基于TDA8920數(shù)字功放的可配置音頻功率放大器設(shè)計

程曉玲

（天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津300222）

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基于TDA8920數(shù)字功放的可配置音頻功率放大器設(shè)計

程曉玲

（天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津300222）

摘要：依據(jù)差分放大原理，采用集成功放器件和橋接技術(shù)，給出一種可配置功率輸出的音頻數(shù)字功率放大器，討論了其設(shè)計要素和功率計算等問題，并提供了基于TDA8920數(shù)字功放的實現(xiàn)方案。實驗表明此電路設(shè)計簡便易行。

關(guān)鍵詞：可配置；音頻功率放大；數(shù)字功放；橋接

數(shù)字型功率放大器（或稱D類功放）以其高效率、大動態(tài)、低成本的特點，受到音頻功率末端驅(qū)動相關(guān)研究的重視[1]。隨著集成電路工藝的發(fā)展，多通道參數(shù)的一致性使整機(jī)的統(tǒng)調(diào)工作極大簡化，因此數(shù)字集成功放得到廣泛的普及和應(yīng)用。本文給出一種基于TDA8920數(shù)字集成功放且功率可根據(jù)需求進(jìn)行組合配置的音頻功率放大器，并對其設(shè)計要素和功率計算等問題進(jìn)行探討。

1　數(shù)字功放原理

D類功放作為一種基于晶體管開關(guān)特性提供負(fù)載動力的方法，早期僅用于繼電器和電機(jī)等執(zhí)行元件的開關(guān)控制電路。20世紀(jì)60年代，Bose公司首先將這種方法用于開發(fā)D類汽車功放，開始了D類功放用于音頻放大技術(shù)的研究[1-2]。D類功放是指放大元件處于開關(guān)工作狀態(tài)的一種工作模式。在理想情況下，晶體管相當(dāng)于一個有源開關(guān)，無信號輸入時，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)；有信號輸入時，晶體管起到將負(fù)載直接接通電源的作用。理想條件下，晶體管可視作短路，飽和壓降為零且不耗電，因此特別適合超大功率的應(yīng)用場合。采用D類放大器來放大信號，關(guān)鍵在于對源信號的調(diào)制。一般D類功放的基本結(jié)構(gòu)可由3部分組成：PWM調(diào)制級、放大級和輸出級。D類音頻功率放大器的工作原理如圖1所示[3]。

圖1　D類音頻功率放大器的工作原理框圖

D類音頻功率放大器的工作原理為：首先對輸入音頻信號采用PWM技術(shù)完成采樣和調(diào)制，產(chǎn)生PWM調(diào)制信號；然后通過驅(qū)動功放電路（通常為MOSFET橋）完成對PWM信號的放大[4]；最后通過低通濾波器濾掉高頻開關(guān)噪聲，得到放大的音頻信號，驅(qū)動揚聲器負(fù)載。

2　可配置橋接原理

差動放大電路原理是指由2個基本放大電路對2個輸入信號分別放大后，在輸出端疊加作為差動放大器的輸出[5]，理論上為功放電路的輸出橋接提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。數(shù)字音頻集成功放具有良好的參數(shù)一致性，2通道電路的參數(shù)基本完全對稱，給橋接技術(shù)提供了應(yīng)用條件。配置的概念是指放大器在使用時，可根據(jù)負(fù)載使用需求，在不改變硬件基本環(huán)境的條件下，通過輸出級的橋接合并使用放大器，實現(xiàn)提高輸出功率的目的。D類音頻功率放大器輸出橋接原理如圖2所示。

圖2　D類音頻功率放大器輸出橋接原理

觀察圖2中信號在2個放大器中的情況：在Amp1同相端輸入正弦信號，根據(jù)同相放大器的性質(zhì)，經(jīng)放大器Amp1放大后，在輸出端得到與輸入信號同相位且幅值放大的正弦波信號UL1o；在Amp2反向端輸入與Amp1相同的正弦信號，經(jīng)過反相放大器Amp2放大后，輸出端的輸出信號UL2o不僅幅度得到放大，且與Amp1輸出的正弦波信號UL1o相位相反，二者相差180°。

設(shè)Amp1和Amp2分別為音頻功放L（左聲道）和R（右聲道）聲道的輸出級功放。正常情況（非橋接）下，按L、R聲道分別接入負(fù)載（揚聲器），此時在負(fù)載端不出現(xiàn)輸出疊加問題；經(jīng)放大的信號，分別加載在不同負(fù)載上，但極性相反。

由圖2可知，單一負(fù)載橋接時，負(fù)載的一端接在L聲道的輸出端，另一端接在R聲道的輸出端，負(fù)載一端施加的電壓UL1o正好與另一端施加的電壓UL2o幅度大小相等，但相位相反，即UL1o=－UL2o。負(fù)載正、負(fù)極間的電壓為：

U = UL1o－UL2o= UL1o－（－UL1o）= 2UL1o

負(fù)載上獲得的功率為：

P’= U×U/R = 2UL1o×2UL1o/R = 4P

式中：R為負(fù)載的阻抗；PLo為單個放大器的輸出功率；橋接后功放輸出的功率P’為單聲道功率P的4倍。

3　基于TDA8920的實現(xiàn)方案

TDA8920是飛利浦公司生產(chǎn)的D類功率放大器，其電路原理如圖3所示[6]。該集成芯片主要用于立體聲放大器。芯片中包含模擬電路、數(shù)字電路和2個MOSFET半橋功率級，采用17腳單列直插式SOT243-1封裝。放大器支持電源電壓（VDD和VSS）范圍為±15 V～±30 V；其電路的輸出功率是2×50 W，噪聲輸出電壓約100 μV，能提供30 dB±1 dB的閉環(huán)增益，THD≤0.15%。芯片具有熱保護(hù)和負(fù)載短路保護(hù)，可通過靜噪抑制和導(dǎo)通檢測進(jìn)入放大或待機(jī)模式的自動切換，使放大器無開/關(guān)切換噪聲等特點[6]。

圖3　TDA8920電器原理圖

根據(jù)TDA8920電路內(nèi)部原理，引入SW雙刀雙置開關(guān)，實現(xiàn)輸入信號的連接和切換以及單端輸入或雙端差動輸入，完成電路可配置應(yīng)用的功能?？膳渲秒娖髟砣鐖D4所示，其中輸出負(fù)載端采用人工接線，實現(xiàn)對負(fù)載設(shè)備的連接和輸出配置。

圖4　可配置電器原理圖

4　結(jié)束語

本文給出一種可配置功率輸出的音頻數(shù)字功率放大器，在對其設(shè)計要素和功率計算等問題進(jìn)行討論的同時，提供了基于TDA8920數(shù)字功放的實現(xiàn)方案。在電路實驗中，輸入端分別輸入10～500 mV的正弦波信號，輸出端采用4～16 Ω的滑線變阻器模擬揚聲器，得到較好的功率驅(qū)動特性，且功率輸出穩(wěn)定，同時SW開關(guān)采用電子模擬開關(guān)，實現(xiàn)了可編程應(yīng)用和動態(tài)配置，電路設(shè)計簡便易行。

參考文獻(xiàn)：

［1］本刊記者.RoomMatch揚聲器·PowerMatch專業(yè)功率放大器[J].現(xiàn)代音響技術(shù)，2011（12）：100.

［2］BOSE.Bose PowerMatch可配置專業(yè)功率放大器[J].演藝科技，2013（3）：79.

［3］龔偉，周雒維.D類音頻功率放大器控制方式綜述[J].重慶大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003，26（2）：117-122.

［4］金杰，吳今哲.同步單電源模式下TDA7481音頻開關(guān)功率放大器的設(shè)計[J].延邊大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，36 （2）：170-173.

［5］康華光，陳大欽，張林.電子技術(shù)基礎(chǔ)·模擬部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

［6］PHILIPS.TDA8920datasheet：2×50 Wclass-Dpower amplifier [Z].[s.n.]：Philips Semiconductors，1998：1-16.

Design of configurable audio power amplifier based on TDA8920 digital power amplifier

CHENG Xiao-ling
（School of Electronic Information and Automation，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300222，China）

Abstract：According to the principle of differential amplifier，by using the integrated power amplifier device and the bridge connection technology，a configurable power output of digital audio power amplifier is presented in this paper.Its design elements and the power calculation and other issues are discussed，and the implementation scheme based on TDA8920 digital power amplifier is provided.

Key words：configurable；audio power amplifier；digital power amplifier；bridge connection

作者簡介：程曉玲（1968—），女，副教授，碩士，研究方向為電子技術(shù)應(yīng)用等.

收稿日期：2016-01-06

中圖分類號：TN722.75

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095－0926（2016）01－0027－03