減少電源耦合到輸出驅(qū)動信號中產(chǎn)生的噪聲。建議使用0.47 - 1μF的陶瓷或鉭質(zhì)低ESR電容，以獲得最佳的THD和噪聲性能。為了減少開關(guān)機和進入/退出關(guān)機模式時的咔嗒聲和噗聲，C(BYP)應(yīng)比Ci大10倍。

5.4 差分輸入與關(guān)機模式

• 差分輸入：放大器的差分輸入級可以消除通道兩個輸入線上出現(xiàn)的任何噪聲。使用差分源時，將音頻源的正極連接到INP輸入，負極連接到INN輸入；使用單端源時，通過電容將INN輸入交流接地，并將音頻信號施加到輸入。為了獲得最佳的噪聲性能，在單端輸入應(yīng)用中，應(yīng)在音頻源處將INN輸入交流接地，而不是在器件輸入處。
• 關(guān)機模式：TPA2001D1具有關(guān)機模式，可在不使用時將電源電流（IDD）降至最低，以節(jié)省電池電量。在正常工作時，SHUTDOWN輸入端子應(yīng)保持高電平；將其拉低會使輸出靜音，放大器進入低電流狀態(tài)（(I_{DD}(SD)=1mu A)）。SHUTDOWN引腳絕不能懸空，否則放大器的工作將不可預(yù)測。

六、總結(jié)

TPA2001D1以其高效、靈活和優(yōu)質(zhì)的音頻性能，為音頻設(shè)備的設(shè)計提供了一個優(yōu)秀的解決方案。在實際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的設(shè)計要求，合理選擇是否使用輸出濾波器、設(shè)置增益以及選擇合適的電容，以充分發(fā)揮該放大器的優(yōu)勢。希望本文能為電子工程師們在使用TPA2001D1進行設(shè)計時提供一些有價值的參考。你在使用類似放大器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。