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TPA0202 2-W立體聲音頻功率放大器

時間:2019-6-5, 來源:互聯網, 文章類別:元器件知識庫

帶PC電源的集成Depop電路高功率–5 V時2 W/ch,輸入3Ω負載–3 V時800 mW/ch,完全指定用于3Ω負載,超低失真–2 W和3Ω負載橋接負載(BTL)或單端(SE)模式下0.05%THD+N,立體聲輸入多路復用器表面安裝電源包24針TSSOP PowerPad Shutdown Co控制…IDD

描述
TPA0202是一個24針TSSOP熱封裝中的立體聲音頻功率放大器,能夠將每個通道的連續均方根功率大于2 W傳輸到3Ω負載中。TPA0202簡化了設計,并為其他功能騰出了板空間。5伏電源的全功率失真水平低于0.1%THD+N是典型的。TPA0202還為低壓應用提供了很好的服務,它在3.3伏電源電壓下為每個通道提供800毫瓦的3-歐姆負載。
TPA0202具有集成的Depop電路,幾乎可以消除通電期間以及使用靜音和關機模式時引起揚聲器噪聲的瞬態。
放大器增益通過每個輸入通道的兩個電阻器進行外部配置,對于BTL模式(SE模式下為1至10)中2至20的設置,不需要外部補償。內部輸入MUX允許兩組立體聲輸入到放大器。在筆記本電腦應用中,內部揚聲器作為BTL驅動,線路(通常是耳機驅動)輸出需要為SE,當SE/BTL輸入被激活時,TPA0202自動切換到SE模式。使用TPA0202將高達700 mW/通道的線路輸出驅動到外部3-Ω負載是便攜式多媒體系統中小型無電源外部揚聲器的理想選擇。TPA0202還具有功率敏感應用的關機功能,將電源電流保持在5μA。PowerPad軟件包†(PWP)提供了以前僅在TO-220型軟件包中可實現的熱性能水平。在多層印刷電路板應用中,很容易實現約35°C/W的熱阻。這使得TPA0202能夠在高達85°C的環境溫度和300 cfm的強制空氣冷卻下以全功率運行到3-Ω負載。在8Ω負載下,工作環境溫度升高至100°C。

熱信息
熱增強PWP封裝基于24針TSSOP,但包括一個熱墊以在IC和PWB之間提供有效的熱接觸。
傳統上,表面貼裝和功率是相互排斥的術語。各種縮小到220型的封裝有引線形成鷗翼,使其適用于表面安裝應用。然而,這些軟件包只有兩個缺點:它們不能滿足當今許多先進系統的極低要求(<2 mm),也不能提供足夠高的終端數量來適應日益增強的集成。另一方面,傳統的低功耗表面安裝封裝需要降低功耗,這嚴重限制了許多高性能模擬電路的可用范圍。
PowerPAD封裝(熱增強TSSOP)結合了細間距表面安裝技術和熱性能,可與更大功率封裝相媲美。
PowerPad軟件包旨在優化到PWB的熱傳遞。由于TSSOP封裝的尺寸非常小且質量有限,因此通過改進從組件中去除熱量的熱傳導路徑來實現熱增強。熱墊采用專利的引線框架設計和制造技術形成,以提供與發熱IC的直接連接。當該焊盤被焊接或熱耦合到外部散熱片上時,可以可靠地實現超薄、細間距、表面安裝封裝的高功耗。

應用程序信息
橋接連接荷載與單端模式
BTL配置中的線性音頻功率放大器(APA)。TPA0202 BTL放大器由兩個驅動負載兩端的線性放大器組成。這種差分驅動配置有幾個潛在的好處,但最初考慮的是負載功率。揚聲器的差分驅動意味著,當一側回轉時,另一側回轉,反之亦然。與地面參考負載相比,這實際上使負載上的電壓擺動加倍。將2×vo(pp)插入功率方程,其中電壓為平方,得到4×來自相同供電軌和負載阻抗的輸出功率(見方程1)。

橋系荷載配置
在一個典型的以5伏電壓工作的計算機聲音通道中,橋接將功率從250毫瓦的單端(SE,接地參考)限制提高到8歐姆揚聲器。在聲功率方面,這是6分貝的改進,即可以聽到的響度。除了功率增加,還有頻率響應問題。需要一個耦合電容器來阻止直流偏移電壓到達負載。這些電容器可能非常大(約33微F至1000微F),因此它們往往昂貴、笨重,占據寶貴的PCB區域,并且具有限制系統低頻性能的額外缺點。這種頻率限制效應是由揚聲器阻抗和耦合電容形成的高通濾波器網絡引起的,用公式2計算。

應用程序信息

橋接連接荷載與單端模式(續)
例如,帶有8歐姆揚聲器的68-微F電容器將使低于293赫茲的低頻衰減。BTL配置取消了直流偏移,從而消除了對阻塞電容器的需求。低頻性能僅受輸入網絡和揚聲器響應的限制。通過消除笨重的耦合電容器,成本和印刷電路板空間也被最小化。

單端配置和頻率響應
增加負載功率會導致內部功耗增加。考慮到BTL配置產生4×SE配置的輸出功率,增加的功耗是可以理解的。內部耗散與輸出功率的關系將在“熱考慮”一節中進一步討論。
BTL放大器效率
眾所周知,線性放大器效率低下。這些效率低下的主要原因是輸出級晶體管的電壓降。內部電壓降有兩個分量。一種是與輸出功率成反比的凈空或直流電壓降。第二個分量是由于輸出的正弦波性質。總電壓降可以通過從VDD中減去輸出電壓的均方根值來計算。內部電壓降乘以電源電流的均方根值iddrms,確定放大器的內部功耗。
一個簡單易用的計算效率的公式開始時等于從電源到負載功率的比率。為了精確計算負載和放大器中功率的均方根值,必須首先了解電流和電壓波形形狀

應用程序信息
雖然SE和BTL的電壓和電流在負載中是正弦的,但是SE和BTL配置之間來自電源的電流是非常不同的。在SE應用中,電流波形是半波整流波形,而在BTL中是全波整流波形。這意味著均方根轉換系數不同。請記住,對于大多數波形,推拉晶體管都不是同時打開的,這支持了這樣一個事實,即BTL設備中的每個放大器僅從電源中抽取一半波形的電流。以下方程式是計算放大器效率的基礎。

采用方程式4計算四種不同輸出功率水平的效率。請注意,對于較低的功率水平,放大器的效率相當低,并且隨著負載功率的增加而急劇上升,導致在正常工作范圍內的內部功耗幾乎持平。注意,全輸出功率下的內部功耗小于半功率范圍內的功耗。計算特定系統的效率是正確設計電源的關鍵。對于帶有8Ω負載和5伏電源的立體聲1-W音響系統,電源上的最大功耗幾乎為3.25 W。

應用程序信息
例如,在表1的計算中,如果用3.3-V電源(TPA0202的最大推薦VDD為5.5 V)替換5-V電源,則0.5 W時的效率將從44%上升到67%,5 V時的內部功耗將從0.62 W下降到0.25 W。然后,對于3.3-V電源的立體聲0.5-W系統,最大功率將僅為B。E 1.5 W與5 V時的2.24 W相比。換句話說,利用效率分析來選擇正確的電源電壓和揚聲器阻抗。
組件的選擇

筆記本電腦應用電路的示意圖。

應用程序信息

注:A.此連接用于停機模式下的超低電流。b.應盡可能靠近IC放置0.1μF陶瓷電容器。為了過濾低頻噪聲信號,應在音頻功率放大器附近放置一個10微F或更大的鋁電解電容器。
TPA0202全配置應用電路

應用程序信息
增益設置電阻Rf和Ri TPA0202的每個音頻輸入的增益由電阻Rf和Ri根據BTL模式的方程式5設置。
BTL增益2rf r i
BTL模式操作會導致增益方程中的因子2,因為反向放大器反映了負載上的電壓擺動。考慮到TPA0202是一個MOS放大器,輸入阻抗非常高,因此,盡管電路中的噪聲隨著射頻值的增加而增加,但輸入泄漏電流通常不受關注。此外,放大器正常啟動操作需要一定范圍的射頻值。綜上所述,建議將放大器反相節點看到的有效阻抗設置在5 kΩ和20 kΩ之間。有效阻抗按式6計算。
有效阻抗Rfri Rf Ri
例如,考慮10 kΩ的輸入電阻和50 kΩ的反饋電阻。放大器的BTL增益為-10,反向端的有效阻抗為8.3 kΩ,這在推薦范圍內。
對于高性能應用,建議使用金屬膜電阻器,因為它們的噪聲水平往往比碳電阻低。對于高于50 kΩ的射頻值,由于射頻形成的電極和MOS輸入結構的固有輸入電容,放大器往往會變得不穩定。因此,當射頻大于50 kΩ時,應將大約5 pF的小型補償電容器與射頻并聯。實際上,這會創建一個低通濾波器網絡,其截止頻率在公式中定義。
例如,如果rf為100 kΩ,而cf為5 pf,則fc為318 kHz,遠遠超出音頻范圍。

應用程序信息
輸入電容器ci在典型應用中,輸入電容器ci需要允許放大器將輸入信號偏壓到適當的直流電平以實現最佳操作。在這種情況下,ci和ri形成一個高通濾波器,角頻率在等式8中確定。
CI的值是需要考慮的重要因素,因為它直接影響電路的低音(低頻)性能。考慮一個例子,其中ri為10 kΩ,規范要求低音響應為40 Hz。式8重新配置為式9。
在本例中,Ci為0.40微F,因此可能選擇0.47微F至1微F范圍內的值。該電容器的進一步考慮是輸入源通過輸入網絡(Ri,Ci)和反饋電阻(Rf)到負載的泄漏路徑。這種漏電流會在放大器的輸入端產生直流偏移電壓,從而降低有用的凈空,特別是在高增益應用中。因此,低泄漏鉭或陶瓷電容器是最佳選擇。當使用極化電容器時,在大多數應用中,電容器的正極應面對放大器輸入,因為直流電平保持在vdd/2,這可能比源直流電平高。請注意,在應用中確認電容器極性很重要。
電源去耦,CS TPA0202是一種高性能的CMOS音頻放大器,需要足夠的電源去耦,以確保輸出總諧波失真(THD)盡可能低。電源去耦還可以防止放大器和揚聲器之間的長引線長度振蕩。通過使用兩個不同類型的電容器,針對電源導線上不同類型的噪聲,實現最佳去耦。對于線路上的高頻瞬變、尖峰或數字雜散,一個良好的低等效串聯電阻(ESR)陶瓷電容器,通常放置在盡可能靠近設備的0.1微F處,VDD引線效果最佳。為了過濾低頻噪聲信號,建議在音頻功率放大器附近放置一個10微F或更大的鋁電解電容器。

應用程序信息
中軌旁路電容器是中軌旁路電容器中最關鍵的電容器,具有多種重要功能。在啟動或從關機模式恢復期間,CB決定放大器的啟動速率。第二個功能是減少由電源耦合到輸出驅動信號產生的噪聲。此噪聲來自放大器內部的中頻產生電路,表現為PSRR和THD+N退化。電容器由放大器內部的100-KΩ電源供電。為了使啟動彈出窗口盡可能低,應保持方程式10所示的關系。
1奇瑞射頻
例如,考慮一個電路,其中cb為1微F,ci為0.22微F,rf為50 kΩ,ri為10 kΩ。將這些值插入方程10中,我們得到10≤75,這符合規則。為了獲得最佳的THD和噪聲性能,建議使用0.1微F至1微F的旁路電容器、CB或鉭低ESR電容器。
在圖63中,全功能配置使用了兩個旁路電容器。這樣可以最大限度地分離左右驅動電路。當需要絕對最小成本和/或元件空間時,可以使用一個旁路電容器,如圖62所示。在這種配置中,必須將端子6和19連接在一起。
負載注意事項
極低的阻抗負載(低于4Ω)加上某些外部元件選擇、電路板布局和布線可能會導致系統振蕩。使用一個與負載串聯的單空心電感可以消除任何可能發生的雜散振蕩。已證明約1μh的電感可消除此類振蕩。當使用4Ω及以上的負載時,不需要特別考慮此放大器。
優化停車場運行
TPA0202中包含了電路,以盡量減少通電和退出停機模式時聽到的爆裂聲。當電壓階躍加到揚聲器上時,就會出現爆裂聲。如果反饋電阻和輸入電阻使用高阻抗,則在靜音和關機期間,輸入電容器可能會從中間軌道向下漂移。當電壓的小增量乘以增益時,高增益放大器加劇了這個問題。因此,使用低增益配置和限制增益設置電阻的大小是有利的。輸入耦合電容器(Ci)和增益設置電阻(Ri和Rf)的時間常數需要短于旁路電容器(Cb)形成的時間常數和中間軌道發電機的輸出阻抗(名義上為100 kΩ)(見方程式10)。
由于PNP晶體管夾持輸入節點,中軌發電機的有效輸出阻抗實際上大于100 kΩ

旁路端PNP晶體管鉗位
PNP晶體管通過在通電時緩慢旋轉內部節點來限制50 kΩ電阻器的電壓降。啟動時,Xbypass電容器為0。PNP將偏壓電路的中點拉下,因此電容器的有效電壓較低,因此充電速度較慢。這表現為線性斜坡(當PNP晶體管導電時),然后是R-C電路的預期指數斜坡。
如果無法滿足方程式10中的表達式,或者應用程序仍不能接受少量的POP,則必須添加外部電路,以消除通電期間以及從靜音或關機模式轉換時聽到的POP。
當POP正常發生時,通過將設備保持在SE模式,則無法通過BTL連接的揚聲器聽到POP(因為放大器處于SE模式時,負輸出處于高阻抗狀態)。

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