摘要：本文主要論述了d類音訊功率放大器的發展歷史和現狀，同時也介紹了d類音訊功率放大器的工作原理和設計原則，並重點介紹了tpa2000d2的工作原理和功能以及基與tpa2000d2設計的d類音訊功率放大電路。經實際測試:
證明該放大器完全可滿足設計要求,高效率是d類音訊功率放大器所具有的最大優點。
關鍵字：d類音訊功率放大器；tpa2000d2；脈寬調變；效率；功耗
一、概述
衡量一套音響裝置的主要效能一是它的頻率特性指標，包括頻率響應、諧波失真度和互調失真度；二是它的時間特性指標，包括瞬態響應、瞬態互調失真和阻尼係數三是訊號雜訊比、最大輸出動態範圍、最大功率和效率. 尤其第三方面的效能指標主要由功率放大器實現，傳統的功率放大器主要有a類(甲類)、b類(乙類)和ab類(甲乙類)。類功率放大器在整個輸入訊號週期內都有電流連續流過功率放大器件，它的優點是輸出訊號的失真比較小，缺點是輸出訊號的動態範圍小、效率低，理想情況下其效率為50%，考慮到電晶體的飽和壓降及穿透電流造成的損耗，a類功率放大器的最高效率僅為45%左右。
b類功率放大器在整個輸入訊號週期內功率器件的導通時間為50%，它的優點是效率理想情況下可達78.5%，但缺點會產生交越失真，增加雜訊。ab類（甲乙）類功率放大器是以上兩種放大器的結合，使每個功率器件的導通時間在50%～100%。
此類放大器目前最為流行，它兼顧了效率和失真兩方面的效能指標，在設計該功率放大器時要設定功率電晶體的靜態偏置電路，使其工作在甲乙類狀態。隨著半導體及微電子製造技術的不斷發展，高速、大功率器件已越來越多，人們對音訊功率放大器的要求更加趨向高效、節能和小型化，所以d 類(丁類)音訊功率放大器越來越受到人們的重視。此類放大器的功率器件受一高頻脈寬調變(pwm)脈衝訊號的控制，使其工作在開關狀態, 理論上其效率可達100%。
其不足之處會產生高頻干擾及雜訊，但若精心設計低通濾波器及合理選擇元件引數，其音質效果完全能與ab 類線性功率放大器相比擬。
本次課程設計的設計任務是設計乙個d類音訊放大電路，其技術指標是：1、所選晶元供電電壓2.5~5.
5v；2、 負載8時，輸出功率0.5w以上；3、轉換效率大於80%。根據以上要求我決定選用tpa2000d2作為d類音訊放大電路的核心器件。
二、工作原理說明
d類功放是放大元件處於開關工作狀態的一種放大模式。無訊號輸入時放大器處於截止狀態，不耗電。工作時，靠輸入訊號讓電晶體進入飽和狀態，電晶體相當於乙個接通的開關，把電源與負載直接接通。
理想電晶體因為沒有飽和壓降而不耗電，實際上電晶體總會有很小的飽和壓降而消耗部分電能。這種耗電只與管子的特性歐冠，而與訊號輸出的大小無關，所以特別有利於超大功率的場合。在理想情況下，d類功放的效率為100%，b類功放的效率為78.
5%，a類功放的效率才50%或25%（按負載方式而定）。
圖1是d類功放的基本結構，可分為三部分：
圖1類功放基本結構
第一部分為調製器，最簡單的只需用乙隻運放構成比較器即可完成。把原始音訊訊號加上一定直流偏置後放在運放的正輸入端，另通過自激振盪生成乙個三角形波加到運放的負輸入端。當正端上的點位高於負端三角波電位時，比較器輸出為高電平，反之則輸出低電平。
若音訊輸入訊號為零、直流偏置置三角波峰值的1/2，則比較器輸出的高低電平持續的時間一樣，輸出就是乙個占空比為1:1的方波。當有音訊訊號輸入時，正半周期間，比較器輸出高電平的時間比低電平長，方波的占空比大於1:
1；負半周期間，由於還有直流偏置，所以比較器正輸入端的電平還是大於零，但音訊訊號幅度高於三角波幅度的時間卻大為減小，方波的占空比小於1:1。這樣，比較器輸出的波形就是乙個脈衝寬度為音訊訊號幅度調製後的波形，稱為pwm（pulse width modulation 脈寬調變）或pdm（pulse duration modulation 脈衝持續時間調製）波形。
音訊資訊被調製到脈衝波形中。
第二部分就是d類功放，這是乙個脈衝控制的大電流開關放大器，把比較器輸出的pwm訊號變成高電壓、大電流的大功率pwm訊號。能夠輸出地最大功率由負載、電源電壓和電晶體允許流過電流來決定。
第三部分需把大功率表pwm 波形中的聲音資訊還原出來。方法很簡單，只需要用乙個低通濾波器。但由於此時電流很大，rc結構的低通濾波器電阻會耗能，不能採用，必須使用lc低通濾波器。
當占空比大於1:1的脈衝到來時，c的充電時間大於放電時間，輸出電平上公升；窄脈衝到來時，放電時間長，輸出電平下降，正好與原音訊訊號的幅度變化相一致，所以原音訊訊號被恢復出來。
d類功放設計考慮的角度與ab類功放完全不同。此時功放管的線性一沒有太大意義，更重要的事開關相應和飽和壓降。由於功放管處理的脈衝頻率是音訊訊號的幾十倍，且要求保持良好的脈衝前後沿，所以管子的開關響應要好。
另外，整機的效率全在於管子飽和壓降引起的管耗。所以，飽和管壓降小不但效率高，功放管的散熱結構也能得到簡化。
調製電路也是d類功放的乙個特殊環節。要把20khz以下的音訊調製成pwm訊號，三角波的頻率至少要達到200khz。頻率過低達到同樣要求的thd標準，對無源lc低通濾波器的原件要求就高，結構負載。
頻率高，輸出波形的鋸齒小，更加接近原波形，thd就小，而且可以用地數值、小體積和精度要求相對差一些的電感和電容來製成濾波器，造價相應降低。但此時電晶體的開關損耗會隨頻率上公升而上公升，無源器件中的高頻損耗、射頻的趨膚效應都會使整機效率下降。更高的調製頻率還會出現射頻干擾，所以調製頻率也不能高於1mhz。
同時，三角波的形狀、頻率的準確惡性和時鐘訊號的抖晃都會影響到以後復原的訊號與原訊號不同而產生失真。所以要實現高保真，出現了很多與數字音響保真相同的考慮。
還有乙個與音質有很大關係的因素就是位於驅動輸出與負載之間的無源濾波器。改低通濾波器工作在大電流下，負載就是音箱。嚴格地講，設計時應把音箱阻抗的變化一起考慮進去，但作為乙個功放產品制定音箱是行不通的。
實驗證明，當失真要求在0.5%以下時，用二姐butterworth最平坦形影低通濾波器就能達到要求。如要求更高則需用四階濾波器，這時成本和匹配等問題都必須加以考慮。
近年來，一般應用的d類功放已有積體電路晶元，使用者只需按要求設計低通濾波器即可。例如tpa005d02有2w rms功率輸出/4ω負載，thd+n已達0.5%，是上一世紀70年代d類功放8%~10%的thd+n所望塵莫及的。
tda7582提供的功率已高達25w，足夠任何可攜式音響產品使用。
三、電路設計
3.1tpa2000d2晶元介紹
3.1.1tpa2000d2晶元內部結構
圖2 tpa2000d2晶元內部結構
tpa2000d2是一種無需濾波器的d類音訊功率放大器件。該電路克服了原有的d類音訊功放需要體積龐大的lc濾波器的缺陷，不但能夠提供d類功放的高效率，還可縮小元件的體積，降低約40%的總系統成本。與ab類線性音訊功放相比，tpa2000d2元件所消耗的功率更低，產生的熱量更少；與帶lc濾波器等的d類音訊功放相比，tpa2000d2元件刻大大減少外部元件數目，減小體積，且保真度更高。
tpa2000d2具有以下特點。
(1) 無需外部濾波器，使成本降低、體積縮小。
(2) d類工作效率高（可高達85%）。
(3) 功耗很低，產生的熱量極少。
(4) 增益可通過程式設計設定。
(5) 工作溫度範圍寬（-40℃~+85℃）。
3.1.2晶元管腳介紹
1腳、24腳（pgnd）為左聲道功率地。2腳（loutn）為左聲道差分音訊輸出）（負）。3腳（gain0）、15腳（gain1）分別是增益控制程式設計輸入bit0、bit1。
4腳、21腳（）為左聲道功率側電源供給端。5腳（linn）是左聲道差分音訊輸入（負）。6腳為模擬地。
7腳（cosc）是振盪電容連線端，應用中一般在此端到地之間連線乙隻220pf電容器。8腳（rinn）為右聲道差分音訊輸入（負）。9腳、16腳（）是右聲道功率側電源供給端。
10腳（shutdown）為工作狀態控制輸入端，若在此端加一邏輯低電平，功放處於正常工作狀態；若在此端加一邏輯高電平，則功放停止工作。11腳（routp）是右聲道音訊輸出（正）。17腳（rinp）為右聲道差分音訊輸入（正）。
18腳（rosc）是振盪電阻連線端，應用中一般在此端與地之間連乙隻120kω電阻器。19腳（）為電源供給端。20腳（linp）是左聲道差分音訊輸入（正）。
22腳（bypass）是為內部偏壓和電源基準。23腳（loutp）是左聲道差分音訊輸出（正）。
圖3 tpa2000d2管腳排列順序
tpa2000d2適於應用在usb驅動的多**揚聲器系統、可攜式*****機、個人數字助理（pdas）以及膝上型電腦等場合，亦可用於其他輸出功率為2w的音訊功放。圖1是tpa2000d2的外圍連線關係，其增益由gain0、gain1程式設計控制（關係見表1所列）。
表1 tpa2000d2增益程式設計控制
3.2 d類音訊放大電路的設計
tpa2000d2的典型電路如圖4所示：
圖4 tpa2000d2的典型電路
如附錄ⅰ所示電路採用了美國德州儀器公司生產的tpa2000d2第三代d類apa單片積體電路。tpa2000d2整合了消噪電路，實現了務「咔噠」聲啟動與關閉。同時還整合了短路保護和欠電壓關閉電路。
積體電路在關閉模式下，僅消耗1ua的電流。為使其正常操作，電源電壓不能低於4.5v。
apa電路採用tpa2000d2，不僅可以省略輸出濾波器，而且由於採用橋接負載（btl）連線方式，無需使用輸出耦合電容，可是系統成本降低30%，印製電路板（pcb）面積約節省75%。
如果在腳上有乙個ttl邏輯低電平輸入，放大器即進入低電流關閉模式，無聲音輸出。在正常操作期間，端應保持高電平。放大器增益由gain0和gain1兩個輸入端設定，積體電路內部的4個增益的設定範圍為8——23.
5db（見表1）。
tpa2000d2的rsoc腳外部接地電阻r3和csoc腳外部電容c6，用作設定pwm振盪器的頻率（範圍為200——300khz）。積體電路的bypass腳外部所接電容c9，用來決定放大器啟動速率並能減小系統雜訊。
tpa2000d2可以是apa省略輸出濾波器，因為tpa2000d2採用了有別於其他普通d類功放的調製電路方案。傳統d類功放調製電路的差動輸出中，個輸出間的相位差事180°，並從地到電源電壓範圍變化。因此，差動輸出電壓擺幅為2×即在正的和負的（如±5v）之間變動。
這種開關撥會產生較大的紋波電流，而且其峰值出現在負載上脈衝電壓的前沿和後沿，如圖5所示。較大的電流會在負載上產生較大的損耗，並嚴重影響apa效率。為此，需要乙個lc輸出濾波器去濾除紋波電流。
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