音频功率放大器TPA711的性能特点和典型应用分析

kakai · 发表于 2020-8-14

音频功率放大器TPA711的性能特点和典型应用分析

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

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

kakai · 发表于 2020-8-14

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

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（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

*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。

kakai · 发表于 2020-8-14

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

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

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