SSM3582數(shù)字輸入無(wú)濾波立體聲D類音頻放大器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用全解析

引言

在音頻放大器領(lǐng)域，D類放大器以其高效節(jié)能的特點(diǎn)備受關(guān)注。Analog Devices的SSM3582作為一款數(shù)字輸入無(wú)濾波立體聲D類音頻放大器，憑借其出色的性能和豐富的功能，在移動(dòng)計(jì)算、便攜式電子設(shè)備等眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。本文將深入剖析SSM3582的特性、工作原理、應(yīng)用設(shè)計(jì)等方面，為電子工程師們提供全面的參考。

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產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

高性能音頻表現(xiàn)

SSM3582具備卓越的音頻性能指標(biāo)。其信號(hào) - 噪聲比高達(dá)106.5 dB，在5 W輸出功率、8 Ω負(fù)載、1 kHz頻率以及12 V電源電壓的條件下，總諧波失真加噪聲（THD + N）低至0.004%。輸出電壓噪聲在立體聲模式下僅為38.5 μV rms（A加權(quán)），能夠?yàn)橛脩魩?lái)純凈、清晰的音頻體驗(yàn)。

高效節(jié)能設(shè)計(jì)

該放大器采用了先進(jìn)的調(diào)制方案，在不同負(fù)載條件下都能保持較高的功率效率。例如，在8 Ω負(fù)載時(shí)效率可達(dá)93.8%，4 Ω負(fù)載時(shí)效率為90.6%。同時(shí)，在單12 V PVDD電源供電下，靜態(tài)電流僅為12.34 mA，有效降低了功耗，延長(zhǎng)了電池續(xù)航時(shí)間。

豐富的功能特性

• 低阻抗負(fù)載支持：支持低至3 Ω/5 μH的立體聲模式負(fù)載和2 Ω/5 μH的單聲道模式負(fù)載，拓寬了其應(yīng)用范圍。
• 多種工作模式：具備單聲道模式，可增加最大輸出功率，在16 V電源、2 Ω負(fù)載、THD + N < 1%的條件下，單聲道輸出功率可達(dá)49.69 W。
• 數(shù)字控制與通信：支持I2C控制和硬件模式，擁有多達(dá)16個(gè)引腳可選的插槽/地址，方便與其他設(shè)備進(jìn)行通信和控制。支持8 kHz至192 kHz的采樣率和24位分辨率，以及多種PCM音頻串行數(shù)據(jù)格式。
• 保護(hù)與監(jiān)測(cè)功能：內(nèi)置溫度傳感器、短路保護(hù)、欠壓保護(hù)和熱保護(hù)等功能，還具備熱預(yù)警功能，能夠有效保障設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，具有電源監(jiān)測(cè)自動(dòng)增益控制（AGC）功能，可減少系統(tǒng)掉電的風(fēng)險(xiǎn)。

工作原理深度解析

調(diào)制技術(shù)

SSM3582采用了專有的三電平Σ - Δ輸出調(diào)制技術(shù)。與傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制（PWM）不同，Σ - Δ調(diào)制不會(huì)在AM廣播頻段產(chǎn)生帶有許多諧波的尖銳峰值，能夠有效降低高頻頻譜分量的幅度，減少電磁干擾（EMI）輻射。在無(wú)輸入信號(hào)時(shí)，輸出差分電壓理論上為0 V，但由于噪聲的存在，偶爾會(huì)產(chǎn)生差分脈沖。當(dāng)輸入信號(hào)到來(lái)時(shí)，輸出脈沖會(huì)根據(jù)輸入電壓進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)增加輸入信號(hào)電平來(lái)提高差分脈沖密度。

電源供應(yīng)與管理

• PVDD：為輸出功率級(jí)以及AVDD和DVDD的低壓差（LDO）穩(wěn)壓器供電。
• AVDD：作為調(diào)制器、功率級(jí)驅(qū)動(dòng)器和其他模擬模塊的模擬電源。當(dāng)AVDD_EN引腳連接到PVDD時(shí)，內(nèi)部穩(wěn)壓器產(chǎn)生5 V電壓，AVDD引腳僅用于去耦；當(dāng)AVDD_EN引腳連接到AGND時(shí)，需從外部系統(tǒng)源向AVDD引腳提供5 V電壓，以最小化功率損耗。
• DVDD：為數(shù)字電路供電，該節(jié)點(diǎn)的電流非常低，低于1 mA。當(dāng)DVDD_EN引腳連接到AVDD時(shí)，內(nèi)部穩(wěn)壓器產(chǎn)生1.8 V電壓，DVDD引腳僅用于去耦；當(dāng)DVDD_EN引腳連接到AGND時(shí)，需從外部系統(tǒng)源向DVDD引腳提供1.8 V電壓。

時(shí)鐘與數(shù)字音頻接口

• 時(shí)鐘：SSM3582需要提供BCLK信號(hào)才能正常工作，BCLK信號(hào)的最小頻率為2.048 MHz，其速率可自動(dòng)檢測(cè)，但需要指示采樣頻率。支持多種BCLK/FSYNC比率，以適應(yīng)不同的采樣率需求。
• 數(shù)字音頻接口：具備標(biāo)準(zhǔn)的串行音頻接口，僅作為從設(shè)備。支持I2S、左對(duì)齊、PCM或TDM格式的數(shù)據(jù)接收。在立體聲模式下，使用FSYNC的兩個(gè)邊沿來(lái)確定數(shù)據(jù)的位置；在TDM模式下，允許多個(gè)芯片連接到單個(gè)串行接口，通過(guò)FSYNC信號(hào)的上升沿指示新幀的開(kāi)始。

I2C控制

SSM3582支持與I2C兼容的兩線串行總線，作為從設(shè)備與系統(tǒng)I2C主控制器進(jìn)行通信。每個(gè)設(shè)備通過(guò)唯一的地址進(jìn)行識(shí)別，地址字節(jié)的前七位用于標(biāo)識(shí)設(shè)備，最低位（LSB）用于設(shè)置讀寫操作。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，主控制器通過(guò)發(fā)送起始條件、設(shè)備地址和讀寫命令來(lái)發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)備根據(jù)接收到的命令進(jìn)行相應(yīng)的操作。

應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電源上電順序

• 僅使用PVDD作為電源：在單電源模式下，所有內(nèi)部電源軌均由PVDD生成。通過(guò)將AVDD_EN和DVDD_EN引腳拉高來(lái)啟用內(nèi)部AVDD（5 V）和DVDD（1.8 V）穩(wěn)壓器。在施加PVDD ≥ 5 V后10 ms，放大器即可正常工作并響應(yīng)I2C寫入操作。
• 使用PVDD和外部AVDD：當(dāng)向AVDD提供外部5 V電壓時(shí)，需將AVDD_EN引腳拉低以禁用內(nèi)部5 V LDO。此時(shí)，DVDD（1.8 V）由PVDD生成，需確保PVDD > AVDD，以防止PVDD反向供電。
• 使用PVDD、外部AVDD和DVDD：若使用外部AVDD和DVDD源，需將AVDD_EN和DVDD_EN引腳均拉低，并確保PVDD > AVDD/DVDD，以防止PVDD反向供電。DVDD存在時(shí)，設(shè)備才能響應(yīng)I2C命令，在DVDD存在約10 ms后，設(shè)備開(kāi)始正常工作。PVDD至少為5 V時(shí)，輸出級(jí)才能開(kāi)啟，為6 V時(shí)性能最佳。

功率控制與管理

通過(guò)I2C寄存器0x04可以設(shè)置多種功率控制模式。例如，將SPWDN位設(shè)置為1時(shí)，設(shè)備將完全斷電，僅保留I2C和1.8 V穩(wěn)壓器模塊（如果通過(guò)DVDD_EN引腳啟用）處于活動(dòng)狀態(tài)。此外，設(shè)備會(huì)監(jiān)測(cè)BCLK和FSYNC引腳的時(shí)鐘信號(hào)，當(dāng)BCLK信號(hào)消失時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)將所有內(nèi)部電路斷電至最低功耗狀態(tài)；當(dāng)BCLK信號(hào)恢復(fù)時(shí)，設(shè)備會(huì)按照正常的上電順序自動(dòng)上電。

音頻增益設(shè)置

• 模擬增益：提供四種不同的增益設(shè)置，可根據(jù)PVDD電源電壓優(yōu)化放大器的動(dòng)態(tài)范圍。在軟件模式下，初始的19 dB增益設(shè)置可通過(guò)控制接口進(jìn)行更新；在獨(dú)立模式下，I2C接口引腳可設(shè)置設(shè)備的增益。在啟用設(shè)備輸出之前設(shè)置放大器的模擬增益，并且在操作過(guò)程中不得更改，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)撵o音/取消靜音操作以防止增益設(shè)置之間出現(xiàn)可聽(tīng)瞬變。
• 數(shù)字增益：在數(shù)字域中提供更精細(xì)的增益控制，具有 - 70 dB至 + 24 dB、0.375 dB/步長(zhǎng)的斜坡音量控制和可選的無(wú)混疊削波點(diǎn)。數(shù)字音量控制還包括一個(gè)播放電平限制器，可與電池電壓監(jiān)測(cè)器配合使用，以防止在電池電量極低時(shí)放大器導(dǎo)致系統(tǒng)掉電。

噪聲與干擾抑制

• 電源去耦：為確保高效率、低THD和高電源抑制比（PSRR），需要對(duì)電源進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜ヱ钐幚怼ｋ娫摧斎氡仨毷褂么笥?20 μH的優(yōu)質(zhì)、低ESL、低ESR大容量電容器進(jìn)行去耦，以旁路低頻噪聲到接地平面。同時(shí)，在設(shè)備的PVDD引腳附近放置1 μF電容器進(jìn)行高頻去耦。
• EMI濾波：當(dāng)揚(yáng)聲器走線和電纜較長(zhǎng)時(shí)，可能需要額外的EMI濾波。推薦使用Murata的NFZ濾波器系列，該系列濾波器與Analog Devices密切合作設(shè)計(jì)，具有類似空氣線圈的閉合磁滯回線，對(duì)性能的影響最小?？稍跒V波器輸出和地之間添加一個(gè)小電容器，進(jìn)一步衰減非常高的頻率，但需注意電容器的尺寸，以免影響靜態(tài)功耗或效率。

PCB布局

• 元件布局：元件的選擇和布局對(duì)系統(tǒng)性能有很大影響。合理的PVDD布局和去耦對(duì)于達(dá)到指定的性能水平至關(guān)重要，特別是在高功率水平下。應(yīng)確保每個(gè)通道的輸出級(jí)得到適當(dāng)?shù)娜ヱ?，以減少電源噪聲并實(shí)現(xiàn)通道之間的最大隔離。
• 走線設(shè)計(jì)：隨著輸出功率的增加，需要注意PCB走線和導(dǎo)線的布局。使用短而寬的PCB走線可以降低電壓降，最小化電感。輸出走線的寬度每英寸至少應(yīng)為200 mil，并使用1 oz或2 oz的銅，以確保最低的直流電阻（DCR）和最小的電感。同時(shí)，應(yīng)將關(guān)鍵的模擬路徑與高干擾源隔離開(kāi)來(lái)，將高頻電路（模擬和數(shù)字）與低頻電路分開(kāi)。

寄存器配置與應(yīng)用示例

寄存器概述

SSM3582的寄存器涵蓋了設(shè)備的各種配置和狀態(tài)信息，包括廠商ID、設(shè)備ID、功率控制、音頻控制、限幅器控制、故障控制等。通過(guò)對(duì)這些寄存器的讀寫操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的靈活控制和監(jiān)測(cè)。

典型應(yīng)用電路

• 立體聲輸出：圖86展示了典型的立體聲輸出應(yīng)用電路，包括電源濾波電容、I2C通信接口、音頻輸入接口和輸出功率級(jí)等部分。通過(guò)合理選擇電容和電阻值，可以確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。
• 單聲道輸出：圖87為單聲道輸出的典型應(yīng)用電路，與立體聲輸出電路類似，但在單聲道模式下，需要將左、右聲道的功率級(jí)并聯(lián)連接，并進(jìn)行相應(yīng)的寄存器設(shè)置。

總結(jié)與展望

SSM3582作為一款高性能的數(shù)字輸入無(wú)濾波立體聲D類音頻放大器，憑借其卓越的音頻性能、高效的功率管理、豐富的功能特性和靈活的配置選項(xiàng)，為電子工程師們提供了一個(gè)優(yōu)秀的音頻解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)深入理解其工作原理、掌握應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)和寄存器配置方法，可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音頻播放。隨著音頻技術(shù)的不斷發(fā)展，相信SSM3582在未來(lái)的音頻設(shè)備中將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用前景。

電子工程師們?cè)谑褂肧SM3582進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不妨思考如何進(jìn)一步優(yōu)化其性能，例如如何在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中更好地平衡功率和音質(zhì)，如何利用其豐富的功能特性開(kāi)發(fā)出更具創(chuàng)新性的音頻產(chǎn)品。同時(shí)，也可以關(guān)注相關(guān)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，不斷探索新的設(shè)計(jì)思路和方法。