tda2030a故障現(xiàn)象(tda1300t故障)

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前沿拓展：

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集成功率放大器的基本性能

從應(yīng)用角度出發(fā)，集成功率放大器應(yīng)具有足夠的輸出功率，即足夠的輸出電壓、輸出電流;在正常工作狀態(tài)下，應(yīng)具有盡可能低的輸出電壓失真;盡可能低的輸出噪聲;足夠的頻帶寬度;足夠的輸入阻抗;具有輸出過載保護(hù)、過熱保護(hù)以及足夠的輸出功率。上述技術(shù)指標(biāo)，除了過熱保護(hù)外，其他性能均和運(yùn)算放大器的性能一致。

實(shí)際上，集成功率運(yùn)算放大器的性能要求與集成功率放大器基本一樣，但是集成功率放大器的價(jià)格遠(yuǎn)低于集成功率運(yùn)算放大器。

現(xiàn)在生產(chǎn)的集成功率放大器的主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同。集成功率放大器內(nèi)部電路主要包括：關(guān)系到集成穩(wěn)壓器安全的過熱保護(hù)電路;偏置電路和恒流源電路;差分輸入的差分放大器;差分放大器的雙端變換為單端輸出的雙端變單端電路;中間放大級(jí);OCL(無輸出電容功放電路)輸出級(jí)和OCL級(jí)的偏置電路;輸出過電流保護(hù);相位補(bǔ)償電路。

為了分析方便，下面以美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司產(chǎn)品LM3875為例進(jìn)行介紹。圖1017所示為L(zhǎng)M3875內(nèi)部簡(jiǎn)要電路。圖中忽略了過熱保護(hù)電路、輸出過電流保護(hù)電路，將各恒流源加以簡(jiǎn)化(用兩個(gè)圓環(huán)表示)。

圖1017　LM3875內(nèi)部簡(jiǎn)要電路

(1)差分輸入的差分放大器

為了方便地實(shí)現(xiàn)反饋、靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定和共模抑制比，差分輸入的差分放大器是最好的選擇。為了獲得高輸入阻抗，集成功率放大器的輸入級(jí)與通用集成運(yùn)算放大器一樣，都采用射極跟隨器電路，由圖中的VT 1 、VT 2 構(gòu)成。由于VT 1 、VT 2 的發(fā)射極所接的負(fù)載是恒流源和VT 3 、VT 4 以及 R 1 、 R 2 的輸入阻抗，如果 β >100，則對(duì)應(yīng)的集成功率放大器的輸入阻抗將達(dá)到1MΩ以上;VT 3 、VT 4 構(gòu)成共發(fā)射極差分放大器，可以使輸入級(jí)獲得一定的電壓增益。

(2)差分放大器的雙端變換為單端輸出的雙端變單端電路

集成功率放大器的單端輸出需要將差分放大器的雙端輸出轉(zhuǎn)換為單端輸出，同時(shí)又不能損失增益。這一部分功能電路由VT 5 、VT 6 、VT 7 組成，可以將差分放大器的輸出無損耗地轉(zhuǎn)換為單端輸出。為了盡可能地減小下一級(jí)電路的負(fù)載效應(yīng)，將雙端變換為單端電路的輸出接入射極跟隨器，這樣既可以保證差分放大器的對(duì)稱性，又能降低差分放大器的輸出阻抗。

(3)中間放大級(jí)

欲獲得60dB的電壓增益，集成運(yùn)算放大器和集成功率放大器的主要增益在中間放大級(jí)實(shí)現(xiàn)，中間放大級(jí)所連接的是恒流源和“達(dá)林頓”連接方式的功率輸出級(jí)。因此，中間放大級(jí)的負(fù)載阻值非常高，從而獲得了很高的電壓增益。

(4)功率輸出級(jí)和偏置電路

功率輸出級(jí)的作用是將中間放大級(jí)的電壓信號(hào)進(jìn)行電流放大，功率輸出級(jí)和功率級(jí)的偏置電路可以將中間放大級(jí)的電流放大數(shù)百倍甚至是數(shù)千倍。功率輸出級(jí)多采用由NPN晶體管構(gòu)成的“準(zhǔn)互補(bǔ)”的OCL電路。為了使輸出級(jí)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)不隨溫度變化，同時(shí)還要保證小信號(hào)輸出時(shí)不失真，需要一個(gè)可以補(bǔ)償輸出級(jí)電路與工作狀態(tài)隨溫度變化的補(bǔ)償與偏置電路。最常見的方法是利用二極管的正向壓降與晶體管的發(fā)射結(jié)溫度特性基本相同的特點(diǎn)，通過將3個(gè)二極管(圖中的VD 1 、VD 2 、VD 3 )串聯(lián)實(shí)現(xiàn)3個(gè)發(fā)射結(jié)(圖中的VT 10 、VT 11 、VT 12 )溫度特性的補(bǔ)償。

(5)相位補(bǔ)償電路

對(duì)于多級(jí)電壓放大電路，盡管可以獲得很高的電壓增益，但是，由于高增益和多級(jí)放大所造成的相移，在用來實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋的應(yīng)用時(shí)很容易滿足反饋放大器的自勵(lì)條件，使放大器出現(xiàn)自勵(lì)現(xiàn)象。集成功率放大器的相位補(bǔ)償電路通常在芯片內(nèi)采用滯后補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)。最簡(jiǎn)單的方法就是在電路的主增益級(jí)設(shè)置補(bǔ)償電路，也就是在中間放大級(jí)的集電極與基極接一個(gè)補(bǔ)償電容器，如圖1017所示的10pF的電容器 C 。這樣在實(shí)現(xiàn)功率放大電路時(shí)就可以不考慮外界相位補(bǔ)償電路。

(6)集成功率放大器均內(nèi)設(shè)過電流保護(hù)和過功率保護(hù)，以保證集成功率放大器在故障狀態(tài)下不至于損壞。集成功率放大器的過電流保護(hù)和過功率保護(hù)與集成穩(wěn)壓器類似。

(7)過熱保護(hù)

與集成穩(wěn)壓器相似，集成功率放大器具有良好的過熱保護(hù)功能，以確保集成功率放大器不至于因過熱而損壞。

常用集成功率放大器分析

常用集成功率放大器主要有：耳機(jī)放大器、1～2W低功率放大器、12～45V電源電壓中等功率放大器和50V以上的高功率放大器。在低電壓特別是單電源供電條件下，為了獲得比較大的輸出功率，多采用BTL電路形式和比較低的負(fù)載電阻(如4Ω、2Ω)。采用OTL電路時(shí)，電源為單電源，這樣可以簡(jiǎn)化電源，但是需要附加一個(gè)輸出隔直電容器，對(duì)于大功率輸出，帶有隔直電容器的電路將受到電容器的可承受的電流限制不再適用。對(duì)于大功率輸出，通常采用OCL無輸出電容器電路，這樣的電路需要雙電源供電，如果輸出功率仍不滿足要求，可以采用BTL電路增加輸出功率。若要進(jìn)一步增加輸出功率，還可采用多路放大器并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)。

(1)耳機(jī)放大器

耳機(jī)放大器是專為耳機(jī)提供音頻功率的低功率水平的功率放大器，隨著便攜式放聲設(shè)備(如手機(jī)、MP3等)的普遍應(yīng)用，耳機(jī)放大器的需求量也大大增加。耳機(jī)放大器多應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備，因此封裝形式為表面貼裝。

耳機(jī)放大器的負(fù)載是耳機(jī)，它的阻抗為32Ω。輸出功率不要求很大，有100mW就足夠了。

耳機(jī)放大器一般為立體聲放大器，即雙聲道放大器。因?yàn)槎鷻C(jī)需要經(jīng)常地插拔，很可能出現(xiàn)短路現(xiàn)象，因此耳機(jī)放大器應(yīng)具有過熱和短路保護(hù)功能。

耳機(jī)放大器要求在32Ω負(fù)載下的額定功率和1kHz條件下的總諧波失真要低于0.1%;在整個(gè)頻帶內(nèi)(20～20kHz)要具有不高于0.2%的總諧波失真。

圖1018所示是TI公司生產(chǎn)的TPA152耳機(jī)放大器的基本電路。TPA152為8pinSOIC封裝形式。

圖1018　TPA152的封裝

表101所示為TPA152的引腳功能。

表101　TPA152的引腳功能描述

圖1019所示為TPA152內(nèi)部簡(jiǎn)要原理框圖。從圖中可以看出，TPA152內(nèi)部的放大器實(shí)際上就是運(yùn)算放大器，只不過輸出功率比常規(guī)運(yùn)算放大器高。由于TPA152是單電源供電，所以放大器的同相輸入端需要接到電源的中點(diǎn)，因此在芯片內(nèi)部帶有分壓電阻，分壓電阻的中點(diǎn)接放大器的同相輸入端。另外，為了保證同相輸入端的“電源”低阻抗，需要對(duì)中點(diǎn)電壓并接旁路電容，即引腳3外接電容器。

圖1019　TPA152內(nèi)部簡(jiǎn)要原理框圖

由于TPA152內(nèi)部的放大器只是接成運(yùn)算放大器的形式，整個(gè)放大器的閉環(huán)增益需要外接電阻實(shí)現(xiàn)，即圖中的 R F 、 R 1 。

在不需要音量時(shí)，可采用靜音方式，這樣可以避免反復(fù)開機(jī)。靜音方式可以通過靜音控制端實(shí)現(xiàn)，只要將靜音控制端接邏輯高電平，電路即為靜音狀態(tài)。

在開機(jī)過程中，OCL功率放大器不可避免地會(huì)出現(xiàn)“噗、噗”聲，為了消除“噗、噗”聲，TPA152設(shè)置了開機(jī)“噗、噗”聲消除電路。外接的 RC 有利于抑制“噗、噗”聲。

圖1020所示為TPA152典型應(yīng)用電路。

圖1020　TPA152典型應(yīng)用電路

圖1020中的全部器件均采用貼片器件，電阻、電容可以選用0805封裝。由于各電阻上的功率損耗很低，電阻可以采用0603甚至0402封裝，盡可能減小電路的體積。

電路中加入 R O 、 C C 可以降低開機(jī)時(shí)的“噗、噗”聲。

(2)1～2W集成功率放大器

考慮功率放大器需要降低電源電壓應(yīng)用，應(yīng)選用可以在3.3～5.5V的電壓范圍內(nèi)工作，最好是電源電壓降低到2.7V時(shí)仍可以正常工作的集成功率放大器，可以選用美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的TPA4861單通道1W音頻功率放大器芯片。

表102所示為TPA4861的引腳功能。電源為5V時(shí)，在BTL電路模式、8Ω負(fù)載電阻條件下可以輸出不低于1W的功率;可以工作在3.3～5V的電源電壓下，最低工作電壓為2.7V;沒有輸出隔直電容器的要求;可以實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)控制，關(guān)機(jī)狀態(tài)下的電流僅為0.6mA;表面貼裝器件;具有熱保護(hù)和輸出短路保護(hù)功能;高電源紋波抑制比，在1kHz下為56dB。

表102　TPA4861的引腳功能

TPA4861內(nèi)部簡(jiǎn)要原理框圖如圖1021所示。

圖1021　TPA4861內(nèi)部簡(jiǎn)要原理框圖

TPA4861內(nèi)部由兩個(gè)功率放大器、中點(diǎn)電壓分壓電阻和偏置電路組成，其中輸出2是輸出1經(jīng)過1: 1的反相后，由功率放大器2輸出的，自然構(gòu)成BTL電路結(jié)構(gòu)，不需要外接電路。

(3)9W集成功率放大器TDA2030

TDA2030具有輸出功率大、諧波失真小、內(nèi)部設(shè)有過熱保護(hù)、外圍電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可以連接成OTL電路，也可以連接成OCL電路。

TDA2030的供電電壓范圍為6～18V，靜態(tài)電流小于60μA，頻響為10Hz～140kHz，諧波失真小于0.5%，在 U CC =±14V、 R L =4Ω時(shí)，輸出功率為14W，在8Ω負(fù)載上的輸出功率為9W。

由TDA2030構(gòu)成的OCL功率放大電路如圖1022所示。

圖1022　由TDA2030構(gòu)成的OCL功率放大電路

電路中的二極管VD 1 、VD 2 起保護(hù)作用：一是限制輸入信號(hào)過大;二是防止電源極性接反。 R 4 、 C 2 組成輸出移相校正網(wǎng)絡(luò)，使負(fù)載接近純電阻。電容 C 1 是輸入耦合電容，其大小決定功率放大器的下限頻率。電容 C 3 、 C 6 是低頻旁路電容， C 4 、 C 5 是高頻旁路電容。電位器 R P 是音量調(diào)節(jié)電位器。該電路的交流電壓放大倍數(shù)為

(4)20W單聲道集成功率放大器LM1875

LM1875是NS公司生產(chǎn)的20W單聲道高保真功率放大集成電路，可為4Ω負(fù)載提供20W的最大功率。

LM1875為5腳TO220封裝形式。其中，1腳為同相輸入端，2腳為反相輸入端，4腳為功率輸出端，5腳、3腳分別為正、負(fù)電源供電端。LM1875內(nèi)部含有過熱、過流自動(dòng)保護(hù)裝置，工作安全可靠。

LM1875既可以采用雙電源供電，也可以使用單電源供電，LM1875單電源、雙電源供電時(shí)的應(yīng)用電路如圖1023所示。

圖1023　LM1875單電源、雙電源供電時(shí)的應(yīng)用電路

在單電源供電的情況下，要想獲得與雙電源相同的輸出功率，其供電電壓必須為雙電源電壓的2倍。需要注意的是：采用單電源時(shí)，在其金屬散熱片和外接散熱器之間不需要使用絕緣墊片，但在使用雙電源供電時(shí)，則必須加絕緣墊片。

(5)20W雙聲道集成功率放大器LM1876

LM1876是NS公司生產(chǎn)的雙聲道20W集成功率放大器，LM1876的典型應(yīng)用電路如圖1024所示。

圖1024　LM1876的典型應(yīng)用電路

圖中，IC1及其外圍元件組成緩沖放大級(jí)，電路增益為 A uf =

≈5dB。電路中，設(shè)置了22kΩ電阻 R 25 、 R 26 ，這樣不但可以將輸入阻抗限制在22kΩ，避免前置電路工作在高阻抗?fàn)顟B(tài)，還可以對(duì)50Hz感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行有效的抑制，提高整機(jī)信噪比。

LM1876在4～30Ω的范圍內(nèi)均可穩(wěn)定地工作，供電電壓為±10～±25V，當(dāng)供電電壓降低時(shí)，只是輸出功率的大小受到影響，其他指標(biāo)影響不大。

LM1876的6、11腳為左/右聲道靜噪控制端。接高電平時(shí)(高于1.6V)，LM1876內(nèi)部電路執(zhí)行靜音操作，切斷輸出端的音頻信號(hào)。因此可以在6、11腳與正電壓之間接一個(gè) RC 延時(shí)網(wǎng)絡(luò)，使其在開機(jī)瞬間為高電平，輸出電路無音頻信號(hào)輸出。延時(shí)一段時(shí)間后，再正常輸出，以避免開機(jī)瞬間輸出端電位失諧對(duì)揚(yáng)聲器的沖擊。

三極管VT 1 、 R 24 、 C 16 、 R 20 、 C 15 構(gòu)成開機(jī)延時(shí)網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整它們的取值范圍，可以改變時(shí)間的長(zhǎng)短，以獲得滿意的開機(jī)延時(shí)時(shí)間。

需要注意的是， R 11 、 R 16 的取值范圍應(yīng)在15～51kΩ之間。 R 11 、 R 16 的取值過高會(huì)使輸出端的中點(diǎn)電位偏高;也不可過低，否則輸入阻抗太低，增大前級(jí)電路的功耗，使輸出增益下降。

R 12 、 R 14 與LM1876的3、7腳相連構(gòu)成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。該電路的放大倍數(shù)也由 R 12 、 R 14 決定，即放大倍數(shù)為( R 12 + R 14 )/ R 14 =(15kΩ+1.2kΩ)/1.2kΩ=13.5。只要改變 R 12 、 R 14 的阻值，就可以調(diào)整電路的放大倍數(shù)。但需注意的是，放大倍數(shù)應(yīng)在10倍以上，否則LM1876工作會(huì)不穩(wěn)定。

R 15 與 C 7 構(gòu)成揚(yáng)聲器補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，可吸收揚(yáng)聲器的反電動(dòng)勢(shì)，防止電路振蕩。C8和C9為電源旁路電容，主要起降低電源高頻內(nèi)阻的作用，防止電路高頻自激，使LM1876工作更穩(wěn)定。

(6)40W雙聲道集成功率放大器LM4766

LM4766是NS公司生產(chǎn)的40W雙聲道高保真功率放大集成電路。LM4766的典型應(yīng)用電路如圖1025所示。

圖1025　LM4766的典型應(yīng)用電路

LM4766的⑥腳、11腳為靜噪控制端，當(dāng)其接低電平時(shí)，LM4766內(nèi)部電路執(zhí)行靜音操作，切斷輸出端的音頻信號(hào)。因此可在⑥腳、11腳與負(fù)電壓之間接一個(gè) RC 延時(shí)網(wǎng)絡(luò)， RC 延時(shí)網(wǎng)絡(luò)由 R 21 、 C 13 構(gòu)成，使其在開機(jī)瞬間為低電平，輸出電路無音頻信號(hào)輸出。延時(shí)一段時(shí)間后，再正常輸出，以避免開機(jī)瞬間輸出端電位失諧對(duì)揚(yáng)聲器的沖擊。

IC1及其外圍元件組成緩沖放大級(jí)，其電路增益為 A uf =

≈10dB。電路中特設(shè)置了22kΩ電阻 R 25 、 R 26 ，這樣不但可以將輸入阻抗限制在22kΩ，避免前置電路工作在高阻抗?fàn)顟B(tài)，還可以對(duì)50Hz感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行有效的抑制，提高整機(jī)信噪比。

LM4766工作在交流放大狀態(tài)，音頻信號(hào)通過負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)時(shí)要經(jīng)過電容 C 5 、 C 11 ，同時(shí)負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)變?yōu)樽枞菥W(wǎng)絡(luò)。由于電容的容抗，放大器最低工作低頻下限將受到限制，若 C 5 、 C 11 的頻率特性不佳，將會(huì)嚴(yán)重影響到放大器的頻率響應(yīng)。

雖然在 C 5 、 C 11 的兩端并聯(lián)了一個(gè)0.1μF電容來改善它們的高頻性能，但為了降低功放電路的低頻下限，必然要加大 C 5 、 C 11 的容量。但電容選得越大，其高頻性能越不好，導(dǎo)致電路的高頻性能變差，且此電容過大也將使放大電路在開機(jī)瞬間對(duì)電容充電時(shí)間過長(zhǎng)，反映在輸出端將產(chǎn)生一個(gè)可怕的直流電位，極易損壞揚(yáng)聲器，同時(shí)也容易導(dǎo)致放大器產(chǎn)生振蕩，嚴(yán)重影響穩(wěn)定性。

為了克服以上缺點(diǎn)，有些音響生產(chǎn)廠商在設(shè)計(jì)電路時(shí)，在負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)中加入了一個(gè)電阻 R 13 ( R 18 )，使電路的反饋方式變成Duoβ反饋電路。這樣就可以在負(fù)反饋電容 C 5 、 C 11 容量大小不變的前提下，使功放機(jī)的低頻下限降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

通用集成功率放大器

20世紀(jì)80年代，車載音響和盒式錄音機(jī)的普及使電池供電的音頻功率放大器得到了飛速發(fā)展，從簡(jiǎn)化電路和減輕設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)壓力的角度考慮，集成音頻功率放大器成為了不錯(cuò)的選擇。

最簡(jiǎn)單的集成功率放大器是TDA2002，后來發(fā)展出來的僅有5個(gè)引腳，這種集成功率放大器外電路極其簡(jiǎn)單，只要電路板圖設(shè)計(jì)正確，幾乎不用調(diào)節(jié)。不僅如此，集成音頻功率放大器的適應(yīng)電源電壓范圍也很寬，這是分立元件的功率放大器所不能比的。

最原始的2002集成功率放大器之一是日本的NEC的μPC2002，但是時(shí)至今日，仍找不到μPC2002內(nèi)部電路，這是日本半導(dǎo)體器件制造商技術(shù)數(shù)據(jù)的一大特點(diǎn)。相比之下，歐美的半導(dǎo)體器件在公開的信息渠道可以找到非常詳細(xì)的數(shù)據(jù)和內(nèi)部原理圖。

與集成穩(wěn)壓器類似，各公司生產(chǎn)的2002、2003系列集成功率放大器在推薦的典型應(yīng)用電路和大多數(shù)正常應(yīng)用狀態(tài)下是可以直接互換的。TDA2002是典型基極輸入的差分放大器的輸入級(jí)，構(gòu)成了現(xiàn)代集成功率放大器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)的基本框架。美國(guó)仙童半導(dǎo)體公司的TDA2002的內(nèi)部電路如圖1026所示。

圖1026　美國(guó)仙童半導(dǎo)體公司的TDA2002的內(nèi)部電路

TDA2002的內(nèi)部電路相對(duì)復(fù)雜，相比之下，ST的TDA2003則簡(jiǎn)單得多。ST的TDA2003的典型應(yīng)用電路如圖1027所示。

TDA2003的封裝外形與引腳功能如圖1028所示。TDA2003采用TO2205引腳封裝形式，為了解決引腳之間間距小的問題，TDA2003將1、3、5引腳彎曲，使其不與2、4引腳在同一直線，加大了鄰近引腳的間距。這種TO2205引腳封裝形式和各引腳功能成為了后來很多中等功率輸出的集成功率放大器的“標(biāo)準(zhǔn)”封裝形式，使得很多不同公司、不同型號(hào)的集成功率放大器實(shí)現(xiàn)封裝、對(duì)應(yīng)的引腳功能相同(pintopin)，可以直接互換。

圖1027　TDA2003的典型應(yīng)用電路

圖1028　TDA2003的封裝外形與引腳功能

1—同相輸入端;2—反相輸入端;3—GND;4—輸出端;5—+V CC

從圖1027可以看出，TDA2003的輸入級(jí)電路不是差分放大器，而是同相輸入端與反相輸入端共用同一晶體管VT 4 ，同相輸入端接晶體管基極，反相輸入端接晶體管發(fā)射極。即同相輸入的輸入級(jí)為共發(fā)射極放大器，反相輸入端的輸入級(jí)為共基極放大器。兩個(gè)放大器的增益相同，相位相反，形成共發(fā)射極共基極差分放大器電路。由于兩個(gè)放大器的輸入方式不同，需要低阻抗輸入。因此，在TDA2003應(yīng)用電路中的反相端的接地電阻的阻值僅為2.2Ω( R 2 )，其反饋隔直電容的容量需要470μF( C 2 )，高于共發(fā)射極差分放大器輸入級(jí)的22μF，如圖1029所示。

圖1029　TDA2003典型應(yīng)用電路

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