基于D类功放IC—TPA3122的芯片设计

2021-04-14熊文锋

通信电源技术 2021年22期

熊文锋

（宁波工程学院，浙江宁波 315000）

1 功率放大器的简介

功率放大器根据工作状态分A、B、AB、D类等4大类。在这个领域中，A、B、AB类均可直接采用模拟信号，并直接输入，放大后，再将此信号运转输出，而D类放大器比较独特，与前几种不太一样，它只有连通或者断接这样两种状态，因此，它不能直接采用模拟信号输入，而需要变换后再放大。

A类放大器（甲类放大器），其主要特点是：放大器的工作点Q，设定在负载线的中点附近，不论是否有输入信号出现，它的输出电路肯定是导通的。瞬态失真以及交替失真较小情况下，且有较大的非线性失真性。但其功率效益较低，效率理论最大值只有25%，因此不太适合做功率放大器。A类放大器让UCC=1/2UCC，达到最大的不失真区间。即Ui不输入一直有0.5UCC/RL的电流流经晶体管，即晶体管需较好的散热环境[1-3]。

B类放大器（乙类功率放大器），其主要特点是：其静态工作点在（UCC，0）时，当没有信号输入，输出端基本没有消耗功率。但放大器在非线性区域内运转后，会引起“交越失真”较大。可将另一半的周期信号，PNP型的BJT相接，与原来的射极跟随器，形成互补式的射极跟随器。

AB类放大器，主要特点是：输入信号处于-0.6～+0.6 V时，Q1与Q2都导通，降低失真度，较浪费待命功率。

D类放大器，将输入模拟信号，具有显著的效率。以输入信号处理电路为主，都是利用超高频率的转换开关电路来放大信号的。

D类功率放大器工作于“通”和“断”两种开关状态，作为音频信号的放大，还需要A/D（模/数）转换电路，将模拟信号先变成为脉冲信号，从而进行放大。

脉宽调制（PWM）D类功率放大器的设计原理图如图1所示。

图1 D类放大器的工作原理

2 单元电路设计

首先采用D类功放IC—TPA3122。该芯片内置三角波振动器、放大器、还有调制电路，极大地方便本系统的设计。

数字功率放大器，有极调音，输出效率高，失真度小的功率放大器。输出电流和输出电压都要足够的大，即达到输出功率足够大。经过多次的实验与调试，选择如图2所示的电路。

图2 D类电路图

如图3 所述TPA3122D2采用的是20引脚的PDIP 封装。D类功放是高频开关电路，与传统的线性功率放大器相比，对电源、地线的连接关系的讲究程度是 H 桥的（TPA3122D2 内部是双半桥结构），能够以双H桥形式配置成双声道放大器（SE 模式），两个H桥可以配置成 BTL全桥单通道模式，输出功率大约增加一倍。D 类功率放大的信号是开关信号，把模拟音频信号变成适合D类放大器放大的开关信号的过程，一般称之为“调制”。如图4所示，TPA3122D2采用的就是“Σ”方式，片内三角波振荡器的典型频率（调制频率）是250 kHz。调制频率越高，越有利于减小因调制带来的失真，越有利于表现原始音频信号的细节。除了PWM 调制方法，目前实用的方案还有脉冲密度制PDM和振幅调制PAM方案。

图3 中间集成模块

图4 TPA3122内部结构

D类功放的输出采用全桥时，如果输入端悬空或者接地时，两个占空比刚好为50%、相位反相的方波输出。这种现象会导致D类功放在静态时也会输出，改进的 PWM方案，将其中一个通道的 PWM信号延时半个周期，不过改进的PWM方案也有缺点，除了增加开关信号延时电路以外，还需检测无信号输入状态，电路的复杂程度增加了，而且延时等电路也会带来失真。目前，在传统的线性功率放大器电路架构中，负反馈（闭环）有绝对的优势。

对于TPA3122来说有以下功能：（1）工作电压典型值范围 18～24 V，典型效率92%，不需要独立的散热器；（2）固定增益，无需外部元件增益设置，用电平组合进行4种增益设置，即可拨码控制；（3）待机、静音控制端子；（4）过热、短路保护，故障自恢复功能。

本电路解调部分是一个输出LC滤波器与负载一起构成了二阶的巴特－沃兹滤波器，为了获得理想的频率响应特性，LC的参数也应该和负、电路构架相匹配，表 1 给出了典型的4 Ω、8 Ω负载 LC参数相匹配的参考值。信号调制输出模块如图5所示，开关调试模块如图6所示。