模拟输入级设计 - 工程师参考手册（一）：D类功放设计须知

　　3．2 模拟输入级设计

　　TFA9810T输入端采用可抑制共模干扰的全差分输入电路。以图8 AMP-Rin输入端为例，RA128／RA133／CA139构成负反馈低通滤波器，用于衰减反馈信号中高频载波成分。增加低频成分反馈量，特别是直流成分。有效改善了零输入时因输入信号直流电平与比较器门限电压差异形成的占空比误差，调整RA128也可实现TFA9810T增益控制，使Au（dB）=20log（VOUT／VIN）≌20log（RA128／RA132）。器件CA153／RA132／RA133及TFA9810T内阻构成高通滤波器，用于对输入信号的缓冲。若CA153容值过小，会影响低频响应，理论确定公式为：

　　

　　本设计取值1 μF，确定低端频率为16 Hz，若该频率定得太高，低端输入电抗（如在20 Hz）会太大，可能导致输出端较大噪声和直流偏移噪声（plop-noise）。反馈信号与经过缓冲的输入音频比较后，通过RA133进入TFA9810T进行PWM调制。为避免图8中Rin／Lin输入信号频率因半导体非线性产生和频和差频，导致输出端出现啸叫声，则通过调整电容CA123／CA145，将两路载波频率调差50 kHz左右。本设计中将取CA123=22 pF，CA145=47 pF，实现了Rin／Lin载频相差50 kHz。

　　3．3 输出级LPF低通滤波设计

　　TFA9810T输出端低通滤波器采用二阶巴特沃思滤波器方式，实际的巴特沃思二阶滤波器由图9中RCA类电子元器件CA135／RA145／CA136／LA5／CA137／CA138／RA148／CA159／CA140／CA141／RA152／LA6／CA142／CA144等构成，对PWM方波中15 Hz～20 kHz音频成分表现为直通效应，对超过音频范围的20 kHz以上高频成分呈现-12 dB／倍频程滚降率。

　　

　　简化模型中，由Lse和Cse，R，C1构成基本巴特沃思滤波器，R和C1又构成有Zobel network的消峰电路，用于去除高频时尖峰脉冲干扰。

　　3．4 温升测试

　　本设计功放TFA9810T的直流电源供电15．2 V，工作环境温度为20℃，音频系统输入为2Vp未调制的1 kHz单音频信号，匹配负载为8 Ω扬声器，调整音频输出功率21 W，持续工作30 min，使用温度测试设备测得TFA9810T壳体中央最高温度为45℃，温升仅25℃，无需再增加散热片。

　　3．5 音频A／D／A测试分析

　　图10测试了TFA9810T功放音频输入端为1 kHz的2V。单音频信号波形，输出端扬声器端到GND间为12．84V。，图9中LPF。滤波前功放输出的PWM波形。图11～图13分别拓展了图10中A／B／C区。

　　

　　

　　由图10～图13可知，输入波形叠加有高频杂波。说明前端引入不良干扰，需进一步分析改进；输出波形平滑，无交越失真，Deadtime特性较好；输入／输出正弦波相位相反，直接由电阻RA128等形成闭环负反馈通路，降低了噪声干扰，并进行增益控制。A，B，C区的拓展图输出正弦波峰、波谷、S区域处PWM的频率分别为238．8 kHz，224．9 kHz，626．4 kHz，占空比不同，符合三角波采样特性。图中波峰、波谷处PWM脉冲fall下降沿和rise上升沿更为陡峭，相比S形区域，包含大量高频谐波，易引起EMI辐射，但通过巴特沃思二阶滤波器滤波后，输出正弦波良好，无明显高频杂波迭加，EMC测试也无明显对外辐射频率，满足了设计需要。

　　3．6 功率、效率测试

　　图14测试了在图10状态下功放TFA9810T的供电电压、电流实际波形。

　　

　　由图10可知，功放单端输出功率为：

　　

　　4 结 语

　　介绍了模拟全桥D类功放拓扑结构，详细探讨了通过二阶巴特沃思滤波器设计和功放PCB布局，抑制了因Deadtime等产生的EMI。最后基于NXP公司D类功放TFA9810T，实现了一种新型绿色能效双通道D类音频放大器设计。仿真和测试结果表明，在供电电压约为15 V时，放大器可向两8 Ω扬声器提供10 W×2的输出功率，转换效率达90％，总谐波失真小于7％，1 kHz正弦波音频输出无交越失真，无明显EMI干扰，功放壳体相对温升25℃。随着当今社会节约能源的要求，该类绿色能效设计将在未来几年达到更广泛的应用。