D类音频功放实际应用

只看该作者 · 2013-5-20 20:49

tpa2011d1.pdf (650.92 KB)

最近再调一个音频功放问题，功放芯片是tpa2011d1，客户那边说我们的功放输出功率太大。
我用想用示波器看喇叭两端的输出电压最大值，然后算出功率。
但是运动一个不解的问题了，我先输入正玄波，可是再后端看不到正玄波输出，看芯片资料，后端要加低通滤波器才行，可是实际应用电路都是直接接喇叭的，我们公司的电路如附件3.

小弟想请教下各位大师，为什么D类音频功放实际应用可以直接接喇叭，而测试的时候要加个低通滤波器呢？

3万 · 2013-5-20 21:45

这个问题，确实要从D类功放的工作说起。
D类放大器，或者称丁类放大器，其思想至少在上世纪50年代就有了，那时晶体管尚未广泛使用。D类放大器是功率管开关工作的放大器(正因为功率管开关工作，所以D类放大器效率较高)，其输出是矩形脉冲，靠脉冲宽度(占空比)的变化来改变输出电压，也就是开关电源中常说的PWM(脉冲宽度调制)。矩形脉冲的频率远高于音频(是超声频率)，一个音频周期内包括有很多个矩形脉冲，经低通滤波后，输出的是矩形脉冲的平均值。改变矩形脉冲的占空比，也就改变了矩形脉冲的平均值(多数开关电源就是靠改变占空比来改变输出电压的)。该平均值加到扬声器上，扬声器放出的是音频频率，也就是平均值的频率，不是矩形脉冲的频率。
没有低通滤波，扬声器仍然按照平均值的频率振动，因为扬声器“跟不上”矩形脉冲的频率振动(即使能跟上，我们的耳朵也跟不上)，因此，扬声器本身就是一个低通滤波器，不用低通滤波，耳朵也感觉不出来。
但用示波器看波形则不同，示波器的频率响应远远大于扬声器(带宽至少数MHz)，所以示波器可以看到矩形脉冲波形。但因矩形脉冲占空比受音频调制，所以示波器看到的波形是不稳定的(用单次触发可以看到稳定的矩形波形)。加低通滤波后，矩形脉冲频率的成份被滤除，示波器上只能看到音频波形。有意思的是：如果你的示波器带宽能够设定到音频上限以下，例如设定到10kHz或5kHz，则不用低通滤波，从示波器上也可以看到稳定的音频波形而不是矩形波。

只看该作者 · 2013-5-20 22:02

maychang 发表于 2013-5-20 21:45
这个问题，确实要从D类功放的工作说起。
D类放大器，或者称丁类放大器，其思想至少在上世纪50年代就有了， ...

刚下班回来，谢谢maychang老师的讲解。
讲的很透彻，明白了!
明天再好好理理！

只看该作者 · 2013-5-20 22:09

maychang 发表于 2013-5-20 21:45
这个问题，确实要从D类功放的工作说起。
D类放大器，或者称丁类放大器，其思想至少在上世纪50年代就有了， ...

还有个问题请问老师：
我的电路时4.2V电源供电，但是输出Vmax有6V，VTop—base12V, 如果我计算功率的话，是不是Vmax*Vmax/2R?

3万 · 2013-5-20 22:22

overfire 发表于 2013-5-20 22:09
还有个问题请问老师：
我的电路时4.2V电源供电，但是输出Vmax有6V，VTop—base12V, 如果我计算功率的话 ...

“我的电路时4.2V电源供电，但是输出Vmax有6V”
这个不大可能。该芯片类似BTL电路，输出峰值不可能超过电源电压。

只看该作者 · 2013-5-20 23:51

maychang 发表于 2013-5-20 22:22
“我的电路时4.2V电源供电，但是输出Vmax有6V”
这个不大可能。该芯片类似BTL电路，输出峰值不可能超过电 ...

我明天把示波器图形发上来您瞧瞧

3万 · 2013-5-21 00:04

overfire 发表于 2013-5-20 23:51
我明天把示波器图形发上来您瞧瞧

从TPA2011D结构图中看，A3与C3两脚之间电压最大只能是电源电压。

只看该作者 · 2013-5-21 08:49

maychang 发表于 2013-5-21 00:04
从TPA2011D结构图中看，A3与C3两脚之间电压最大只能是电源电压。

老师那么晚还没睡啊，这个电路最大只能是电源电压输出？说说具体工作原理啊?
BTL电路不是可以得到两倍电源电压输出吗?

只看该作者 · 2013-5-21 10:23

maychang 发表于 2013-5-21 00:04
从TPA2011D结构图中看，A3与C3两脚之间电压最大只能是电源电压。

刚去测了波形，COPY了下来，不知道各个波形的意思，老师有空讲解下啊！

只看该作者 · 2013-5-21 10:24

从上面图测试结果，看Vtop-base 就有8.12V

3万 · 2013-5-21 10:39

输入信号是方波？为何用方波进行测试？

只看该作者 · 2013-5-21 11:17

输入信号不是方波，输入放的是音乐。因为输出没加低通滤波器，所以输出的应该是方波，您上面说了这个原理

只看该作者 · 2013-5-21 11:32

,看来maychang老师需要继续科普了

3万 · 2013-5-21 12:30

以此波形为例，理想的矩形波如蓝色线所示。
这样的波形，只有在纯电阻负载，没有任何分布电感和分布电容情况下才能够出现。
实际电路中，总存在分布电感和分布电容，例如接到扬声器的两根线之间就有分布电容，两根线本身有电感，扬声器自身也有电感，扬声器音圈各匝线之间有分布电容，等等。
这些分布电感和分布电容，在矩形波上升下降沿激励下，会产生阻尼振荡，如橙色波形所示。注意那些阻尼振荡都是在蓝色波形上升下降沿处产生。
示波器的峰值，如红色所示，是这些阻尼振荡的峰值。计算功率放大器的输出，是用扬声器上的音频电压，也就是蓝色波形的平均值。橙色阻尼振荡的峰值对计算扬声器功率没有意义(实际上，这些阻尼振荡的功率也很小)。

只看该作者 · 2013-5-21 12:38

老师讲的真透彻，谢谢老师耐心的讲解

只看该作者 · 2013-5-21 12:42

这一课学到很多啊，太感动了:'(

3万 · 2013-5-21 12:53

再补充两句。
10楼波形，均为未加低通滤波的波形。加上低通滤波后，示波器应该看到音频信号波形，音频信号波形的峰值和谷值，才是计算音频功率的依据。另外，测量音频输出功率时，应该用无失真的正弦信号输入，而输出信号的失真度也要确定，否则测量条件不同，测量结果可能相差很多。该放大器的datasheet中，都是说明输出失真为10%和1%两种情况下的输出功率。