低电压音频功率放大器TPA711的特性及其应用

2009-12-01 10:01:54来源: 自动化网 关键字:音频功率放大器  TPA711  应用

一、简介:

    TPA711集成电路是TI专为内置扬声器,外接耳机,为低电压场合应用而开发的桥式(BTL)或单端(SE)音频功率放大器。在3.3V工作电压下,它可在音频范围内,BTL (8Ω负载)工作模式下,输出总谐波失真与噪声值小于0.6%,250mW的连续功率。尽管TPA711具有20kHz以上的工作特性,但其在更窄频段的应用场合,如无线通信场合,效果最佳。BTL电路在大多数应用场合,输出端可以省掉耦合电容器,这点对小型电池的供电设备特别重要。当需要驱动耳机时,TPA711不寻常的特点是可使放大器快速实现从BTL到SE模式切换。这样,省掉了使用机械开关或附属连接装置。对功率敏感的应用场合,TPA711可以在关断模式下工作,借助于专用消噪声电路消除扬声器的噪声。TPA711有8脚SOIC和MSOP两种表面安装的封装形式,它们可以减少50%的电路板面积和40%的高度。图1、图2分别表示其外形图和内部工作框图。表1表示其引脚功能。

二、工作特性和外形图

    1. 工作电压范围3.3V~5V;

    2. 额定工作电压范围2.5V~5.5V;

    3. 输出功率;

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

    4. 关断控制

    ① IDD=7μA,当3.3V;
    ② IDD=50μA,当5V;

    5.BTL/SE转换控制;

    6.热保护和短路保护;

    7.集成消噪声电器;

    8.表面安装封装;

    ① SOIC
    ② PowerPADTMMSOp

    外形如图1所示。



图1 D或DGN封装顶视图
D-小外形塑封(SOIC)
DGN-有导热焊盘的小外形塑封(MSOP)

三、工作框图及引脚功能:

    图2示出的是工作框图,表1列出了引脚功能。


图2 工 作 框 图

表1 引 脚 功 能

引 脚 输入/输出 功 能
名 称 引脚号
旁 路 2 输入 当用作音频放大时,这个端子应加一个0.1μF-2.2μf的电容
7 输入 接地
音频输入 4 输入 音频信号输入
SE/BTL转换 3 输入 当SE/BTL为低时,TPA711工作于BTL模式,反之,SE模式
关 断 1 输入 这个端子为高时,(IDD=7μA)器件关断
电 源 6 输入 电源电压端
V0+ 5 输出 SE/BTL的输出正端
V0- 8 输出 SE/BTL的输出负端

四、参数测试电路:

    图3、4分别表示BTL、SE模式测试电路图,用以测量电路的参数。


图3 BTL模式测试电路


图4 SE模式测试电路

五、典型应用

    1. 桥式输出与单端输出(BTL/SE)模式:

    图5给出了工作于BTL模式下的音频功放电路图。TPA711内有两个线性功放来驱动负载。它们工作于差动方式。这样相对于参考地电位,它的输出功率较大。

 
图5 桥式电路图

    输出功率可由下式计算:


(1)

    在便携式音频设备中,电路供电电压为3.3V。在8Ω负载单端输出62.5mW的情况下,桥式可输出4×62.5=250mW。即有6dB的功增加。在增加功率输出的同时,对频率响应也应加以注意。
在图6 所示的SE(单端)输出情况下,接至负载的隔直耦合电容Cc是必不可少的,该电容器的容量比较大(3.3μF~1000μF),重量也较大,占印刷电路板的面积大,价格较贵。这个电容对系统的低频响应影响很大。这是由于这个电容和负载间形成的高通滤波而造成的。角频率可由下式计算:

(2)


图6 单端电路和频率响应图

    例如,在8Ω负载,输出耦合电容为68μF时,将对293Hz以下的频率加以衰减。而在BTL模式下,抵消了直流失调电压,省掉了输出输出耦合电容,低频特性只取决于输出回路和扬声器特性。同时电路体积和造价也相应降低。

2. BTL放大器效率:

    线性放大器的效率低,这主要是因于输出功率管上的管压降。首先是功率输出管上的直流压降和输出功率成反比,其次是由于正弦波本身的原因。管压降可由VDD减去输出电压的RMS(均方根值)值得到,管压降乘以电源电流的RMS,即可算出管耗。

    虽然流过BTL,SE功率负载的电压,电流都是正弦波,但是电源电流的波形是很不相同的。在SE模式下的电流波形是半波,而在BTL模式下是全波,这就意味着它们的波形因数(因子)不同,参见图7。利用下面的公式可以计算放大器的效率:

(3)
式中:


图7 BTL放大器的电压、电流波形




(4)

    表2给出了输出功率不同条件下计算得到的效率。当输出功率低时,电路效率也低,随着输出功率的增加,电路的功率也增加。在正常工作范围内,内部功耗几乎为恒定值。从方程(4)可以看出,电源电压VDD下降,电路效率增加。

表2 3.3V 8Ω BTL模制中效率与输出功率的关系

输出功率(W) 效率(%) 峰值到峰值的电压 内部功耗
0.125 33.6 1.41 0.26
0.25 47.6 2.00 0.29
0.375 58.3 2.45 0.28

*高的峰值电压值引起总谐波失真增大。

3.典型应用电路

    图8是一个典型便携式音频放大电路,电路电压增益为-10。


图8 TPA711应用电路

    下面讨论图8中电路元器件的选用。

4.元件选用:

    增益设定电阻RF,R1。
    在BTL工作模式下,TPA711的增益由RF,R1由公式5决定:(5)

公式(5)中系数-2是由于BTL电路在输出端桥式电路输出对称波形幅度较SE大一倍的原因。假定TPA711是一个MOS放大器。输入阻抗很高,那么输入电流就很小,电路噪声随RF的增加而增加。同时,RF的取值应有一个范围,以确保电路正常工作。假定放大器的反相输出端等效阻抗为5~20kΩ,则电路等效阻抗可由等式(6)决定。
(6)

    举例,假定R1=10 kΩ,RF=50 kΩ,则在BTL模式下电路电压效益为-10,反相端输入等效阻抗为8.3 kΩ,这个取值在推荐范围内。

    对于高性能应用场合,R1,RF选用金属膜电阻,这样可降低电路噪声。当RF大于50 kΩ时,由于RF和MOS输入回路容抗的作用,会使电路工作不稳定。这时可在RF两端并一个5pF的电容。这样RF,CF可形成一个低通滤波回路,回路的截止效率可由等式(7)决定。
(7)

    例如,当RF=100 kΩ,CF=5pF时,fco=318kHz,这足以超过音频范围。

5.输入电容C1:

    在实际应用中,C1可使TPA711的偏置电压稳定,这对确保电路稳定工作很重要。在本例中,C1,R1形成一个高通滤波回路,其角频率由方程(8)决定。
(8)

    电容C1的取值对稳定电路偏置电压影响较大。当R1=10 kΩ时,为得到低至40Hz的平坦响应特性,可由等式(9)决定C1取值。
(9)

    在本例中,C1为0.40μF,实际应用中C1取值范围为0.40μF~1μF。C1取值还要考虑的影响是通过R1,RF的漏电流,这个漏电流会在电路输出端产生一个失调电压,从而影响输出功率,这点在高增益场合下的影响更明显,所以实用中C1应选用钽电容或瓷片电容。当使用有极性电容时,正极应接在电路的输入端,这是因为输入端的直流电位为VDD/2的原因,它比信号源的直流电压要高,电容的极性要正确,这点在使用中很重要。

6.电源去耦电容CS:

    TPA711是一个高性能的CMOS音频放大器,为了使电路的总谐波失真尽可能低,则要求电源的去耦要好。电源的去耦还可以消除由于电路的扬声器引线过长而引入的振荡。比较好的去耦是采用不同类型的两个电容并联,小容量,低等效串联电阻(ESR)的小容量电容用来吸收高频噪声干扰,如电火花,在引线上数字杂乱干扰躁声等。而对滤除低频噪声信号,应选用铝电解电容器,容量应大于10μF。

7.中路旁通电容CB:

    电容CB有几个作用:

    1) 在电路启动或由关断模式的再启动情况下,CB决定电路的启动速率;

    2) 可降低因输出驱动信号耦合引起电源产生的噪声信号;

    3) 可减少电路启动的扑扑声。为使电路启动扑扑声尽量小,CB可由方程(10)决定:
(10)

    作为一个例子,取CB=2.2μF,C1=0.47μF,CF=50 kΩ,R1=10 kΩ,将这些值人入方程(10)得出:

18.2≤35.5

    可见满足方程(10)。为使电路总谐波失真小,CB应该用等效串联电阻ESR小的瓷片电容或钽电容。

8.单端工作状态

    在单端(SE)工作状态下(见图9),负载由VO+驱载。在单端模式下,增益由等式(11)的RF,R1决定。
(11)

    在SE模式下,输出耦合电容的选择也很重要,CC对电路其它元件的取值也有影响。它应满足以下公式(12)。
(12)

9.输出耦合电容CC:

    在典型的单电源单端(SE)情况下,CC用来在电路输出端与负载间隔直,电路的高通频率由等式(13)决定。
(13)

    电容CC的缺点是影响电路频响的下限值,从而影响电路的低频响应。为使下限频率足够低,CC取值应足够大。一般对4Ω,8Ω,32Ω,47Ω的负载,CC应选用330μF以上。表3给出了不同的取值情况下,电路的频响特性。

表3 单端输入时负载阻抗与电路低频特性间的关系

RL CC 最低频率响应
8 330μF 60Hz
32 330μF 15Hz
47000Ω 330μF 0.01Hz

    如表3所示,8Ω负载比较合适,耳机频响特性也很好。

10.SE/BTL工作模式:

    PA711可以很方便地在SE和BTL工作模式下实现转换,这是它最重要的特性,这对电路负载既有扬声器又有耳机的场合下特别有用。当控制端SE/BTL为L时,电路工作于BTL模式,当SE/BTL为H时,电路工作于SE模式。SE/BTL的控制输入可以是一个TTL逻辑电源,更常用的是采用图9所示的电阻分压网络。


图9 TPA711电阻分压网络电路

    当耳机未插入时,耳机开关闭合,由100 kΩ电阻分压网络提供一个低电平SE/BTL端子,当耳机插入时,电阻1 kΩ切断,分压网络为SE/BTL端子提供一个高电平,从而完成SE/BTL工作模式转换。

11.采用低等效串联电阻电容:

    本电路所有电容都应采用低等效串联电阻的电容,这对提高电路性能很有意义。

12.5V和3.3V工作:

    TPA711可以在3.3V~5V范围内正常工作。提供电压不同,输出功率不同。每个TPA711的动态范围为(VDD-1)伏,而对3.3V工作电压下,当VO(PP)=2.3V时,电路出现限幅,对5V供电,VO(PP)=4V时,电路出现限幅。

13.动态范围和热设计:

    在正常工作状态下,线性放大器会产生很大的功耗,对典型的CD需要12dB~15dB的动态范围。对TPA711在5V供电电压,负载为8Ω的情况下,它可以输出700mW的峰值功率。现将功率值转变为dB值。有:PdB=101gPw=101g700mW=-1.5dB

    可得到无失真条件下的电路动态范围

    -1.5dB-15dB=-16.5(15dB的动态范围)
    -1.5dB-12dB=-13.5(12dB的动态范围)
    -1.5dB-9dB=-10.5(9dB的动态范围)
    -1.5dB-6dB=-7.5(6dB的动态范围)
    -1.5dB-3dB=-4.5(3dB的动态范围)

    再次将分贝值转换为功率值:

    Pw=10PDB/10
         =22mW(15dB动态范围)
         =44mW(12dB动态范围)
         =88mW(9dB动态范围)
         =175mW(6dB动态范围)
         =350mW(3dB动态范围)

    表4给出了TPA711在额定功率5V,8Ω,BTL模式下的峰值输出功率,平均输出功率,功耗,最高环境温度间的关系。

    表4表明,TPA711可以在DGN封装条件下不使用散热片,在环境温度高达110℃时输出700Mw。D封装下环境温度34℃,不使用散热片,输出功率700Mw。

表 4
峰值输出功率(mW) 平均输出功率 功耗(mW) D封装(SOIC) DGW封装(MSOP)
最高环境温度 最高环境温度
700 700Mw 675 34℃ 110℃
700 350mW(3Db) 595 47℃ 115℃
700 176mW(6dB) 475 68℃ 122℃
700 88mW(9dB) 350 89℃ 125℃
700 44mW(12dB) 225 111℃ 125℃

关键字:音频功率放大器  TPA711  应用

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2009/1201/article_1895.html
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