TS4962：2.8W无滤波器单声道D类音频功率放大器的设计与应用

引言

在当今的电子设备中，音频功率放大器是不可或缺的一部分。对于手机、PDA、笔记本电脑等设备，需要一款高效、低功耗且性能出色的音频放大器。TS4962作为一款2.8W无滤波器单声道D类音频功率放大器，正好满足了这些需求。本文将详细介绍TS4962的特性、应用以及相关设计要点，希望能为电子工程师们在音频设计方面提供一些有价值的参考。

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一、TS4962概述

TS4962是一款差分D类BTL功率放大器，采用DFN8（3 x 3 mm）封装。它具有以下显著特点：

1. 宽电压范围：工作电压 (V_{CC}) 从2.4V到5.5V，适应多种电源环境。
2. 低功耗：待机模式下典型电流仅10nA，正常工作时低电流消耗，如3V时为2mA。
3. 高功率输出：在5V电源下，能输出2.8W到4Ω负载和1.7W到8Ω负载（10% THD+N最大）；在1% THD+N最大时，2.2W（5V）或0.7W（3.0V）到4Ω负载，1.4W（5V）或0.5W（3.0V）到8Ω负载。
4. 可调增益：可通过外部电阻调节增益。
5. 高效率：典型效率达88%。
6. 低噪声：信号噪声比典型值为85dB，且具有低pop和click噪声。

二、绝对最大额定值和工作条件

绝对最大额定值

Symbol	Parameter	Value	Unit
(V_{CC})	Supply voltage	6	V
(V_{i})	Input voltage	GND to (V_{CC})	V
(T_{oper})	Operating free air temperature range	-40 to + 85	°C
(T_{stg})	Storage temperature	-65 to +150	°C
(T_{j})	Maximum junction temperature	150	°C
(R_{thja})	Thermal resistance junction to ambient DFN8 package	120	°C/W
(P_{d})	Power dissipation	Internally limited
ESD	Human body model	2	kV
	Machine model	200	V
Latch - up	Latch - up immunity	200	mA
(V_{STBY})	Standby pin maximum voltage	GND to (V_{CC})	V
Lead temperature (soldering, 10sec)	260	°C

需要注意的是，该器件在异常工作条件下（如输出引脚与地或 (V{CC}) 短路）没有保护。输入信号幅度不能超过 (V{CC}+0.3V / GND - 0.3V) ，长时间超过功率降额曲线会导致异常操作。

工作条件

Symbol	Parameter	Value	Unit
(V_{CC})	Supply voltage	2.4 to 5.5	V
(V_{IC})	Common mode input voltage range	0.5 to (V_{CC}-0.8)	V
(V_{STBY})	Standby voltage input: Device ON	1.4 ≤ (V{STBY}) ≤ (V{CC})	V
	Standby voltage input: Device OFF	GND ≤ (V_{STBY}) ≤ 0.4	V
(R_{L})	Load resistor	≥ 4	Ω
(R_{thja})	Thermal resistance junction to ambient DFN8 package (when mounted on a 4 - layer PCB)	50	°Χ/Ω

当 (V{CC}) 在2.4V到2.5V之间时，工作温度范围会缩小到 (0^{circ}C ≤T{amb} ≤70^{circ}C) ，且共模输入范围需设置为 (V_{CC}/2) 。

三、电气特性

不同电源电压下的电气特性

文档给出了在不同电源电压（2.4V - 5.5V）下的电气特性，包括电源电流、待机电流、输出偏移电压、输出功率、总谐波失真 + 噪声、效率、电源抑制比、共模抑制比、增益、内部电阻、脉冲宽度调制器基频、信号噪声比、唤醒时间和待机时间等参数。例如，在 (V{CC}=5V) 时，输出功率在1% THD+N最大、1kHz、4Ω负载下为2.2W；效率在 (P{out}=2W RMS) 、 (R_{L}=4Ω + 15µH) 时为78%。

电气特性曲线

通过一系列曲线展示了电流消耗与电源电压、待机电压的关系，输出偏移电压与共模输入电压的关系，效率与输出功率的关系，输出功率与电源电压的关系，电源抑制比与频率、共模输入电压的关系，共模抑制比与频率、共模输入电压的关系，总谐波失真 + 噪声与输出功率、频率的关系，增益与频率的关系，以及启动和关闭时间等。这些曲线有助于工程师更直观地了解TS4962在不同条件下的性能表现。

四、应用信息

差分配置原理

TS4962是一款全差分输入/输出D类功率放大器，具有共模反馈回路，可将输出偏置电压平均控制在 (V_{CC}/2) ，从而实现最大输出电压摆幅和输出功率。全差分放大器的优点包括高电源抑制比、高共模噪声抑制、几乎零pop噪声、易于与差分输出音频DAC接口以及无需输入耦合电容。但需要注意外部电阻的匹配，以获得最佳性能。

增益计算

在典型应用中，差分增益 (A{V{diff}}=frac{300}{R{in}}) （ (R{in}) 以kΩ为单位），由于内部150kΩ反馈电阻的公差，差分增益范围为 (frac{273}{R{in}} leq A{V{diff}} leq frac{327}{R{in}}) 。

共模反馈回路限制

共模反馈回路的作用范围受 (V{icm}) 限制，可通过公式 (V{icm}=frac{V{CC} × R{in}+2 × V{IC} × 150kΩ}{2 × (R{in}+150kΩ)}) （ (V{IC}=frac{In^{+}+In^{-}}{2}) ）计算 (V{icm}) 值，结果需在 (0.5V leq V{icm} leq V{CC}-0.8V) 范围内。若超出范围，可能需要使用输入耦合电容。

低频响应

若需要限制低频带宽，可使用输入耦合电容 (C{in}) ，它与 (R{in}) 构成一阶高通滤波器， - 3dB截止频率 (F{CL}=frac{1}{2pi × R{in} × C{in}}) ，可据此计算 (C{in}) 值。

电路去耦

为正确旁路TS4962，需要一个电源电容 (C_{S}) 。由于TS4962典型开关频率为250kHz，输出上升和下降时间约5ns，因此需要仔细去耦。建议使用1µF陶瓷电容，且应尽量靠近TS4962放置，以避免额外的寄生电感。同时，电容的额定电压也很重要，如5V电源下使用1µF/6.3V电容，实际去耦值会降低。

唤醒时间和关闭时间

唤醒时间和关闭时间约为5ms，内部数字延迟可避免pop噪声。

待机模式功耗

待机引脚与GND之间有一个300kΩ内部电阻，若待机引脚电压不为0V，会引入额外功耗。

单端输入配置

可以使用TS4962进行单端输入配置，但需要输入耦合电容。单端增益 (A{V{single}}=frac{300}{R{in}}) ，范围为 (frac{273}{R{in}} leq A{V{single}} leq frac{327}{R_{in}}) 。

输出滤波器考虑

TS4962设计为无需输出滤波器，但由于输出的尖锐瞬变，可能会导致EMI辐射问题。为降低EMI问题的概率，可采取减少输出引脚与扬声器端子的距离、使用接地平面屏蔽敏感线、在输出端串联铁氧体磁珠等措施。若距离较远，建议使用输出滤波器。

输入求和示例

文档还给出了双差分输入和一个差分输入加一个单端输入的示例及相关计算公式。

五、其他信息

演示板

有TS4962的演示板可供使用，更多信息可参考应用笔记AN2406。

推荐焊盘

文档提供了TS4962 DFN封装的推荐焊盘。

封装信息

TS4962采用DFN8 3 x 3暴露焊盘封装，为满足环保要求，ST提供不同等级的ECOPACK封装。

订购信息

TS4962IQT的温度范围为 - 40°C到 + 85°C，采用DFN8封装，包装形式为Tape & reel，标记为K962。

六、总结与思考

TS4962作为一款性能出色的D类音频功率放大器，在音频设计领域具有很大的应用潜力。其宽电压范围、高功率输出、低功耗和可调增益等特点，使其适用于多种电子设备。然而，在实际应用中，工程师需要注意一些关键问题，如共模反馈回路的限制、电路去耦、EMI问题等。大家在使用TS4962进行设计时，是否遇到过类似的问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。

通过对TS4962的深入了解，电子工程师们可以更好地利用这款放大器，设计出更优质的音频系统。希望本文能为大家的设计工作提供一些帮助。