基于D類功放IC—TPA3122的芯片設計

熊文鋒

（寧波工程學院，浙江 寧波 315000）

1 功率放大器的簡介

功率放大器根據工作狀態分A、B、AB、D類等4大類。在這個領域中，A、B、AB類均可直接采用模擬信號，并直接輸入，放大后，再將此信號運轉輸出，而D類放大器比較獨特，與前幾種不太一樣，它只有連通或者斷接這樣兩種狀態，因此，它不能直接采用模擬信號輸入，而需要變換后再放大。

A類放大器（甲類放大器），其主要特點是：放大器的工作點Q，設定在負載線的中點附近，不論是否有輸入信號出現，它的輸出電路肯定是導通的。瞬態失真以及交替失真較小情況下，且有較大的非線性失真性。但其功率效益較低，效率理論最大值只有25%，因此不太適合做功率放大器。A類放大器讓UCC=1/2UCC，達到最大的不失真區間。即Ui不輸入一直有0.5UCC/RL的電流流經晶體管，即晶體管需較好的散熱環境[1-3]。

B類放大器（乙類功率放大器），其主要特點是：其靜態工作點在（UCC，0）時，當沒有信號輸入，輸出端基本沒有消耗功率。但放大器在非線性區域內運轉后，會引起“交越失真”較大。可將另一半的周期信號，PNP型的BJT相接，與原來的射極跟隨器，形成互補式的射極跟隨器。

AB類放大器，主要特點是：輸入信號處于-0.6～+0.6 V時，Q1與Q2都導通，降低失真度，較浪費待命功率。

D類放大器，將輸入模擬信號，具有顯著的效率。以輸入信號處理電路為主，都是利用超高頻率的轉換開關電路來放大信號的。

D類功率放大器工作于“通”和“斷”兩種開關狀態，作為音頻信號的放大，還需要A/D（模/數）轉換電路，將模擬信號先變成為脈沖信號，從而進行放大。

脈寬調制（PWM）D類功率放大器的設計原理圖如圖1所示。

圖1 D類放大器的工作原理

2 單元電路設計

首先采用D類功放IC—TPA3122。該芯片內置三角波振動器、放大器、還有調制電路，極大地方便本系統的設計。

數字功率放大器，有極調音，輸出效率高，失真度小的功率放大器。輸出電流和輸出電壓都要足夠的大，即達到輸出功率足夠大。經過多次的實驗與調試，選擇如圖2所示的電路。

圖2 D類電路圖

如圖3 所述TPA3122D2采用的是20引腳的PDIP 封裝。D類功放是高頻開關電路，與傳統的線性功率放大器相比，對電源、地線的連接關系的講究程度是 H 橋的（TPA3122D2 內部是雙半橋結構），能夠以雙H橋形式配置成雙聲道放大器（SE 模式），兩個H橋可以配置成 BTL全橋單通道模式，輸出功率大約增加一倍。D 類功率放大的信號是開關信號，把模擬音頻信號變成適合D類放大器放大的開關信號的過程，一般稱之為“調制”。如圖4所示，TPA3122D2采用的就是“Σ”方式，片內三角波振蕩器的典型頻率 （調制頻率）是250 kHz。調制頻率越高，越有利于減小因調制帶來的失真，越有利于表現原始音頻信號的細節。除了PWM 調制方法，目前實用的方案還有脈沖密度制PDM和振幅調制PAM方案。

圖3 中間集成模塊

圖4 TPA3122內部結構

D類功放的輸出采用全橋時，如果輸入端懸空或者接地時，兩個占空比剛好為50%、相位反相的方波輸出。這種現象會導致D類功放在靜態時也會輸出，改進的 PWM方案，將其中一個通道的 PWM信號延時半個周期，不過改進的PWM方案也有缺點，除了增加開關信號延時電路以外，還需檢測無信號輸入狀態，電路的復雜程度增加了，而且延時等電路也會帶來失真。目前，在傳統的線性功率放大器電路架構中，負反饋（閉環）有絕對的優勢。

對于TPA3122來說有以下功能：（1）工作電壓典型值范圍 18～24 V，典型效率92%，不需要獨立的散熱器；（2）固定增益，無需外部元件增益設置，用電平組合進行4種增益設置，即可撥碼控制；（3）待機、靜音控制端子；（4）過熱、短路保護，故障自恢復功能。

本電路解調部分是一個輸出LC濾波器與負載一起構成了二階的巴特－沃茲濾波器，為了獲得理想的頻率響應特性，LC的參數也應該和負、電路構架相匹配，表 1 給出了典型的4 Ω、8 Ω負載 LC參數相匹配的參考值。信號調制輸出模塊如圖5所示，開關調試模塊如圖6所示。

圖5 信號調制輸出模塊

圖6 開關調試模塊

表1 輸入電容、輸出電容與放大器低頻響應的關系

在實物焊接時，需要對焊件表面進行清理，除去焊件表面的油污、銹跡、灰塵等會對設計結果產生影響的雜質。其次，焊錫量要合適，不然會在印刷版上出現大量的焊錫，導致接觸不良，當然焊件一定要固定，否則影響板子的美觀不說，也會影響設計的精度。實物圖如7所示。

圖7 實物

調試步驟如下：（1）使用15 V的開關電壓對該模塊進行供電，將音頻信號輸進，分別調節開關，聽不同放大倍數下聲音保真和音質。（2）測量系統的輸出功率、效率。具體參數見表2。

表2 系統測試

在本設計中，因純模電的特性，導致設計較麻煩，調試過程較復雜，通過不斷調試與檢測，最終調試成功，并完成設計。