平板顯示設(shè)備因?yàn)樯硇卫w薄，很難為音頻功率放大器配置獨(dú)立的散熱器。早期的平板顯示設(shè)備采用線性功放，功率輸出能力有些偏小（如TDA1517及TPA1517等），甚至輸出功率只有1W的TEA2025B、TDA2822也在應(yīng)用。效率比較高的D類放大器因此逐漸受到青睞，如TI（Texas Instruments，德州儀器）的TPA3004D2（2×12W，8Ω）在早期的平板顯示設(shè)備上曾有不少應(yīng)用（像TCL的液晶電視機(jī)TCL-LCD47K3、TCL－26B66等）。隨著以高清數(shù)字電視、平板顯示器為代表的平板顯示設(shè)備逐漸走紅，輸出功率在10??30W的D類功放集成電路成為各半導(dǎo)體制造商關(guān)注的熱點(diǎn)之一，NXP（NXP Semiconductors，恩智浦半導(dǎo)體）自然也不例外。由于平板顯示設(shè)備的主要受限因素是厚度，所以此類集成電路并不苛求無(wú)輸出LPF（Low-Pass Filter 低通濾波器），以不采用獨(dú)立散熱器為前提，追求的是輸出功率和音頻性能的平衡，當(dāng)然，此類集成電路也能應(yīng)用在微型組合音響、無(wú)線音箱以及小型多媒體音響等纖巧型的音響系統(tǒng)中。不過(guò)，目前D類功放集成電路的成本和電路復(fù)雜程度都比線性功放集成電路要高一些，還主要出現(xiàn)在一些中、高端產(chǎn)品上。
NXP是從Philips（飛利浦）公司獨(dú)立出來(lái)的半導(dǎo)體部門(mén)，目前就音頻、視頻集成電路而言，可以認(rèn)為NXP即Philips。本文介紹的2組4款D類功放集成電路是NXP目前面向平板顯示市場(chǎng)推出的比較有代表性產(chǎn)品。
概況與規(guī)格
1.前世今生之升級(jí)版
——TFA9810與TFA9815
TFA9810與TFA9815是引腳對(duì)引腳兼容的，即封裝形式、引腳數(shù)量、引腳功能都是完全一樣的，此外，兩者的典型工作電壓也一樣。TFA9810上市較早，TFA9815可以視作它的升級(jí)版，兩者的主要區(qū)別是TFA9815的功率輸出能力有所提高。除非有特別說(shuō)明，以下以TFA9815為例的說(shuō)明內(nèi)容均適用于TFA9810。
TFA9815的引腳定義參見(jiàn)圖1，表1則列出了本文要介紹的、包括TFA9815在內(nèi)的四款D類功放IC的主要技術(shù)規(guī)格，這四款I(lǐng)C有著相似的封裝和技術(shù)性能，只是市場(chǎng)定位的側(cè)重點(diǎn)不同。
產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)可以用獨(dú)立的振蕩器（他激），一般不再特別說(shuō)明，也可以利用比較器自身的振蕩（自激）。我們所熟悉的超外差式收音機(jī)的高頻電路，如果用一個(gè)晶體三極管同時(shí)擔(dān)當(dāng)本地振蕩器和混頻電路的核心器件，這樣的單元電路稱為變頻器，一般用于普及型的產(chǎn)品中。如果混頻電路和本地振蕩器的核心器件是不同的晶體三極管，混頻電路則被稱為混頻器，一般用于中、高檔的收音機(jī)中。不過(guò)在D類放大器中，自激和他激并不代表產(chǎn)品的檔次，而是各有各的特點(diǎn)。
自激方式的調(diào)制頻率基本上是固定的，對(duì)輸入端的比較器而言，沒(méi)有信號(hào)時(shí)就是一個(gè)方波振蕩器，輸出端輸出的是方波。輸入端接有電容積分電路，將反饋回來(lái)的方波變成三角波，然后再和輸入信號(hào)比較，形成固定頻率的PWM調(diào)制，因此，自激方式是閉環(huán)結(jié)構(gòu)。自激振蕩可以用遲滯比較器或者移相方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，遲滯比較器就是將輸入級(jí)的比較器看成一個(gè)遲滯振蕩器，單從振蕩器的角度理解，可以將它視為基于施密特觸發(fā)器的振蕩器，比如用NE555構(gòu)成的振蕩器，也可以將它視為一個(gè)加有正反饋的單限比較器。也就是說(shuō)，這種自激方式是閉環(huán)的正反饋放大器，與我們常見(jiàn)的音頻放大器加有負(fù)反饋的情況剛好相反。因?yàn)槭钦答仯曳答亸?qiáng)度遠(yuǎn)比電路中的寄生耦合強(qiáng)得多，所以這種方式可以消除由于電路寄生耦合而產(chǎn)生的自激振蕩。移相方式就是將輸出端反饋回來(lái)的信號(hào)移相180°，剛好滿足一個(gè)比較器啟振并穩(wěn)定振蕩的條件，這種方式在ICEpower（一種振幅取樣PWM調(diào)制的D類技術(shù)）中有應(yīng)用，因篇幅所限，這里從略。
NXP以及之前的Philips的D類均廣泛采用基于遲滯比較器的他激方式，IR(International Rectifier，國(guó)際整流器)的D類放大器參考設(shè)計(jì)也是這種方式。從集成電路的內(nèi)部等效電路很難看到這種電路的具體形式，Philips早期的D類輸出級(jí)TDA8925的應(yīng)用電路，其前級(jí)電路采用是由運(yùn)放組成的自激調(diào)制電路，可以參考，更容易理解的是圖2下圖所示的原理框圖。
TFA9815集成了相對(duì)完善的保護(hù)電路，這也是Philips，即NXP的音頻IC的一個(gè)特點(diǎn)，下文介紹的TDA8932、TDA8933所集成的保護(hù)功能還要多一些。TFA9815集成的保護(hù)功能具體如下：
◆ OTP，Over Temperature Protection，過(guò)熱保護(hù)，IC芯片的結(jié)溫超過(guò)150℃進(jìn)入“打嗝”保護(hù)方式，打嗝間隔5ms；
◆ OCP，Over Current Protection，過(guò)流保護(hù)：限制輸出級(jí)的最大輸出電流，“打嗝”保護(hù)方式，打嗝間隔為5μs；
◆ OVP，Overvoltage Protection，過(guò)壓保護(hù)：供電電壓超過(guò)極限值時(shí)，放大器將關(guān)斷直至電壓降至正常范圍；
◆UVP，Under Voltage Protection，欠壓（自鎖）保護(hù)：低于最小工作電壓將關(guān)斷直至電壓升至正常范圍；
◆ ODP，Over Dissipation Protection，耗散功率超限保護(hù)：與OCP配合使用，結(jié)溫超過(guò)135℃而同時(shí)又是OCP狀態(tài)，放大器關(guān)斷直至狀態(tài)正常；
◆ WP，Window Protection，窗口保護(hù)：如果放大器啟動(dòng)上電期間，輸出端對(duì)地或者電源短路，放大器將終止啟動(dòng)直至負(fù)載連接正確。之所以稱為Window Protection是源于啟動(dòng)期間的檢測(cè)方法，是時(shí)間窗口檢測(cè)的意思，即在特定一段時(shí)間（時(shí)間窗）內(nèi)，地、電源對(duì)某參考點(diǎn)的阻抗是否符合設(shè)定要求。
有這么多的保護(hù)，是否就是萬(wàn)無(wú)一失了呢？當(dāng)然不是，只是多一層保護(hù)而已，可靠性不是單靠某一個(gè)器件所能解決的，要靠整個(gè)電路系統(tǒng)乃至整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。以O(shè)VP為例，如果供電電壓超過(guò)設(shè)定的極限值后還繼續(xù)升高，最后的結(jié)果必然是造成IC的擊穿損壞。
TF9815的典型應(yīng)用采用12V電源軌，即12V電源系統(tǒng)。除了平板電視機(jī)，用于PC多媒體功放也很不錯(cuò)，可以直接使用PC的12V電源而省去獨(dú)立的AC-DC電源。
2.孿生兄弟之穩(wěn)定版——TDA8932與TDA8933
TDA8932與TDA8933最早上市于2006年末或者2007年初。TDA8932上市的時(shí)間應(yīng)該稍微早一些，最初采用HTSSOP32封裝，具體型號(hào)是TDA8932B，輸出功率略大。TDA8933最初則采用SO32封裝，具體型號(hào)是TDA8933T，輸出功率略小。TDA8932與TDA8933只是引腳功能兼容，因?yàn)榈撞繋в猩岷副P(pán)的HTSSOP封裝比SO要纖巧一些，引腳間距也更小，除此之外，兩者的技術(shù)指標(biāo)幾乎是完全相同的，因此稱之為“孿生兄弟”。經(jīng)過(guò)升級(jí)改良，TDA8932的最新版本改用HTSSOP32和SO32兩種封裝形式，具體型號(hào)分別是TDA8932BT（SO32）和TDA8932BTW，而TDA8933則改為HTSSOP32一種封裝形式，具體型號(hào)是TDA8933BTW，與TDA8932BTW腳對(duì)腳兼容，而與TDA8932BT引腳功能兼容。所以，以下除非有特別說(shuō)明，對(duì)TDA8932的說(shuō)明同樣適用于TDA8933。對(duì)比表1和圖1，不難發(fā)現(xiàn)，TDA8932與TFA9815有很多相似之處，只是部分功能的引腳和排列有所不同。
TDA8932采用他激“Σ”方式，內(nèi)部三角波振蕩器的頻率可以在300??500kHz之間通過(guò)10腳的電阻進(jìn)行設(shè)定，因此仍是固定頻率的PWM調(diào)制。輸出級(jí)是DMOS（Double diffusion Metal Oxide Semiconductor，雙擴(kuò)散金屬-氧化物半導(dǎo)體）半橋結(jié)構(gòu)，可以配置成SE（Single-Ended）半橋雙通道（Stereo half-bridge）或者BTL全橋單通道放大器，支持單電源或者對(duì)稱雙電源供電。
DMOS是ST（STMicroelectronics，意法半導(dǎo)體）主導(dǎo)的一種功率場(chǎng)效應(yīng)管制造工藝技術(shù)，這種工藝與傳統(tǒng)的CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體）的結(jié)構(gòu)類似，只是針對(duì)大電流、高電壓需要進(jìn)行了改進(jìn)，主要是加厚了柵極氧化層的厚度，漏—源極采用了更為狹長(zhǎng)的溝道結(jié)構(gòu)，有LDMOS（（Lateral DMOS，橫向DMOS）和VDMOS（Vertical DMOS，垂直DMOS）兩種類型，前者有更低的飽和導(dǎo)通電阻和更高的開(kāi)關(guān)速度，后者則可以耐更高的電壓。我們所熟知的、與LM3886齊名的TDA7294和TDA7293的輸出級(jí)就采用了DMOS構(gòu)成的輸出級(jí)。
同一個(gè)系統(tǒng)中如果有不止一片TDA8932，這些集成電路就可以通過(guò)OSCIO（31腳）設(shè)置成主從模式，只使用“主”模式集成電路的內(nèi)部振蕩器，其他“從”模式的集成電路的OSCREF引腳（10腳）懸空，振蕩器停用，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的頻率同步，降低干擾信號(hào)的“總量”和功耗。其實(shí)多片集成電路以不同頻率工作也有好處，那就是雖然干擾信號(hào)的“總量”可能增加，但是干擾信號(hào)的分布頻帶和總體幅度卻可能更低。就是雖然干擾不少，但是強(qiáng)度都不大，簡(jiǎn)單地說(shuō)，同一把沙子（干擾）撒到碗里和很大的水池里所造成的影響并不是相同的，這種技術(shù)就是D類放大器中同樣廣泛采用的“擴(kuò)譜調(diào)制”技術(shù)。
除了具備與TFA9815同樣的保護(hù)功能，TDA 8932還增加了如下保護(hù)功能：
◆ TF，Thermal Foldback：熱反饋保護(hù)技術(shù)，可以理解為主動(dòng)方式的過(guò)熱保護(hù)。當(dāng)結(jié)溫超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)，電路的增益會(huì)逐漸降低，如果溫度仍然繼續(xù)上升，達(dá)到設(shè)定值時(shí)，OTP保護(hù)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)。
◆ UBP，UnBalance Protection：不平衡保護(hù)，當(dāng)集成電路采用正、負(fù)雙電源供電時(shí)，如果兩者的絕對(duì)值不相等并且超過(guò)設(shè)定值，電路會(huì)進(jìn)入關(guān)斷保護(hù)狀態(tài)。
◆ ESD，ElectroStatic Discharge：靜電泄放保護(hù)，在一些分立元件或者集成電路構(gòu)成的D類放大器電路中，輸入端對(duì)地會(huì)接有一正一反兩個(gè)二極管，輸入端和電源、電源對(duì)地、正負(fù)電源之間也會(huì)反向連接有肖特基二極管，其目的之一就是為了實(shí)現(xiàn)靜電泄放保護(hù)。除此之外，輸入端的二極管可以起到限幅、防止電路過(guò)載的作用，電源上的反向二極管則可以對(duì)電源極性接反起到保護(hù)作用。
TDA8932典型工作電壓是22V，可以適用24V電源軌，加之有UBP和ESD保護(hù)，因此除了平板電視機(jī)，對(duì)于平板顯示器和車(chē)載多媒體音響系統(tǒng)也很適用，因?yàn)閁BP可以起到對(duì)車(chē)載電路中特有的“搭鐵”情況的保護(hù)，即電源和汽車(chē)底盤(pán)短路造成電源電壓異常下跌時(shí)的保護(hù)。
NXP公司簡(jiǎn)介
NXP公司的前身是荷蘭Philips Semiconductors（飛利浦半導(dǎo)體），NXP公司是從該集團(tuán)獨(dú)立出來(lái)的半導(dǎo)體公司，全稱是NXP Semiconductors（NXP半導(dǎo)體），官方中文名稱是恩智浦。
NXP是歐洲第二大半導(dǎo)體公司，在全球排名第8位， NXP公司的產(chǎn)品涵蓋汽車(chē)電子、智能識(shí)別、家庭娛樂(lè)、手機(jī)及個(gè)人移動(dòng)通信等五個(gè)領(lǐng)域，占營(yíng)業(yè)收入70%的直接客戶包括Apple、Bosch（博世）、Dell、Ericsson（愛(ài)立信）、Flextronics（偉創(chuàng)力）、FoxConn（富士康）、Nokia、Philips、Samsung、Siemens、Sony等。NXP公司目前在上海有一個(gè)電視研發(fā)中心，在北京有一個(gè)3G研發(fā)中心，在吉林有一個(gè)半導(dǎo)體工廠。
音響產(chǎn)品方面，NXP公司目前以車(chē)載功放集成電路為主，包括很多的G類產(chǎn)品。其次是平板電視機(jī)中的音響系統(tǒng)，以D類為主。NXP公司獲得專利UCD（Universal Class D，通用D類放大器），一種基于自激拓?fù)涞腄類放大器方案正獲得不少愛(ài)好者的關(guān)注。
TFA9815是模擬輸入的雙通道D類功放集成電路，內(nèi)部包含全差分輸入比較器、驅(qū)動(dòng)邏輯、BTL（Bridge-Tied Load，橋接負(fù)載）功率輸出級(jí)、保護(hù)與控制邏輯，適用于自激閉環(huán)D類放大也可以構(gòu)建開(kāi)環(huán)型D類功放，兩種方式通過(guò)6腳進(jìn)行轉(zhuǎn)換，6腳接地為閉環(huán)自激方式，懸空則是開(kāi)環(huán)他激方式。
基于比較器和PWM（Pulse-Width Modulation 脈寬調(diào)制）的D類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬于經(jīng)典的D類放大器，這種方式也稱為“Σ”。“Σ”在數(shù)學(xué)運(yùn)算符中是“加”或者“累加”的意思，D類放大器中，模擬輸入信號(hào)和三角波（或者鋸齒波，用得比較少）分別輸入一個(gè)比較器的正相和反相輸入端，將模擬信號(hào)和三角波進(jìn)行實(shí)時(shí)矢量相加，就可以獲得以脈沖寬度表示音頻信息的PWM方波信號(hào)，然后送到輸出級(jí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)放大，電路框圖如圖2所示。將低頻信號(hào)（音頻）疊加到高頻信號(hào)（PWM方波）上的過(guò)程，稱為調(diào)制，三角波稱為調(diào)制信號(hào)。
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