TAS2320：高性能單聲道數(shù)字輸入D類揚(yáng)聲器放大器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在當(dāng)今的音頻設(shè)備設(shè)計(jì)中，對(duì)音質(zhì)、效率和集成度的要求越來越高。TI推出的TAS2320單聲道數(shù)字輸入D類揚(yáng)聲器放大器，以其卓越的性能和豐富的功能，為我們提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。下面，我們就來深入了解一下這款放大器。

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一、TAS2320的關(guān)鍵特性

強(qiáng)大的D類放大器

TAS2320能提供高達(dá)19W的輸出功率（在1% THD + N的條件下），并且支持15V的外部PVDD電源，這使得它能夠驅(qū)動(dòng)高功率的揚(yáng)聲器，滿足多種音頻應(yīng)用的需求。

一流的效率表現(xiàn)

它在效率方面表現(xiàn)出色，在1% TDH + N功率下效率可達(dá)93.2%。其空閑通道功率極低，在關(guān)閉噪聲門時(shí)為14.7mW，開啟噪聲門時(shí)僅為5.3mW。此外，還集成了1.8V VDD Y橋，進(jìn)一步優(yōu)化了電源效率。

高性能音頻通道

該放大器的音頻通道性能優(yōu)秀，空閑通道噪聲低至14.2μV A - wt，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到114.4dB，THD + N低至 - 90dB。同時(shí)，采用ERC和SSM技術(shù)，有效降低了EMI性能，芯片間的組延遲匹配小于1μs。

先進(jìn)的集成特性

具備信號(hào)檢測(cè)高效模式、高精度電源電壓監(jiān)控和溫度傳感器，還支持升壓共享次級(jí)設(shè)備以及外部Class - H升壓控制算法，這些特性使得TAS2320在復(fù)雜的音頻系統(tǒng)中也能穩(wěn)定高效地工作。

易于使用

支持HW引腳控制或基于I2C的控制方式，具有時(shí)鐘自動(dòng)開機(jī)/關(guān)機(jī)功能，能自動(dòng)檢測(cè)16至192kHz的時(shí)鐘速率，甚至可以在無MCLK的情況下工作。同時(shí)，它還具備熱保護(hù)和過流保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。

電源和用戶接口

TAS2320支持多種電源電壓，包括2.5V至5.5V的VBAT、1.65V至1.95V的VDD、1.8V或3.3V的IOVDD以及2.5V至15V的PVDD。其I2S/TDM接口支持8個(gè)通道，采用26引腳、0.4mm間距的QFN封裝，體積小巧，適合空間受限的應(yīng)用。

二、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

TAS2320的應(yīng)用場(chǎng)景十分豐富，涵蓋了智能語音音箱、藍(lán)牙和無線揚(yáng)聲器、樓宇自動(dòng)化設(shè)備、平板電腦、可穿戴設(shè)備以及筆記本電腦和臺(tái)式機(jī)等。無論是小型的便攜式音頻設(shè)備，還是大型的專業(yè)音響系統(tǒng)，TAS2320都能發(fā)揮出其優(yōu)勢(shì)。

三、詳細(xì)規(guī)格參數(shù)分析

絕對(duì)最大額定值

在各種電源電壓、輸出電壓、寄存器電壓和存儲(chǔ)溫度等方面，TAS2320都有明確的絕對(duì)最大額定值。例如，PVDD的電壓范圍為 - 0.3V至19V，超出這些范圍可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備永久損壞。

ESD額定值

該放大器具有較好的靜電放電防護(hù)能力，人體模型（HBM）的靜電放電額定值為 + 2000V，帶電設(shè)備模型（CDM）為 + 500V，這有助于在生產(chǎn)和使用過程中保護(hù)設(shè)備免受靜電損傷。

推薦工作條件

在不同的電源電壓、揚(yáng)聲器電阻、電感和環(huán)境溫度等條件下，給出了推薦的工作范圍。例如，VBAT的推薦電壓范圍為2.5V至5.5V，這能保證設(shè)備在正常工作時(shí)的性能和穩(wěn)定性。

熱信息

提供了詳細(xì)的熱性能參數(shù)，如結(jié)到環(huán)境的熱阻為51.5℃ / W，結(jié)到外殼（頂部）的熱阻為28.5℃ / W，結(jié)到電路板的熱阻為15.3℃ / W。這些參數(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)散熱方案至關(guān)重要，能夠確保設(shè)備在高溫環(huán)境下也能正常工作。

電氣特性

在典型的工作條件下，列出了放大器的各項(xiàng)電氣性能指標(biāo)，如輸出功率、系統(tǒng)效率、空閑通道噪聲、動(dòng)態(tài)范圍等。這些數(shù)據(jù)為我們?cè)u(píng)估設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的性能提供了依據(jù)。

時(shí)序要求

對(duì)于I2C和TDM接口，給出了詳細(xì)的時(shí)序要求，包括時(shí)鐘頻率、信號(hào)保持時(shí)間、建立時(shí)間等。正確遵循這些時(shí)序要求，才能確保設(shè)備之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

四、功能模式及特點(diǎn)

設(shè)備功能模式

TAS2320具有多種功能模式，包括硬件關(guān)機(jī)、硬件配置模式、軟件電源模式控制和軟件復(fù)位等。在硬件關(guān)機(jī)模式下，通過拉低SDZ引腳可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的關(guān)機(jī)，并且可以根據(jù)不同的配置選擇關(guān)機(jī)方式。

效率和節(jié)能模式

該放大器具備噪聲門和音樂效率模式兩種節(jié)能模式。噪聲門模式能夠檢測(cè)音頻信號(hào)中的靜音時(shí)段，自動(dòng)降低空閑通道的功耗，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間；音樂效率模式則能在音頻信號(hào)處于低功率狀態(tài)時(shí)，降低整體的 (I_{0}) 功耗。

故障和狀態(tài)監(jiān)控

在設(shè)備的電源啟動(dòng)過程中，電源復(fù)位電路會(huì)監(jiān)控VDD和IOVDD引腳，確保電源正常。在工作模式下，設(shè)備會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控內(nèi)部狀態(tài)和故障條件，并通過IRQZ中斷引腳和內(nèi)部 (I^{2} C) 中斷寄存器通知主機(jī)，方便我們及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理問題。

五、特性詳解

PurePath? Console 3軟件

推薦使用PurePath Console 3（PPC3）軟件對(duì)TAS2320進(jìn)行配置和優(yōu)化。該軟件可以下載和安裝，并且能夠根據(jù)我們的需求計(jì)算出合適的寄存器系數(shù)，幫助我們實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)備性能。

播放信號(hào)路徑

• 數(shù)字音量控制和放大器輸出電平：通過設(shè)置放大器的模擬增益和數(shù)字音量控制，可以精確控制音頻輸出的電壓。數(shù)字音量控制還支持軟音量漸變功能，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的平滑過渡。
• 高通濾波器：在音頻播放路徑中采用了一階高通濾波器，能夠防止過多的直流和低頻成分損壞揚(yáng)聲器。濾波器的截止頻率可以通過PPC3軟件進(jìn)行配置。
• D類放大器：集成的D類放大器具有低空閑通道噪聲、低失真和高PSRR的特點(diǎn)。它支持可編程的邊緣速率控制（ERC）和時(shí)鐘擴(kuò)展頻譜調(diào)制（SSM），可用于改善EMI性能。同時(shí)，還具備過流保護(hù)功能，提高了設(shè)備的可靠性。
• 電源跟蹤限幅器和防欠壓功能：TAS2320能夠監(jiān)測(cè)D類電源電壓和音頻信號(hào)，當(dāng)音頻信號(hào)峰值超過可編程閾值時(shí)，自動(dòng)降低增益，防止削波并延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。防欠壓（BOP）模塊可以對(duì)電池電源的瞬態(tài)下降做出快速響應(yīng)，進(jìn)一步保護(hù)設(shè)備。
• 音調(diào)發(fā)生器：可以通過配置內(nèi)部寄存器生成正弦音調(diào)，并且可以選擇與輸入音頻流混合或替換輸入音頻流。音調(diào)發(fā)生器的頻率和幅度可以通過PPC3軟件進(jìn)行編程。

數(shù)字音頻串行接口

提供了靈活的音頻串行接口（ASI），支持多種格式，如立體聲I2S、左對(duì)齊和TDM。單聲道音頻可以通過SDIN引腳輸入，SDOUT引腳可以傳輸多種數(shù)據(jù)，如I - sense、V - sense、PVDD電壓、VBAT電壓、芯片溫度等。

外部Class - H升壓控制器

實(shí)現(xiàn)了Class - H算法，通過控制外部電源，優(yōu)化系統(tǒng)效率，避免削波失真。通過CLH引腳輸出PWM信號(hào)，經(jīng)過外部RC濾波器轉(zhuǎn)換為模擬電壓，用于控制升壓轉(zhuǎn)換器。

電源電壓監(jiān)控

集成了SAR ADC，用于監(jiān)控電源電壓引腳。監(jiān)控到的電壓可用于設(shè)備的內(nèi)部功能和保護(hù)，還可以通過數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)總線或I2C寄存器讀取。同時(shí)，具備電壓保護(hù)功能，當(dāng)電壓超出閾值時(shí)，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉設(shè)備并設(shè)置相應(yīng)的故障寄存器。

熱保護(hù)

內(nèi)部的結(jié)溫監(jiān)測(cè)器可以保護(hù)設(shè)備免受過溫?fù)p壞。當(dāng)溫度超過閾值時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)，并設(shè)置過溫標(biāo)志。如果設(shè)置了重試功能，設(shè)備會(huì)在一定時(shí)間后嘗試重新啟動(dòng)。此外，還設(shè)有多個(gè)熱警告閾值，方便我們及時(shí)采取措施。

時(shí)鐘和PLL

在TDM/I2S模式下，設(shè)備根據(jù)SBCLK信號(hào)工作。它能夠自動(dòng)檢測(cè)輸入的PCM FSYNC和BCLK頻率，并自動(dòng)配置自身以播放音頻信號(hào)。同時(shí)，具備時(shí)鐘錯(cuò)誤檢測(cè)和保護(hù)功能，當(dāng)檢測(cè)到時(shí)鐘錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)并最小化噪聲。

數(shù)字IO引腳

支持1.8V和3.3V的IO電壓供應(yīng)，I2S數(shù)字輸入引腳具有可選的弱下拉功能，防止引腳浮空。

六、寄存器配置

TAS2320的寄存器分為多個(gè)頁面和書籍，通過配置這些寄存器可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的各種功能。

I2C控制接口

支持I2C控制協(xié)議，作為目標(biāo)設(shè)備可以在標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式和快速模式加下工作。通過SDA和SCL引腳，使用I2C協(xié)議進(jìn)行設(shè)備配置和狀態(tài)查詢。

I2C地址選擇

可以選擇四種不同的I2C目標(biāo)地址，并且具有全局地址功能，方便在多個(gè)設(shè)備同時(shí)使用時(shí)進(jìn)行快速配置。

I2C操作

詳細(xì)介紹了I2C的單字節(jié)和多字節(jié)讀寫操作的流程和方法，包括起始條件、地址傳輸、數(shù)據(jù)傳輸和停止條件等。

七、應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

應(yīng)用信息

TAS2320在工作時(shí)需要外部提供特定的電源電壓，建議使用PurePathTM Console 3（PPC3）軟件進(jìn)行配置，以優(yōu)化設(shè)備性能。

典型應(yīng)用

給出了TAS2320的典型應(yīng)用連接圖，包括電源、音頻輸入、控制接口等的連接方式。同時(shí)，推薦了一些外部組件的規(guī)格和參數(shù)，如電容器、電感器等。

設(shè)計(jì)和布局注意事項(xiàng)

• 電源供應(yīng)：電源的啟動(dòng)和關(guān)機(jī)順序有一定的要求，在電源啟動(dòng)時(shí)要確保SDZ引腳保持低電平，關(guān)機(jī)時(shí)要先靜音設(shè)備，再拉低SDZ引腳。VBAT電源電壓在任何時(shí)候都要保持在2.2V以上，以避免設(shè)備進(jìn)入欠壓鎖定狀態(tài)。
• 布局設(shè)計(jì)：在布局時(shí)，要使用寬走線傳輸高電流信號(hào)，盡量避免使用過孔。PGND信號(hào)要直接連接到電路板的接地平面，減少寄生電感。要避免高開關(guān)信號(hào)走線與敏感的低電壓信號(hào)相互耦合，同時(shí)減小高開關(guān)信號(hào)走線與接地/靜態(tài)節(jié)點(diǎn)之間的電容。去耦電容器要靠近設(shè)備放置，選擇小尺寸的封裝，以提高性能。

八、總結(jié)

TAS2320單聲道數(shù)字輸入D類揚(yáng)聲器放大器以其強(qiáng)大的性能、豐富的功能和易于使用的特點(diǎn)，為音頻設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求，合理配置寄存器，選擇合適的外部組件，并注意布局和電源設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮TAS2320的優(yōu)勢(shì)。你在使用類似放大器的過程中遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？不妨在評(píng)論區(qū)分享一下。