试析D类功放在IP PHONE中的应用

摘　要：本文基于D类功放的特点和基本结构，结合TPA2005的应用状况，以IP PHONE为例，分析了D类功放在IP PHONE中的应用。

关键词：D类功；IP PHONE；应用
一、引言
　　PA2005具有AB类功率放大器的性能和D类功率放大器的效率,且不需要传统D类功率放大器的输出滤波器,也不需要散热器,因而节省了电路板面积,降低了设计成本.TPA2005器件采用2.5~5.5V单电源电压供电,该器件可向8Ω负载输出高达1.4W的功率,且效率高达85%,失真度低.因而可以广泛应用在PDA,MP3等手持设备中，本文以IP PHONE为例，对D类功的应用问题进行了探讨。
二、D类功放的特点
    D类功放比较特殊，它只有两种状态，即通、断。因此，它不能直接放大模拟声频信号，而需要把模拟信号经PWM调制(脉宽调制)变换后再放大。部分厂商曾把此种具有“开关”方式的D类放大，称为“数字放大器”。事实上，这种放大器还不是真正意义的数字放大器，它仅仅使用PWM调制，即用采样器的脉宽来模拟信号幅度。这种放大器没行量化和PCM编码，信号是不可恢复的。
    D类功放是放大元件处于开关工作状态的一种放大模式。无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电。工作时，靠输入信号让晶体管进入饱和状态，晶体管相当于—个接通的开关，把电源与负载直接接通。理想晶体管因为没有饱和压降而不耗电，实际上晶体仍总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。这种耗电只与管子的特性有关，而与信号输出的大小无关，所以特别有利于超大功率的场合。在理想情况下，D类功放的效率为100％，实际上能达到90％左右。
三、D类功放的基本结构
（一）调制器
　　最简单的调制器只需用一只运放构成一个比较器电路即可完成。把原始声频频信号加上一定直流偏置后加到运放的正输入端，另外通过自激振荡生成一个三角形波加到运放的负输入端。当正端上的电位高于负端三角波电位时，比较器输出为高电平，反之则输出低电平。若声频输入情号为零、直流偏置置于三角波峰值的l／2，则比较器输出的南低电平持续的时间一样，输出就是一个占空比为1：1的方波。当有声频信号输入时，正半周期间，比较器输出高电平的时间比低电平长，方波的占空比大于1：1；负半周期间，由于还有直流偏置，所以比较器正输入端的电平还是大于零，但声频信号幅度高于三角波幅度的时间却大为减少，方波占空比小于1：1。这样，比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被声频信号幅度调制后的波形，称为PWM(脉宽调制)或PDM(脉冲持续时间调制)波形。声频信息被调制到脉冲波形中。
（二）D类功放
    这是一个脉冲控制的大电流开关放大器，把比较器输出的PWM信号变成高电压、大电流的大功率PWM信号。能够输出的最大功率由负载、电源电压和晶体管允许流过的电流来决定。
（三）低通滤波器
　　这部分需把大功率PWM波形中的声音信息还原出来。方法是用一个低通滤波器。但由于此时电流很大，RC结构的低通滤波器电阻会耗能，不能采用。必须使用LC低通滤波器。当占空比大于1：1的脉冲到来时，C的充电时间大于放电时间，输出电平上升；窄脉冲到来时，放电时间长，输出电平下降，正好与原声频信号的幅度变化相一致，所以原声频信号被恢复出来。
四、D类功放在IP PHONE中的应用
(一) TPA2005 POP噪声产生的原因与解决办法
　　R1,C1和R2,C2为所加入的RC滤波电路.经过PSPICE仿真得出滤波电路电容和电阻的值如图5所示.同样在功放的输出端,加入滤波电路,如图3所示.和功放前端滤波电路一样经过计算和PSPICE仿真得出R3,R4的值为4.7 kΩ;C3,C4的值为0.1μF.此外系统上电的瞬时pop噪音还与功放前端的数/模转换、模/数转换以及相关的模拟电路相关.本系统中采用PHILIP公司的UCB1400音频CO-DEC芯片,D/A转换开启时产生的瞬间噪音也是pop音的一个重要来源.为了降低这一噪音,必须在精确控制系统的上电和掉电时序.在系统复位上电或睡眠唤醒时,先开启UCB1400,等稳定一定的延时后再使能音频功放TPA2005.同样在系统睡眠时,首先关掉功放使能,然后再关掉UCB1400的使能脚.这样就大大降低了由音频D/A芯片引入的pop噪声.加入上面所述的滤波电路和进行系统时序管理后,经过实际测试,系统上电和掉电瞬间的pop声基本上没有了,达到可以接受的程度.
(二)输出阶段静态噪音解决办法
　　由于TPA2005在待机状态时内部没有将输出接地,所以对静态噪声的解决办法就是在系统处于待机状态时将功放输出端迅速接地.这样就避免了在待机状态时喇叭的静态噪声.在设备返回工作模式时,快速地将功放输出端切换到喇叭输出.为获得最佳的性能,输入和输出端都必须加适当的外围电路。
　　可用MOSFET组成逆变电路来解决.在功放使能高电平时,功放使能,开始工作.同时Q1管子导通,A点为低电平,Q2和Q3断开,这样音频信号输入到喇叭,正常发出声音.同样在系统处于待机状态时,功放使能为低电平,功放关闭.同时Q1管子关闭,A点为高电平,Q2和Q3迅速导通,这样音频信号输入端接地.这样就避免了在待机状态时的静态噪声同时也进一步降低了上掉电瞬间的pop噪音.
参考文献:
[1]　TPA2005 Datasheet[S]. USA:TI Corp.2005.
[2]　邹天汉.数字功放和音箱设计与制作[M].北京:人民邮电出版社. 2004,18-31. 本文链接：http://www.qk112.com/lwfw/jsjlw/jisuanjiyingyong/241645.html