TPA2001D1：無(wú)濾波器單聲道D類音頻功率放大器的卓越之選

在音頻功率放大器的領(lǐng)域中，TI的TPA2001D1以其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和出色的性能脫穎而出。作為一名電子工程師，我將結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為大家詳細(xì)解讀這款1W無(wú)濾波器單聲道D類音頻功率放大器。

文件下載：tpa2001d1.pdf

產(chǎn)品概述

TPA2001D1專為驅(qū)動(dòng)阻抗至少為8Ω的揚(yáng)聲器而設(shè)計(jì)，采用了TI的第三代調(diào)制技術(shù)，在效率和信噪比方面有顯著提升。其最大的亮點(diǎn)在于無(wú)需傳統(tǒng)D類放大器常用的LC輸出濾波器，就能直接連接揚(yáng)聲器，不過(guò)這也會(huì)產(chǎn)生一定的電磁干擾（EMI），需要在系統(tǒng)層面進(jìn)行屏蔽。這種特性使其非常適合對(duì)效率要求高、需要延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間的設(shè)備。

產(chǎn)品特性分析

高效節(jié)能

TPA2001D1采用了第三代5V D類技術(shù)，效率極高。在無(wú)濾波器的情況下，靜態(tài)電流低至4mA；使用濾波器時(shí)，也僅為7.5mA；關(guān)機(jī)電流更是低至0.05μA。此外，在8Ω負(fù)載下，最大效率可達(dá)75 - 85%，能有效降低功耗，延長(zhǎng)設(shè)備的電池使用時(shí)間。

低失真與低噪聲

在1W功率、1kHz頻率、8Ω負(fù)載的條件下，總諧波失真加噪聲（THD+N）小于0.2%，在典型工作條件下甚至小于0.1%，能為用戶提供清晰、純凈的音頻輸出。同時(shí)，其噪聲底僅為40μVRMS（無(wú)加權(quán)濾波器），確保了音頻信號(hào)的高質(zhì)量。

靈活的增益設(shè)置

放大器的增益由GAIN1和GAIN0兩個(gè)輸入端子控制，可配置為6dB、12dB、18dB和23.5dB四種增益，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。不過(guò)，需要注意的是，輸入阻抗會(huì)隨增益設(shè)置而變化，設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)具體情況進(jìn)行考慮。

完善的保護(hù)功能

內(nèi)置去噗聲電路，能有效減少上電和關(guān)機(jī)時(shí)的噗聲，提升用戶體驗(yàn)。此外，還具備短路保護(hù)功能，可防止電池、地和負(fù)載之間的短路，提高了設(shè)備的可靠性。

調(diào)制方案對(duì)比

傳統(tǒng)D類調(diào)制方案

傳統(tǒng)D類調(diào)制方案（如TPA005Dxx系列）的差分輸出相位相差180度，輸出電壓在地和電源電壓（VDD）之間變化。即使負(fù)載兩端的平均電壓為0V（占空比50%），負(fù)載電流依然很大，導(dǎo)致?lián)p耗增加，電源電流升高。

TPA2001D1調(diào)制方案

TPA2001D1的調(diào)制方案使OUTP和OUTN在無(wú)輸入時(shí)同相。對(duì)于正電壓，OUTP的占空比大于50%，OUTN的占空比小于50%；對(duì)于負(fù)電壓，情況則相反。在大部分開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，負(fù)載兩端的電壓為0V，大大降低了開(kāi)關(guān)電流，減少了負(fù)載中的I2R損耗。

輸出濾波器的使用策略

無(wú)需濾波器的情況

當(dāng)放大器到揚(yáng)聲器的走線較短時(shí)，可無(wú)需使用輸出濾波器。TPA2001D1在揚(yáng)聲器線長(zhǎng)8英寸或更短時(shí)，無(wú)需屏蔽就能通過(guò)FCC和CE輻射發(fā)射測(cè)試。像筆記本電腦和有源音箱這類揚(yáng)聲器與放大器在同一外殼內(nèi)的應(yīng)用場(chǎng)景，非常適合不使用濾波器的D類設(shè)計(jì)。

需要濾波器的情況

如果設(shè)計(jì)在無(wú)濾波器時(shí)無(wú)法通過(guò)輻射發(fā)射測(cè)試，且對(duì)頻率敏感的電路大于1MHz，可使用鐵氧體磁珠濾波器。若存在低頻（<1MHz）EMI敏感電路，或者放大器到揚(yáng)聲器的引線較長(zhǎng)，則需要使用輸出濾波器。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)與注意事項(xiàng)

增益設(shè)置與輸入阻抗

在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)假設(shè)輸入阻抗為20kΩ（TPA2001D1的絕對(duì)最小輸入阻抗）來(lái)設(shè)計(jì)輸入網(wǎng)絡(luò)。在較高增益設(shè)置下，輸入阻抗可能會(huì)高達(dá)115kΩ。不同的增益設(shè)置會(huì)導(dǎo)致輸入阻抗變化，進(jìn)而影響輸入高通濾波器的-3dB或截止頻率。

輸入電容（Ci）

輸入電容Ci用于將輸入信號(hào)偏置到合適的直流電平，以實(shí)現(xiàn)最佳工作狀態(tài)。其值直接影響電路的低頻性能，設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)所需的截止頻率進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，為了減少上電/斷電和進(jìn)入/退出關(guān)機(jī)時(shí)的咔嗒聲和噗聲，Ci應(yīng)比旁路電容小10倍。建議選擇低漏電的鉭電容或陶瓷電容，并注意電容的極性。

電源去耦電容（Cs）

為了確保輸出總諧波失真（THD）盡可能低，并防止放大器與揚(yáng)聲器之間長(zhǎng)引線引起的振蕩，TPA2001D1需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娫慈ヱ??？墒褂靡粋€(gè)0.1μF的低等效串聯(lián)電阻（ESR）陶瓷電容來(lái)過(guò)濾高頻瞬變、尖峰或數(shù)字雜訊，再使用一個(gè)10μF或更大的鋁電解電容來(lái)過(guò)濾低頻噪聲信號(hào)。

中軌旁路電容（C(BYP)）

中軌旁路電容C(BYP)是最關(guān)鍵的電容，它決定了放大器的啟動(dòng)速率，并能減少電源耦合到輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)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。為了減少咔嗒聲和噗聲，C(BYP)應(yīng)比Ci大10倍。

差分輸入與關(guān)機(jī)模式

放大器的差分輸入級(jí)可以消除通道兩個(gè)輸入線上出現(xiàn)的任何噪聲。在使用單端源時(shí)，應(yīng)將INN輸入通過(guò)電容交流接地，并在音頻源處進(jìn)行交流接地，以獲得最佳的噪聲性能。關(guān)機(jī)模式可將電源電流（IDD）降至最低，在正常工作時(shí)，SHUTDOWN輸入端子應(yīng)保持高電平；拉低SHUTDOWN會(huì)使輸出靜音，放大器進(jìn)入低電流狀態(tài)。

總結(jié)

TPA2001D1作為一款高性能的無(wú)濾波器單聲道D類音頻功率放大器，憑借其高效節(jié)能、低失真、靈活的增益設(shè)置和完善的保護(hù)功能，為音頻設(shè)計(jì)帶來(lái)了諸多便利。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景，合理選擇是否使用輸出濾波器，并注意增益設(shè)置、輸入電容、電源去耦等關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。希望通過(guò)本文的介紹，能幫助廣大電子工程師更好地理解和應(yīng)用TPA2001D1，設(shè)計(jì)出更加優(yōu)秀的音頻產(chǎn)品。大家在使用TPA2001D1的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。