集成功率放大器的基本性能

從應用角度出發，集成功率放大器應具有足夠的輸出功率，即足夠的輸出電壓、輸出電流;在正常工作狀態下，應具有儘可能低的輸出電壓失真;儘可能低的輸出噪聲;足夠的頻帶寬度;足夠的輸入阻抗;具有輸出過載保護、過熱保護以及足夠的輸出功率。上述技術指標，除了過熱保護外，其他性能均和運算放大器的性能一致。

實際上，集成功率運算放大器的性能要求與集成功率放大器基本一樣，但是集成功率放大器的價格遠低於集成功率運算放大器。

現在生產的集成功率放大器的主要內部結構基本相同。集成功率放大器內部電路主要包括：關係到集成穩壓器安全的過熱保護電路;偏置電路和恆流源電路;差分輸入的差分放大器;差分放大器的雙端變換為單端輸出的雙端變單端電路;中間放大級;OCL(無輸出電容功放電路)輸出級和OCL級的偏置電路;輸出過電流保護;相位補償電路。

為了分析方便，下面以美國國家半導體公司產品LM3875為例進行介紹。圖10-17所示為LM3875內部簡要電路。圖中忽略了過熱保護電路、輸出過電流保護電路，將各恆流源加以簡化(用兩個圓環表示)。

(1)差分輸入的差分放大器

為了方便地實現反饋、靜態工作點的穩定和共模抑制比，差分輸入的差分放大器是最好的選擇。為了獲得高輸入阻抗，集成功率放大器的輸入級與通用集成運算放大器一樣，都採用射極跟隨器電路，由圖中的VT 1 、VT 2 構成。由於VT 1 、VT 2 的發射極所接的負載是恆流源和VT 3 、VT 4 以及 R 1 、 R 2 的輸入阻抗，如果 β >100，則對應的集成功率放大器的輸入阻抗將達到1MΩ以上;VT 3 、VT 4 構成共發射極差分放大器，可以使輸入級獲得一定的電壓增益。

(2)差分放大器的雙端變換為單端輸出的雙端變單端電路

集成功率放大器的單端輸出需要將差分放大器的雙端輸出轉換為單端輸出，同時又不能損失增益。這一部分功能電路由VT 5 、VT 6 、VT 7 組成，可以將差分放大器的輸出無損耗地轉換為單端輸出。為了儘可能地減小下一級電路的負載效應，將雙端變換為單端電路的輸出接入射極跟隨器，這樣既可以保證差分放大器的對稱性，又能降低差分放大器的輸出阻抗。

(3)中間放大級

欲獲得60dB的電壓增益，集成運算放大器和集成功率放大器的主要增益在中間放大級實現，中間放大級所連接的是恆流源和“達林頓”連接方式的功率輸出級。因此，中間放大級的負載阻值非常高，從而獲得了很高的電壓增益。

(4)功率輸出級和偏置電路

功率輸出級的作用是將中間放大級的電壓信號進行電流放大，功率輸出級和功率級的偏置電路可以將中間放大級的電流放大數百倍甚至是數千倍。功率輸出級多采用由NPN晶體管構成的“準互補”的OCL電路。為了使輸出級電路的靜態工作點不隨溫度變化，同時還要保證小信號輸出時不失真，需要一個可以補償輸出級電路與工作狀態隨溫度變化的補償與偏置電路。最常見的方法是利用二極管的正向壓降與晶體管的發射結溫度特性基本相同的特點，通過將3個二極管(圖中的VD 1 、VD 2 、VD 3 )串聯實現3個發射結(圖中的VT 10 、VT 11 、VT 12 )溫度特性的補償。

(5)相位補償電路

對於多級電壓放大電路，儘管可以獲得很高的電壓增益，但是，由於高增益和多級放大所造成的相移，在用來實現負反饋的應用時很容易滿足反饋放大器的自勵條件，使放大器出現自勵現象。集成功率放大器的相位補償電路通常在芯片內採用滯後補償的方式實現。最簡單的方法就是在電路的主增益級設置補償電路，也就是在中間放大級的集電極與基極接一個補償電容器，如圖10-17所示的10pF的電容器 C 。這樣在實現功率放大電路時就可以不考慮外界相位補償電路。

(6)集成功率放大器均內設過電流保護和過功率保護，以保證集成功率放大器在故障狀態下不至於損壞。集成功率放大器的過電流保護和過功率保護與集成穩壓器類似。

(7)過熱保護

與集成穩壓器相似，集成功率放大器具有良好的過熱保護功能，以確保集成功率放大器不至於因過熱而損壞。

常用集成功率放大器分析

常用集成功率放大器主要有：耳機放大器、1～2W低功率放大器、12～45V電源電壓中等功率放大器和50V以上的高功率放大器。在低電壓特別是單電源供電條件下，為了獲得比較大的輸出功率，多采用BTL電路形式和比較低的負載電阻(如4Ω、2Ω)。採用OTL電路時，電源為單電源，這樣可以簡化電源，但是需要附加一個輸出隔直電容器，對於大功率輸出，帶有隔直電容器的電路將受到電容器的可承受的電流限制不再適用。對於大功率輸出，通常採用OCL無輸出電容器電路，這樣的電路需要雙電源供電，如果輸出功率仍不滿足要求，可以採用BTL電路增加輸出功率。若要進一步增加輸出功率，還可採用多路放大器並聯的方式實現。

(1)耳機放大器

耳機放大器是專為耳機提供音頻功率的低功率水平的功率放大器，隨著便攜式放聲設備(如手機、MP3等)的普遍應用，耳機放大器的需求量也大大增加。耳機放大器多應用於便攜式電子設備，因此封裝形式為表面貼裝。

耳機放大器的負載是耳機，它的阻抗為32Ω。輸出功率不要求很大，有100mW就足夠了。

耳機放大器一般為立體聲放大器，即雙聲道放大器。因為耳機需要經常地插拔，很可能出現短路現象，因此耳機放大器應具有過熱和短路保護功能。

耳機放大器要求在32Ω負載下的額定功率和1kHz條件下的總諧波失真要低於0.1%;在整個頻帶內(20～20kHz)要具有不高於0.2%的總諧波失真。

圖10-18所示是TI公司生產的TPA152耳機放大器的基本電路。TPA152為8-pinSOIC封裝形式。

表10-1所示為TPA152的引腳功能。

圖10-19所示為TPA152內部簡要原理框圖。從圖中可以看出，TPA152內部的放大器實際上就是運算放大器，只不過輸出功率比常規運算放大器高。由於TPA152是單電源供電，所以放大器的同相輸入端需要接到電源的中點，因此在芯片內部帶有分壓電阻，分壓電阻的中點接放大器的同相輸入端。另外，為了保證同相輸入端的“電源”低阻抗，需要對中點電壓並接旁路電容，即引腳3外接電容器。

由於TPA152內部的放大器只是接成運算放大器的形式，整個放大器的閉環增益需要外接電阻實現，即圖中的 R F 、 R 1 。

在不需要音量時，可採用靜音方式，這樣可以避免反覆開機。靜音方式可以通過靜音控制端實現，只要將靜音控制端接邏輯高電平，電路即為靜音狀態。

在開機過程中，OCL功率放大器不可避免地會出現“噗、噗”聲，為了消除“噗、噗”聲，TPA152設置了開機“噗、噗”聲消除電路。外接的 RC 有利於抑制“噗、噗”聲。

圖10-20所示為TPA152典型應用電路。

圖10-20中的全部器件均採用貼片器件，電阻、電容可以選用0805封裝。由於各電阻上的功率損耗很低，電阻可以採用0603甚至0402封裝，儘可能減小電路的體積。

電路中加入 R O 、 C C 可以降低開機時的“噗、噗”聲。

(2)1～2W集成功率放大器

考慮功率放大器需要降低電源電壓應用，應選用可以在3.3～5.5V的電壓範圍內工作，最好是電源電壓降低到2.7V時仍可以正常工作的集成功率放大器，可以選用美國德州儀器公司生產的TPA4861單通道1W音頻功率放大器芯片。

表10-2所示為TPA4861的引腳功能。電源為5V時，在BTL電路模式、8Ω負載電阻條件下可以輸出不低於1W的功率;可以工作在3.3～5V的電源電壓下，最低工作電壓為2.7V;沒有輸出隔直電容器的要求;可以實現關機控制，關機狀態下的電流僅為0.6mA;表面貼裝器件;具有熱保護和輸出短路保護功能;高電源紋波抑制比，在1kHz下為56dB。

表10-2　TPA4861的引腳功能

TPA4861內部簡要原理框圖如圖10-21所示。

TPA4861內部由兩個功率放大器、中點電壓分壓電阻和偏置電路組成，其中輸出2是輸出1經過1: 1的反相後，由功率放大器2輸出的，自然構成BTL電路結構，不需要外接電路。

(3)9W集成功率放大器TDA2030

TDA2030具有輸出功率大、諧波失真小、內部設有過熱保護、外圍電路簡單的特點，可以連接成OTL電路，也可以連接成OCL電路。

TDA2030的供電電壓範圍為6～18V，靜態電流小於60μA，頻響為10Hz～140kHz，諧波失真小於0.5%，在 U CC =±14V、 R L =4Ω時，輸出功率為14W，在8Ω負載上的輸出功率為9W。

由TDA2030構成的OCL功率放大電路如圖10-22所示。

電路中的二極管VD 1 、VD 2 起保護作用：一是限制輸入信號過大;二是防止電源極性接反。 R 4 、 C 2 組成輸出移相校正網絡，使負載接近純電阻。電容 C 1 是輸入耦合電容，其大小決定功率放大器的下限頻率。電容 C 3 、 C 6 是低頻旁路電容， C 4 、 C 5 是高頻旁路電容。電位器 R P 是音量調節電位器。該電路的交流電壓放大倍數為

(4)20W單聲道集成功率放大器LM1875

LM1875是NS公司生產的20W單聲道高保真功率放大集成電路，可為4Ω負載提供20W的最大功率。

LM1875為5腳TO-220封裝形式。其中，1腳為同相輸入端，2腳為反相輸入端，4腳為功率輸出端，5腳、3腳分別為正、負電源供電端。LM1875內部含有過熱、過流自動保護裝置，工作安全可靠。

LM1875既可以採用雙電源供電，也可以使用單電源供電，LM1875單電源、雙電源供電時的應用電路如圖10-23所示。

在單電源供電的情況下，要想獲得與雙電源相同的輸出功率，其供電電壓必須為雙電源電壓的2倍。需要注意的是：採用單電源時，在其金屬散熱片和外接散熱器之間不需要使用絕緣墊片，但在使用雙電源供電時，則必須加絕緣墊片。

(5)20W雙聲道集成功率放大器LM1876

LM1876是NS公司生產的雙聲道20W集成功率放大器，LM1876的典型應用電路如圖10-24所示。

圖中，IC1及其外圍元件組成緩衝放大級，電路增益為 A uf =

≈5dB。電路中，設置了22kΩ電阻 R 25 、 R 26 ，這樣不但可以將輸入阻抗限制在22kΩ，避免前置電路工作在高阻抗狀態，還可以對50Hz感應信號進行有效的抑制，提高整機信噪比。

LM1876在4～30Ω的範圍內均可穩定地工作，供電電壓為±10～±25V，當供電電壓降低時，只是輸出功率的大小受到影響，其他指標影響不大。

LM1876的6、11腳為左/右聲道靜噪控制端。接高電平時(高於1.6V)，LM1876內部電路執行靜音操作，切斷輸出端的音頻信號。因此可以在6、11腳與正電壓之間接一個 RC 延時網絡，使其在開機瞬間為高電平，輸出電路無音頻信號輸出。延時一段時間後，再正常輸出，以避免開機瞬間輸出端電位失諧對揚聲器的衝擊。

三極管VT 1 、 R 24 、 C 16 、 R 20 、 C 15 構成開機延時網絡，調整它們的取值範圍，可以改變時間的長短，以獲得滿意的開機延時時間。

需要注意的是， R 11 、 R 16 的取值範圍應在15～51kΩ之間。 R 11 、 R 16 的取值過高會使輸出端的中點電位偏高;也不可過低，否則輸入阻抗太低，增大前級電路的功耗，使輸出增益下降。

R 12 、 R 14 與LM1876的3、7腳相連構成負反饋網絡。該電路的放大倍數也由 R 12 、 R 14 決定，即放大倍數為( R 12 + R 14 )/ R 14 =(15kΩ+1.2kΩ)/1.2kΩ=13.5。只要改變 R 12 、 R 14 的阻值，就可以調整電路的放大倍數。但需注意的是，放大倍數應在10倍以上，否則LM1876工作會不穩定。

R 15 與 C 7 構成揚聲器補償網絡，可吸收揚聲器的反電動勢，防止電路振盪。C8和C9為電源旁路電容，主要起降低電源高頻內阻的作用，防止電路高頻自激，使LM1876工作更穩定。

(6)40W雙聲道集成功率放大器LM4766

LM4766是NS公司生產的40W雙聲道高保真功率放大集成電路。LM4766的典型應用電路如圖10-25所示。

LM4766的⑥腳、11腳為靜噪控制端，當其接低電平時，LM4766內部電路執行靜音操作，切斷輸出端的音頻信號。因此可在⑥腳、11腳與負電壓之間接一個 RC 延時網絡， RC 延時網絡由 R 21 、 C 13 構成，使其在開機瞬間為低電平，輸出電路無音頻信號輸出。延時一段時間後，再正常輸出，以避免開機瞬間輸出端電位失諧對揚聲器的衝擊。

IC1及其外圍元件組成緩衝放大級，其電路增益為 A uf =

≈10dB。電路中特設置了22kΩ電阻 R 25 、 R 26 ，這樣不但可以將輸入阻抗限制在22kΩ，避免前置電路工作在高阻抗狀態，還可以對50Hz感應信號進行有效的抑制，提高整機信噪比。

LM4766工作在交流放大狀態，音頻信號通過負反饋網絡時要經過電容 C 5 、 C 11 ，同時負反饋網絡變為阻容網絡。由於電容的容抗，放大器最低工作低頻下限將受到限制，若 C 5 、 C 11 的頻率特性不佳，將會嚴重影響到放大器的頻率響應。

雖然在 C 5 、 C 11 的兩端並聯了一個0.1μF電容來改善它們的高頻性能，但為了降低功放電路的低頻下限，必然要加大 C 5 、 C 11 的容量。但電容選得越大，其高頻性能越不好，導致電路的高頻性能變差，且此電容過大也將使放大電路在開機瞬間對電容充電時間過長，反映在輸出端將產生一個可怕的直流電位，極易損壞揚聲器，同時也容易導致放大器產生振盪，嚴重影響穩定性。

為了克服以上缺點，有些音響生產廠商在設計電路時，在負反饋網絡中加入了一個電阻 R 13 ( R 18 )，使電路的反饋方式變成Duoβ反饋電路。這樣就可以在負反饋電容 C 5 、 C 11 容量大小不變的前提下，使功放機的低頻下限降低一個數量級。

通用集成功率放大器

20世紀80年代，車載音響和盒式錄音機的普及使電池供電的音頻功率放大器得到了飛速發展，從簡化電路和減輕設計工程師的設計壓力的角度考慮，集成音頻功率放大器成為了不錯的選擇。

最簡單的集成功率放大器是TDA2002，後來發展出來的僅有5個引腳，這種集成功率放大器外電路極其簡單，只要電路板圖設計正確，幾乎不用調節。不僅如此，集成音頻功率放大器的適應電源電壓範圍也很寬，這是分立元件的功率放大器所不能比的。

最原始的2002集成功率放大器之一是日本的NEC的μPC2002，但是時至今日，仍找不到μPC2002內部電路，這是日本半導體器件製造商技術數據的一大特點。相比之下，歐美的半導體器件在公開的信息渠道可以找到非常詳細的數據和內部原理圖。

與集成穩壓器類似，各公司生產的2002、2003系列集成功率放大器在推薦的典型應用電路和大多數正常應用狀態下是可以直接互換的。TDA2002是典型基極輸入的差分放大器的輸入級，構成了現代集成功率放大器內部電路結構的基本框架。美國仙童半導體公司的TDA2002的內部電路如圖10-26所示。

TDA2002的內部電路相對複雜，相比之下，ST的TDA2003則簡單得多。ST的TDA2003的典型應用電路如圖10-27所示。

TDA2003的封裝外形與引腳功能如圖10-28所示。TDA2003採用TO-220-5引腳封裝形式，為了解決引腳之間間距小的問題，TDA2003將1、3、5引腳彎曲，使其不與2、4引腳在同一直線，加大了鄰近引腳的間距。這種TO-220-5引腳封裝形式和各引腳功能成為了後來很多中等功率輸出的集成功率放大器的“標準”封裝形式，使得很多不同公司、不同型號的集成功率放大器實現封裝、對應的引腳功能相同(pin-to-pin)，可以直接互換。

1—同相輸入端;2—反相輸入端;3—GND;4—輸出端;5—+V CC

從圖10-27可以看出，TDA2003的輸入級電路不是差分放大器，而是同相輸入端與反相輸入端共用同一晶體管VT 4 ，同相輸入端接晶體管基極，反相輸入端接晶體管發射極。即同相輸入的輸入級為共發射極放大器，反相輸入端的輸入級為共基極放大器。兩個放大器的增益相同，相位相反，形成共發射極-共基極差分放大器電路。由於兩個放大器的輸入方式不同，需要低阻抗輸入。因此，在TDA2003應用電路中的反相端的接地電阻的阻值僅為2.2Ω( R 2 )，其反饋隔直電容的容量需要470μF( C 2 )，高於共發射極差分放大器輸入級的22μF，如圖10-29所示。