TS4994：高性能音频功率放大器的技术解析

引言

在音频设备的设计中，音频功率放大器的性能直接影响着音频质量。TS4994 作为一款 1W 差分输入/输出音频功率放大器，具备多种出色特性，适用于多种音频应用场景。本文将对 TS4994 的特性、性能指标、应用信息等方面进行详细解析，希望能为电子工程师在音频设计中提供有价值的参考。

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产品概述

TS4994 是一款能够在 5V 电压下向 8Ω 负载提供 1W 连续 RMS 输出功率的音频功率放大器。它采用差分输入，具有出色的抗噪能力。通过外部待机模式控制，可将电源电流降低至小于 10nA。此外，该器件还具备内部热关断保护功能，能承受短路情况。它有 DFN10 3x3（0.5mm 间距）和 MiniSO - 8 两种封装形式，且所有封装均为无铅封装。

特性亮点

差分输入与低噪声

差分输入使得 TS4994 具有近乎零的爆音和咔嗒声，同时在 217Hz 时，接地输入下的电源抑制比（PSRR）可达 100dB，共模抑制比（CMRR）可达 90dB，能有效抑制噪声干扰。

宽工作电压范围与高输出功率

工作电压范围从 (V{CC}=2.5V) 到 5.5V，在 (V{CC}=5V)、(THD = 1%)、(F = 1kHz) 且负载为 8Ω 时，可提供 1W 的轨到轨输出功率。

低功耗与快速启动

待机模式下功耗极低，仅 10nA，且启动时间极快，典型值为 15ms。

可选待机模式

具备可选的待机模式，可选择低电平或高电平激活，方便不同应用场景的需求。

性能指标

绝对最大额定值和工作条件

参数	符号	值	单位
电源电压	(V_{CC})	6	V
输入电压	(V_{i})	GND 到 (V_{CC})	V
工作温度范围	(T_{oper})	- 40 到 + 85	°C
存储温度	(T_{stg})	- 65 到 + 150	°C
最大结温	(T_{j})	150	°C
热阻（DFN10/MiniSO - 8）	(R_{thja})	120/215	°C/W
功耗	(P_{diss})	内部限制	W
静电放电（人体模型）	ESD	2	kV
静电放电（机器模型）		200	V
闩锁抗扰度		200	mA
引脚焊接温度（10s）		260	°C

电气特性

在不同电源电压下，TS4994 的电气特性表现稳定。以 (V{CC}=5V) 为例，无输入信号、无负载时的电源电流典型值为 4mA，待机电流典型值为 10nA，输出功率在 (THD = 1%)、(F = 1kHz)、(R{L}=8Ω) 时可达 1W。

应用信息

差分配置原理

TS4994 是一款单片全差分输入/输出功率放大器，内部包含共模反馈环路，可将输出偏置电压控制在 (V_{CC}/2)，从而实现最大输出电压摆幅和最大输出功率。与单端拓扑相比，在相同电源电压下，输出功率可提高四倍。

增益计算

在典型应用中，差分增益可通过公式 (A{V{diff}}=frac{R{feed}}{R{in}}) 计算，其中 (R{in}=R{in1}=R{in2}) ，(R{feed}=R{feed1}=R{feed2}) 。

共模反馈环路限制

共模反馈环路的作用范围受 (V{ICM}) 限制，可通过公式 (V{ICM}=frac{V{CC} × R{in}+2 × V{ic} × R{feed}}{2 times(R{in}+R{feed})}) 计算 (V{ICM}) 值，结果需满足 (0.6Vleq V{ICM}leq V_{CC}-0.9V) ，否则需使用输入耦合电容。

频率响应

在低频区域，(C{in}) 与 (R{in}) 构成高通滤波器，-3dB 截止频率为 (F{CL}=frac{1}{2 × pi × R{in} × C{in}}) ；在高频区域，可通过并联 (C{feed}) 与 (R{feed}) 构成低通滤波器，-3dB 截止频率为 (F{CH}=frac{1}{2 × pi × R{feed} × C{feed}}) 。但实际应用中，电容精度和失配会影响 PSRR 和 CMRR 性能。

失配对 PSRR 和 CMRR 性能的影响

在计算 PSRR 和 CMRR 性能时，假设 (C{in}) 和 (C{feed}) 无影响。PSRR 公式为 (PSRR leq 20 × log [frac{Delta R × 100}{(10000-Delta R^{2})}]) ，CMRR 公式为 (CMRR leq 20 × log [frac{Delta R × 200}{(10000-Delta R^{2})}]) ，其中 (Delta R) 为电阻公差值。

功率耗散和效率

根据假设，可通过公式计算输出功率、电源电流、电源功率、功率耗散和效率。最大理论效率可达 78.5%，TS4994 的最大允许管芯温度为 125°C，热关断温度为 150°C。

电路去耦

需要 (C{s}) 和 (C{b}) 两个电容对 TS4994 进行正确旁路。(C{s}) 对高频区域的 THD + N 有影响，(C{b}) 对低频区域的 THD + N 和 PSRR 有影响。

唤醒时间和关机时间

唤醒时间 (twu) 与 (C{b}) 充电时间有关，当 (C{b}=1µF) 时，典型唤醒时间为 15ms。关机时间仅需几微秒，此时旁路引脚和输入引脚通过内部开关接地，可快速放电。

爆音性能

由于采用全差分结构，TS4994 的爆音性能近乎完美，内部还包含爆音抑制电路，可消除元件失配的影响。

单端输入配置

TS4994 可用于单端输入配置，但需要输入耦合电容。单端输入配置下的增益公式为 (A v{SE}=frac{V{O+}-V{O-}}{V e}=frac{R{feed}}{R_{in}}) 。

演示板

TS4994 有演示板可供使用，适用于 DFN10 封装，除功率耗散外，所有电气参数在不同封装下相似。

封装信息

TS4994 提供 DFN10 和 MiniSO - 8 两种封装，满足不同应用场景的需求。两种封装均符合环保要求，采用无铅二级互连。

总结

TS4994 作为一款高性能音频功率放大器，凭借其差分输入、低噪声、宽工作电压范围、低功耗、快速启动等特性，在音频应用领域具有很大的优势。电子工程师在设计音频设备时，可以根据其性能指标和应用信息，合理选择和使用该放大器，以实现高质量的音频输出。同时，在实际应用中，需要注意元件的匹配和电路的设计，以充分发挥 TS4994 的性能。你在使用 TS4994 或其他音频功率放大器时，遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。