TPA0202 2-W立体声音频功率放大器

带PC电源的集成Depop电路高功率–5 V时2 W/ch，输入3Ω负载–3 V时800 mW/ch，完全指定用于3Ω负载，超低失真–2 W和3Ω负载桥接负载（BTL）或单端（SE）模式下0.05%THD+N，立体声输入多路复用器表面安装电源包24针TSSOP PowerPad Shutdown Co控制…IDD

描述
TPA0202是一个24针TSSOP热封装中的立体声音频功率放大器，能够将每个通道的连续均方根功率大于2 W传输到3Ω负载中。TPA0202简化了设计，并为其他功能腾出了板空间。5伏电源的全功率失真水平低于0.1%THD+N是典型的。TPA0202还为低压应用提供了很好的服务，它在3.3伏电源电压下为每个通道提供800毫瓦的3-欧姆负载。
TPA0202具有集成的Depop电路，几乎可以消除通电期间以及使用静音和关机模式时引起扬声器噪声的瞬态。
放大器增益通过每个输入通道的两个电阻器进行外部配置，对于BTL模式（SE模式下为1至10）中2至20的设置，不需要外部补偿。内部输入MUX允许两组立体声输入到放大器。在笔记本电脑应用中，内部扬声器作为BTL驱动，线路（通常是耳机驱动）输出需要为SE，当SE/BTL输入被激活时，TPA0202自动切换到SE模式。使用TPA0202将高达700 mW/通道的线路输出驱动到外部3-Ω负载是便携式多媒体系统中小型无电源外部扬声器的理想选择。TPA0202还具有功率敏感应用的关机功能，将电源电流保持在5μA。PowerPad软件包†（PWP）提供了以前仅在TO-220型软件包中可实现的热性能水平。在多层印刷电路板应用中，很容易实现约35°C/W的热阻。这使得TPA0202能够在高达85°C的环境温度和300 cfm的强制空气冷却下以全功率运行到3-Ω负载。在8Ω负载下，工作环境温度升高至100°C。

热信息
热增强PWP封装基于24针TSSOP，但包括一个热垫以在IC和PWB之间提供有效的热接触。
传统上，表面贴装和功率是相互排斥的术语。各种缩小到220型的封装有引线形成鸥翼，使其适用于表面安装应用。然而，这些软件包只有两个缺点：它们不能满足当今许多先进系统的极低要求（<2 mm），也不能提供足够高的终端数量来适应日益增强的集成。另一方面，传统的低功耗表面安装封装需要降低功耗，这严重限制了许多高性能模拟电路的可用范围。
PowerPAD封装（热增强TSSOP）结合了细间距表面安装技术和热性能，可与更大功率封装相媲美。
PowerPad软件包旨在优化到PWB的热传递。由于TSSOP封装的尺寸非常小且质量有限，因此通过改进从组件中去除热量的热传导路径来实现热增强。热垫采用专利的引线框架设计和制造技术形成，以提供与发热IC的直接连接。当该焊盘被焊接或热耦合到外部散热片上时，可以可靠地实现超薄、细间距、表面安装封装的高功耗。

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桥接连接荷载与单端模式
BTL配置中的线性音频功率放大器（APA）。TPA0202 BTL放大器由两个驱动负载两端的线性放大器组成。这种差分驱动配置有几个潜在的好处，但最初考虑的是负载功率。扬声器的差分驱动意味着，当一侧回转时，另一侧回转，反之亦然。与地面参考负载相比，这实际上使负载上的电压摆动加倍。将2×vo（pp）插入功率方程，其中电压为平方，得到4×来自相同供电轨和负载阻抗的输出功率（见方程1）。

桥系荷载配置
在一个典型的以5伏电压工作的计算机声音通道中，桥接将功率从250毫瓦的单端（SE，接地参考）限制提高到8欧姆扬声器。在声功率方面，这是6分贝的改进，即可以听到的响度。除了功率增加，还有频率响应问题。需要一个耦合电容器来阻止直流偏移电压到达负载。这些电容器可能非常大（约33微F至1000微F），因此它们往往昂贵、笨重，占据宝贵的PCB区域，并且具有限制系统低频性能的额外缺点。这种频率限制效应是由扬声器阻抗和耦合电容形成的高通滤波器网络引起的，用公式2计算。

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桥接连接荷载与单端模式（续）
例如，带有8欧姆扬声器的68-微F电容器将使低于293赫兹的低频衰减。BTL配置取消了直流偏移，从而消除了对阻塞电容器的需求。低频性能仅受输入网络和扬声器响应的限制。通过消除笨重的耦合电容器，成本和印刷电路板空间也被最小化。

单端配置和频率响应
增加负载功率会导致内部功耗增加。考虑到BTL配置产生4×SE配置的输出功率，增加的功耗是可以理解的。内部耗散与输出功率的关系将在“热考虑”一节中进一步讨论。
BTL放大器效率
众所周知，线性放大器效率低下。这些效率低下的主要原因是输出级晶体管的电压降。内部电压降有两个分量。一种是与输出功率成反比的净空或直流电压降。第二个分量是由于输出的正弦波性质。总电压降可以通过从VDD中减去输出电压的均方根值来计算。内部电压降乘以电源电流的均方根值iddrms，确定放大器的内部功耗。
一个简单易用的计算效率的公式开始时等于从电源到负载功率的比率。为了精确计算负载和放大器中功率的均方根值，必须首先了解电流和电压波形形状

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虽然SE和BTL的电压和电流在负载中是正弦的，但是SE和BTL配置之间来自电源的电流是非常不同的。在SE应用中，电流波形是半波整流波形，而在BTL中是全波整流波形。这意味着均方根转换系数不同。请记住，对于大多数波形，推拉晶体管都不是同时打开的，这支持了这样一个事实，即BTL设备中的每个放大器仅从电源中抽取一半波形的电流。以下方程式是计算放大器效率的基础。

采用方程式4计算四种不同输出功率水平的效率。请注意，对于较低的功率水平，放大器的效率相当低，并且随着负载功率的增加而急剧上升，导致在正常工作范围内的内部功耗几乎持平。注意，全输出功率下的内部功耗小于半功率范围内的功耗。计算特定系统的效率是正确设计电源的关键。对于带有8Ω负载和5伏电源的立体声1-W音响系统，电源上的最大功耗几乎为3.25 W。

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例如，在表1的计算中，如果用3.3-V电源（TPA0202的最大推荐VDD为5.5 V）替换5-V电源，则0.5 W时的效率将从44%上升到67%，5 V时的内部功耗将从0.62 W下降到0.25 W。然后，对于3.3-V电源的立体声0.5-W系统，最大功率将仅为B。E 1.5 W与5 V时的2.24 W相比。换句话说，利用效率分析来选择正确的电源电压和扬声器阻抗。
组件的选择

笔记本电脑应用电路的示意图。

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注：A.此连接用于停机模式下的超低电流。b.应尽可能靠近IC放置0.1μF陶瓷电容器。为了过滤低频噪声信号，应在音频功率放大器附近放置一个10微F或更大的铝电解电容器。
TPA0202全配置应用电路

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增益设置电阻Rf和Ri TPA0202的每个音频输入的增益由电阻Rf和Ri根据BTL模式的方程式5设置。
BTL增益2rf r i
BTL模式操作会导致增益方程中的因子2，因为反向放大器反映了负载上的电压摆动。考虑到TPA0202是一个MOS放大器，输入阻抗非常高，因此，尽管电路中的噪声随着射频值的增加而增加，但输入泄漏电流通常不受关注。此外，放大器正常启动操作需要一定范围的射频值。综上所述，建议将放大器反相节点看到的有效阻抗设置在5 kΩ和20 kΩ之间。有效阻抗按式6计算。
有效阻抗Rfri Rf Ri
例如，考虑10 kΩ的输入电阻和50 kΩ的反馈电阻。放大器的BTL增益为-10，反向端的有效阻抗为8.3 kΩ，这在推荐范围内。
对于高性能应用，建议使用金属膜电阻器，因为它们的噪声水平往往比碳电阻低。对于高于50 kΩ的射频值，由于射频形成的电极和MOS输入结构的固有输入电容，放大器往往会变得不稳定。因此，当射频大于50 kΩ时，应将大约5 pF的小型补偿电容器与射频并联。实际上，这会创建一个低通滤波器网络，其截止频率在公式中定义。
例如，如果rf为100 kΩ，而cf为5 pf，则fc为318 kHz，远远超出音频范围。

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输入电容器ci在典型应用中，输入电容器ci需要允许放大器将输入信号偏压到适当的直流电平以实现最佳操作。在这种情况下，ci和ri形成一个高通滤波器，角频率在等式8中确定。
CI的值是需要考虑的重要因素，因为它直接影响电路的低音（低频）性能。考虑一个例子，其中ri为10 kΩ，规范要求低音响应为40 Hz。式8重新配置为式9。
在本例中，Ci为0.40微F，因此可能选择0.47微F至1微F范围内的值。该电容器的进一步考虑是输入源通过输入网络（Ri，Ci）和反馈电阻（Rf）到负载的泄漏路径。这种漏电流会在放大器的输入端产生直流偏移电压，从而降低有用的净空，特别是在高增益应用中。因此，低泄漏钽或陶瓷电容器是最佳选择。当使用极化电容器时，在大多数应用中，电容器的正极应面对放大器输入，因为直流电平保持在vdd/2，这可能比源直流电平高。请注意，在应用中确认电容器极性很重要。
电源去耦，CS TPA0202是一种高性能的CMOS音频放大器，需要足够的电源去耦，以确保输出总谐波失真（THD）尽可能低。电源去耦还可以防止放大器和扬声器之间的长引线长度振荡。通过使用两个不同类型的电容器，针对电源导线上不同类型的噪声，实现最佳去耦。对于线路上的高频瞬变、尖峰或数字杂散，一个良好的低等效串联电阻（ESR）陶瓷电容器，通常放置在尽可能靠近设备的0.1微F处，VDD引线效果最佳。为了过滤低频噪声信号，建议在音频功率放大器附近放置一个10微F或更大的铝电解电容器。

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中轨旁路电容器是中轨旁路电容器中最关键的电容器，具有多种重要功能。在启动或从关机模式恢复期间，CB决定放大器的启动速率。第二个功能是减少由电源耦合到输出驱动信号产生的噪声。此噪声来自放大器内部的中频产生电路，表现为PSRR和THD+N退化。电容器由放大器内部的100-KΩ电源供电。为了使启动弹出窗口尽可能低，应保持方程式10所示的关系。
1奇瑞射频
例如，考虑一个电路，其中cb为1微F，ci为0.22微F，rf为50 kΩ，ri为10 kΩ。将这些值插入方程10中，我们得到10≤75，这符合规则。为了获得最佳的THD和噪声性能，建议使用0.1微F至1微F的旁路电容器、CB或钽低ESR电容器。
在图63中，全功能配置使用了两个旁路电容器。这样可以最大限度地分离左右驱动电路。当需要绝对最小成本和/或元件空间时，可以使用一个旁路电容器，如图62所示。在这种配置中，必须将端子6和19连接在一起。
负载注意事项
极低的阻抗负载（低于4Ω）加上某些外部元件选择、电路板布局和布线可能会导致系统振荡。使用一个与负载串联的单空心电感可以消除任何可能发生的杂散振荡。已证明约1μh的电感可消除此类振荡。当使用4Ω及以上的负载时，不需要特别考虑此放大器。
优化停车场运行
TPA0202中包含了电路，以尽量减少通电和退出停机模式时听到的爆裂声。当电压阶跃加到扬声器上时，就会出现爆裂声。如果反馈电阻和输入电阻使用高阻抗，则在静音和关机期间，输入电容器可能会从中间轨道向下漂移。当电压的小增量乘以增益时，高增益放大器加剧了这个问题。因此，使用低增益配置和限制增益设置电阻的大小是有利的。输入耦合电容器（Ci）和增益设置电阻（Ri和Rf）的时间常数需要短于旁路电容器（Cb）形成的时间常数和中间轨道发电机的输出阻抗（名义上为100 kΩ）（见方程式10）。
由于PNP晶体管夹持输入节点，中轨发电机的有效输出阻抗实际上大于100 kΩ

旁路端PNP晶体管钳位
PNP晶体管通过在通电时缓慢旋转内部节点来限制50 kΩ电阻器的电压降。启动时，Xbypass电容器为0。PNP将偏压电路的中点拉下，因此电容器的有效电压较低，因此充电速度较慢。这表现为线性斜坡（当PNP晶体管导电时），然后是R-C电路的预期指数斜坡。
如果无法满足方程式10中的表达式，或者应用程序仍不能接受少量的POP，则必须添加外部电路，以消除通电期间以及从静音或关机模式转换时听到的POP。
当POP正常发生时，通过将设备保持在SE模式，则无法通过BTL连接的扬声器听到POP（因为放大器处于SE模式时，负输出处于高阻抗状态）。