基于TDA8920数字功放的可配置音频功率放大器设计

程晓玲

（天津科技大学电子信息与自动化学院，天津300222）



基于TDA8920数字功放的可配置音频功率放大器设计

程晓玲

（天津科技大学电子信息与自动化学院，天津300222）

摘要：依据差分放大原理，采用集成功放器件和桥接技术，给出一种可配置功率输出的音频数字功率放大器，讨论了其设计要素和功率计算等问题，并提供了基于TDA8920数字功放的实现方案。实验表明此电路设计简便易行。

关键词：可配置；音频功率放大；数字功放；桥接

数字型功率放大器（或称D类功放）以其高效率、大动态、低成本的特点，受到音频功率末端驱动相关研究的重视[1]。随着集成电路工艺的发展，多通道参数的一致性使整机的统调工作极大简化，因此数字集成功放得到广泛的普及和应用。本文给出一种基于TDA8920数字集成功放且功率可根据需求进行组合配置的音频功率放大器，并对其设计要素和功率计算等问题进行探讨。

1　数字功放原理

D类功放作为一种基于晶体管开关特性提供负载动力的方法，早期仅用于继电器和电机等执行元件的开关控制电路。20世纪60年代，Bose公司首先将这种方法用于开发D类汽车功放，开始了D类功放用于音频放大技术的研究[1-2]。D类功放是指放大元件处于开关工作状态的一种工作模式。在理想情况下，晶体管相当于一个有源开关，无信号输入时，晶体管处于截止状态；有信号输入时，晶体管起到将负载直接接通电源的作用。理想条件下，晶体管可视作短路，饱和压降为零且不耗电，因此特别适合超大功率的应用场合。采用D类放大器来放大信号，关键在于对源信号的调制。一般D类功放的基本结构可由3部分组成：PWM调制级、放大级和输出级。D类音频功率放大器的工作原理如图1所示[3]。

图1　D类音频功率放大器的工作原理框图

D类音频功率放大器的工作原理为：首先对输入音频信号采用PWM技术完成采样和调制，产生PWM调制信号；然后通过驱动功放电路（通常为MOSFET桥）完成对PWM信号的放大[4]；最后通过低通滤波器滤掉高频开关噪声，得到放大的音频信号，驱动扬声器负载。

2　可配置桥接原理

差动放大电路原理是指由2个基本放大电路对2个输入信号分别放大后，在输出端叠加作为差动放大器的输出[5]，理论上为功放电路的输出桥接提供了应用基础。数字音频集成功放具有良好的参数一致性，2通道电路的参数基本完全对称，给桥接技术提供了应用条件。配置的概念是指放大器在使用时，可根据负载使用需求，在不改变硬件基本环境的条件下，通过输出级的桥接合并使用放大器，实现提高输出功率的目的。D类音频功率放大器输出桥接原理如图2所示。

图2　D类音频功率放大器输出桥接原理

观察图2中信号在2个放大器中的情况：在Amp1同相端输入正弦信号，根据同相放大器的性质，经放大器Amp1放大后，在输出端得到与输入信号同相位且幅值放大的正弦波信号UL1o；在Amp2反向端输入与Amp1相同的正弦信号，经过反相放大器Amp2放大后，输出端的输出信号UL2o不仅幅度得到放大，且与Amp1输出的正弦波信号UL1o相位相反，二者相差180°。

设Amp1和Amp2分别为音频功放L（左声道）和R（右声道）声道的输出级功放。正常情况（非桥接）下，按L、R声道分别接入负载（扬声器），此时在负载端不出现输出叠加问题；经放大的信号，分别加载在不同负载上，但极性相反。

由图2可知，单一负载桥接时，负载的一端接在L声道的输出端，另一端接在R声道的输出端，负载一端施加的电压UL1o正好与另一端施加的电压UL2o幅度大小相等，但相位相反，即UL1o=－UL2o。负载正、负极间的电压为：

U = UL1o－UL2o= UL1o－（－UL1o）= 2UL1o

负载上获得的功率为：

P’= U×U/R = 2UL1o×2UL1o/R = 4P

式中：R为负载的阻抗；PLo为单个放大器的输出功率；桥接后功放输出的功率P’为单声道功率P的4倍。

3　基于TDA8920的实现方案

TDA8920是飞利浦公司生产的D类功率放大器，其电路原理如图3所示[6]。该集成芯片主要用于立体声放大器。芯片中包含模拟电路、数字电路和2个MOSFET半桥功率级，采用17脚单列直插式SOT243-1封装。放大器支持电源电压（VDD和VSS）范围为±15 V～±30 V；其电路的输出功率是2×50 W，噪声输出电压约100 μV，能提供30 dB±1 dB的闭环增益，THD≤0.15%。芯片具有热保护和负载短路保护，可通过静噪抑制和导通检测进入放大或待机模式的自动切换，使放大器无开/关切换噪声等特点[6]。

图3　TDA8920电器原理图

根据TDA8920电路内部原理，引入SW双刀双置开关，实现输入信号的连接和切换以及单端输入或双端差动输入，完成电路可配置应用的功能。可配置电器原理如图4所示，其中输出负载端采用人工接线，实现对负载设备的连接和输出配置。

图4　可配置电器原理图

4　结束语

本文给出一种可配置功率输出的音频数字功率放大器，在对其设计要素和功率计算等问题进行讨论的同时，提供了基于TDA8920数字功放的实现方案。在电路实验中，输入端分别输入10～500 mV的正弦波信号，输出端采用4～16 Ω的滑线变阻器模拟扬声器，得到较好的功率驱动特性，且功率输出稳定，同时SW开关采用电子模拟开关，实现了可编程应用和动态配置，电路设计简便易行。

参考文献：

［1］本刊记者.RoomMatch扬声器·PowerMatch专业功率放大器[J].现代音响技术，2011（12）：100.

［2］BOSE.Bose PowerMatch可配置专业功率放大器[J].演艺科技，2013（3）：79.

［3］龚伟，周雒维.D类音频功率放大器控制方式综述[J].重庆大学学报：自然科学版，2003，26（2）：117-122.

［4］金杰，吴今哲.同步单电源模式下TDA7481音频开关功率放大器的设计[J].延边大学学报：自然科学版，2010，36 （2）：170-173.

［5］康华光，陈大钦，张林.电子技术基础·模拟部分[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

作者简介：程晓玲（1968—），女，副教授，硕士，研究方向为电子技术应用等.

收稿日期：2016-01-06

中图分类号：TN722.75

文献标识码：A

文章编号：2095－0926（2016）01－0027－03