TDA2050供电分析

音频功率放大模块（以下简称功放）用于处理模拟信号，将功率较低的输入信号进行线性放大，输出大功率的信号以驱动换能器。通常，电子发烧友自己设计功放，与各类音源和喇叭匹配，以得到满意的音响效果。在测试中，实验工作者通常使用来源可靠的功放驱动设备进行试验。使用生产厂家设计制造的功放固然便捷高效，但这种功放对于实验者来说是“黑盒子”，实验中很多关于功放的参数难以获得。因此，动手能力强的实验工作者往往自行设计功放。本文参考芯片Datasheet与相关文章，对TDA2050供电方案进行了讨论。本文旨在分享个人已有成果，减少重复研究，其中难免留存谬误，只望诸君谨慎辨别，不吝赐教。

1 手册分析

1.1 基本参数

依据手册[1]，部分基本参数简列如下：

参数	符号	最小值	最大值	典型值	条件
供电电压	$V_S$	$\pm 4.5$V	$\pm 25$V
输入阻抗（Pin 1）	$R_i$	$500$ K$\Omega$
热保护温度	$T_{sdj}$			$150$ $^{\circ}$C
-3分贝动态范围		$20~80,000$ Hz			$R_L=4 \Omega$ $V_i=200 mV$
压摆率	$SR$	$5$ V/$\mu$s		$8$ V/$\mu$s
输入噪音	$e_N$		$10 \mu$V
输入偏置电流	$I_b$		0.5 $\mu$A	0.1 $\mu$A	$V_S=\pm22 V$
失调电流	$I_{OS}$		$\pm200$ nA		$V_S=\pm22 V$
失调电压	$V_{OS}$		$\pm$15 mV		$V_S=\pm22 V$

1.2 输出功率$P_O$与供电电压$V_S$

本文设计过程中以信号失真度为首要指标，在功放线性工作条件下进行供电电路的调整。手册中给出了两个关于负载的案例：

负载 $R_L$	供电	总谐波失真 THD	频率	功率
$4 \Omega$	$\pm$ 18V	$10$%	$1$KHz	$35$W
$8$ $\Omega$	$\pm$ $22$V	$10$%	$1$KHz	$32$W

据说$4\Omega$负载用分立供电能够达到最大输出功率，因此本文就针对分立供电$4\Omega$负载的情况进行分析。手册中，对于该情况进行了性能实验，相关图线如下：

释：测试图线

由Figure8可知，图中条件下，输出功率$P_O$在低于$24$W的情况时的谐波失真较低；Figure7表明，$V_S$越大，线性输出的动态越大，即$d$的等高线纵坐标越高。事实上通过测试能够绘制每一个频点的$V_S$-$P_O$-$d$曲面图。如果交流供电有$10\%$的偏差，设计供电$V_S=20$V时能够保证$24$W的输出动态。

1.3 原理图

由图中所示，脚1和脚2所连电路为明显的镜像结构，应该是差分放大电路，具有克服温飘的优点。向脚2输入信号中馈入交4的反相信号可以构成正反馈。

1.4 推荐电路

手册中给出了推荐电路以及相关说明：

本文依据手册以及文章[3]的描述，将供电电路分为以下六个部分：

增益调整：关于R2与R3
偏置电流：关于R1与R3
输入滤波：关于脚IN、脚1、脚GND
反馈滤波：关于R2与C2
Zobel网络：关于R4与C7
供电退耦：C3～C6

2 供电电路分析

相关分析主要参考了手册的描述以及文章[3]。上述资料在设计过程中大多仅使用截止频率作为考察指标，而不是频率响应。这导致电路响应无法定量分析，运放模块依旧呈现“黑盒子”的状态。作者初入电子制作，“黑盒子”使得作者十分不安，因此文中引入了诸多定量分析。未来可通过进一步建模与实验，给功放模块的定量分析提供支持。

2.1 增益调整

依据手册，闭环增益应在$24$dB以上，推荐增益为$30.5$，建议在$30$~$31$dB之间。假设开环与闭环增益分别为$G_{O}$(Open)与$G_{C}$(Close)，依据[8]中的解释，闭环增益为：

$$
G_C=\dfrac{G_O}{1+G_O\dfrac{R_{in}}{R_{in}+R_f}}\sim \dfrac{R_{in}+R_f}{R_{in}}
$$

开环增益为运放的固有参数，手册中$80$dB对应$10^4$倍。由上式可以计算得到电阻$R_{in}$的范围。当$R_f$为$22000\Omega$时，$R_{in}$应小于$1480\Omega$，推荐区间为$638\sim 721\Omega$，推荐值为$677\Omega$。

手册给出的增益控制范围比较小，不知当增益超过这个范围时运放是否稳定。输出功率的控制有待结合实验，进一步研究。

2.2 偏置电流

偏置电流的存在保证了运放在线性响应范围内工作。限于精力不在此展开，详见[9]。[3]中的建议是$R2+R3=R5$。

2.3 输入滤波

文章[3]中提到，输入滤波旨在滤除直流与电磁短波信号，设计时的频段为$3.5$Hz至$350$KHz。设脚1与输入电压分别为$V_{1}$与$V_{in}$，则其比值为：

$$
\dfrac{V_1}{V_{in}}=\dfrac{\mathcal{Z}\dfrac{1}{j\omega C_2}}{\dfrac{1}{j\omega C_1}+R_1+\mathcal{Z}(R_3+\dfrac{1}{j\omega C_2})}
$$

其中：

$$
\mathcal{Z}=\dfrac{R_2}{R_2+R_3+\dfrac{1}{j\omega C_2}}
$$

绘制响应曲线如下：

2.4 反馈滤波

文章[3]中建议，反馈滤波的截止频率要低于输入滤波的$3$~$5$倍。不难发现加上了电容$C3$之后，电路的闭环增益成为了频率的函数：

$$
G_C=\dfrac{R5+R4+\dfrac{1}{j\omega C_2}}{R4+\dfrac{1}{j\omega C_2}}
$$

绘制响应曲线如下：

由图可知，电容$C3$越大，闭环增益的低频下限越低。对于$C3$电容本身而言，其任务是消除开关电源的噪声干扰。因而在选取容值的时候需进行实验，以确定开关电源噪声频段，之后再合理选择容值。此外，还要注意工作频段内闭环增益的数值，确保芯片稳定工作。在绘制频响曲线的时候，选取的原件参数与文章[3]一致。

2.5 Zobel网络

如果负载为动圈类换能器，动圈存在寄生电感，对于交变信号会产生电动势，馈入反馈环，使得电路震荡；另一方面，动圈能够接收电磁波信号，以感生电动势的形式进入反馈环。因此Zobel电路一方面承担了稳定高频信号的作用，同时为反馈环路滤除掉了电磁干扰。

Zobel电路的电阻很小，高频时视为短路，需要承受较大电流。因此电阻需选择能够承受$1$W以上的功率电阻，同时电容推荐使用低等效串联电阻（ESR）的金属膜电容。

假设负载电阻$4\Omega$，寄生电感$1$mH，计算得到负载和Zobel电路并联阻抗以及Zobel电路单独的阻抗。可以发现，Zobel对于$1$mH的负载力不从心。仿真显示，对于$20\mu$H的负载，Zobel电路能够抑制脚4阻抗的突变。

2.6 供电退耦

当功放板工作时，电路中能量损耗也会产生波动，IC供电脚的电流随之变化。由于供电电路也有较为复杂的阻抗，相关阻抗对于变化的电流会产生各种响应。退耦电容在此起到能量存储的角色，大电容针对低频信号进行供电，小电容针对高频信号进行供电。

文章[3]中建议将电容放置在管脚较近的地方，同时电容选型时应选择等效串联电阻与电感较低的型号。

缘起

前不久帮人修了一块功放板。因板子IC芯片烧了，故买了相同型号的IC安装上去了。为了尽快修好，拍的时候拍了两家店的，心想未来自己会动手搞功放。板子修好后剩了若干D2050，两个铭文为TDA2050的IC。后来朋友需要，送走了一部分D2050，剩下的一直雪藏。近日终于有空继续之前的长周期工作，其中功放设计部分这周终于初步完成，遂写此文以记之。本人属电子小白，虽修过模电数电与相关实验，但全靠老师慈怀方得以不挂科，相关分析技能多还了回去。整理过程中发现诸多问题，限于篇幅恕不展开，简列如下：