TAS2120：高效單聲道數(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)備市場(chǎng)中，對(duì)于高性能、高效率音頻放大器的需求日益增長(zhǎng)。TI推出的TAS2120單聲道數(shù)字輸入D類揚(yáng)聲器放大器，憑借其集成的升壓功能、先進(jìn)的特性以及出色的性能表現(xiàn)，成為了眾多電池供電系統(tǒng)的理想選擇。今天，我們就來(lái)深入探討一下TAS2120的特點(diǎn)、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、TAS2120的核心特性

（一）強(qiáng)大的放大器性能

TAS2120擁有強(qiáng)大的D類放大器，能夠提供高達(dá)8.2W的輸出功率（1% THD+N），同時(shí)集成了14.75V升壓功能，最大電流限制為5.1A。其效率表現(xiàn)堪稱一流，在1W、8Ω負(fù)載下效率可達(dá)91%，空閑通道功率低至14.7mW（噪聲門(mén)關(guān)閉）和5.3mW（噪聲門(mén)開(kāi)啟）。此外，它還集成了1.8V VDD Y橋和先進(jìn)的33mV步長(zhǎng)的H類升壓功能，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)效率。

（二）高性能音頻通道

該放大器的音頻通道性能卓越，空閑通道噪聲低至4.2μV A - wt.，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到114.4dB，THD+N低至 - 90dB。同時(shí)，它還具備低EMI性能，通過(guò)ERC和SSM技術(shù)有效降低了電磁干擾。

（三）先進(jìn)的集成特性

TAS2120集成了信號(hào)檢測(cè)高效模式、高精度電源電壓監(jiān)測(cè)和溫度傳感器等功能，還支持以39mA步長(zhǎng)進(jìn)行可編程電池電流限制，以及兩個(gè)設(shè)備之間的升壓共享和外部H類升壓控制算法。

（四）易用性設(shè)計(jì)

在使用方面，TAS2120提供了硬件引腳控制或基于I2C的控制方式，支持內(nèi)部升壓或外部PVDD供電，具備基于時(shí)鐘的電源上下電功能、自動(dòng)時(shí)鐘速率檢測(cè)（16至192kHz）和無(wú)MCLK操作，同時(shí)還具備熱保護(hù)和過(guò)流保護(hù)功能。

二、TAS2120的應(yīng)用場(chǎng)景

TAS2120的應(yīng)用范圍非常廣泛，適用于各種需要高性能音頻放大的設(shè)備，如智能語(yǔ)音音箱、藍(lán)牙和無(wú)線揚(yáng)聲器、樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)、平板電腦、可穿戴設(shè)備以及筆記本電腦和臺(tái)式計(jì)算機(jī)等。

三、TAS2120的詳細(xì)描述

（一）功能框圖

TAS2120的功能框圖展示了其各個(gè)模塊的組成和連接方式。它主要包括管理電源、數(shù)字核心、數(shù)字音頻接口、濾波器/控制、D類放大器、效率算法、控制接口、電池和溫度監(jiān)測(cè)以及設(shè)備保護(hù)等模塊。這些模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)的高效處理和放大。

（二）設(shè)備功能模式

1. 硬件關(guān)機(jī)模式：通過(guò)將SDZ引腳拉低，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的關(guān)機(jī)。根據(jù)SDZ_MODE寄存器的設(shè)置，關(guān)機(jī)行為有所不同。在不同的設(shè)置下，設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)正常的關(guān)機(jī)順序或立即關(guān)機(jī)，同時(shí)在關(guān)機(jī)模式下，設(shè)備的功耗可以降至最低。
2. 硬件配置模式：TAS2120可以通過(guò)選擇引腳（SEL1 - SEL5）的電阻端接來(lái)實(shí)現(xiàn)基于引腳控制的硬件模式，這種模式可以簡(jiǎn)化設(shè)備的配置，無(wú)需通過(guò)I2C通信進(jìn)行軟件配置。
3. 軟件電源模式控制和軟件復(fù)位：通過(guò)I2C接口修改配置寄存器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備電源狀態(tài)的控制。設(shè)備可以處于活動(dòng)模式、軟件關(guān)機(jī)模式或基于時(shí)鐘的活動(dòng)和關(guān)機(jī)狀態(tài)。同時(shí)，通過(guò)設(shè)置SW_RESET寄存器，可以將設(shè)備復(fù)位到默認(rèn)配置。
4. 效率和節(jié)能模式：TAS2120具備多種節(jié)能模式，如噪聲門(mén)模式、音樂(lè)效率模式、VDD Y橋模式和H類升壓模式等。這些模式可以根據(jù)音頻信號(hào)的條件自動(dòng)切換，以實(shí)現(xiàn)最高的系統(tǒng)效率。
5. 2S電池模式：TAS2120可以配置為適用于不同的電池系統(tǒng)，如單節(jié)鋰離子電池（1S）或雙節(jié)串聯(lián)電池（2S）。在2S電池模式下，需要對(duì)電池電壓監(jiān)測(cè)和內(nèi)部偏置電壓進(jìn)行相應(yīng)的配置。
6. 外部PVDD模式：通過(guò)將BST_EN寄存器設(shè)置為低電平，可以禁用內(nèi)部升壓功能，使設(shè)備直接由外部PVDD電源供電。在這種模式下，需要使用PPC3軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置。
7. 故障和狀態(tài)監(jiān)測(cè)：設(shè)備在開(kāi)機(jī)過(guò)程中會(huì)監(jiān)測(cè)VDD和IOVDD引腳的電源狀態(tài)，當(dāng)電源電壓低于UVLO閾值時(shí)，設(shè)備會(huì)立即復(fù)位。在運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備會(huì)監(jiān)測(cè)內(nèi)部狀態(tài)和故障條件，并通過(guò)IRQZ中斷引腳和內(nèi)部I2C中斷寄存器向主機(jī)通知錯(cuò)誤和狀態(tài)信息。

四、TAS2120的特性描述

（一）PurePath? Console 3軟件

PurePath Console 3（PPC3）軟件是配置TAS2120的推薦工具。通過(guò)該軟件，可以計(jì)算必要的寄存器系數(shù)，優(yōu)化設(shè)備的性能參數(shù)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

（二）播放信號(hào)路徑

1. 數(shù)字音量控制和放大器輸出電平：音頻輸入到揚(yáng)聲器終端的增益可以通過(guò)設(shè)置放大器的模擬增益水平和數(shù)字音量控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字音量控制可以在通道活動(dòng)時(shí)進(jìn)行修改，并且支持軟音量漸變功能，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的平滑過(guò)渡。
2. 高通濾波器：為了防止音頻播放信號(hào)中的直流和低頻成分損壞揚(yáng)聲器，播放路徑中采用了一階高通濾波器。該濾波器的截止頻率可以通過(guò)PPC3軟件進(jìn)行配置。
3. D類放大器：TAS2120集成了高性能的D類放大器，具有低空閑通道噪聲、低失真和高PSRR等特點(diǎn)。放大器的開(kāi)關(guān)頻率由SBCLK頻率派生而來(lái)，并與輸入時(shí)鐘源同步。同時(shí)，它還支持可編程邊緣速率控制和時(shí)鐘擴(kuò)展頻譜調(diào)制，以降低EMI。此外，放大器還具備過(guò)流保護(hù)和輸出阻抗控制功能。
4. 供電跟蹤限幅器和欠壓保護(hù)：TAS2120可以監(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(guò)可編程閾值時(shí)，自動(dòng)降低增益，以防止信號(hào)削波并延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。欠壓保護(hù)模塊可以對(duì)電池供電的瞬態(tài)下降做出快速響應(yīng)，通過(guò)調(diào)整增益來(lái)避免設(shè)備因欠壓而損壞。
5. 音調(diào)發(fā)生器：設(shè)備可以通過(guò)集成的音調(diào)發(fā)生器內(nèi)部生成正弦音調(diào)。音調(diào)的頻率和幅度可以通過(guò)PPC3軟件進(jìn)行編程，并且可以與輸入音頻流混合或替換輸入音頻流。
6. 數(shù)字音頻串行接口：TAS2120提供了靈活的音頻串行接口（ASI）端口，支持多種格式，如立體聲I2S、左對(duì)齊和TDM。單聲道音頻播放可以通過(guò)SDIN引腳實(shí)現(xiàn)，SDOUT引腳可以傳輸多種采樣流，包括PVDD電壓、VBAT電壓、芯片溫度、狀態(tài)和音頻等信息。
7. 內(nèi)部升壓：TAS2120的內(nèi)部升壓算法可以根據(jù)電池電壓和數(shù)字音頻流自動(dòng)啟用升壓功能。升壓可以配置為低浪涌（Class - G）或高效（Class - H）模式，通過(guò)BST_MODE寄存器進(jìn)行設(shè)置。同時(shí)，升壓的最大電壓、最小脈沖頻率和峰值電流限制等參數(shù)都可以通過(guò)PPC3軟件進(jìn)行配置。
8. 升壓共享：TAS2120支持與非升壓設(shè)備（如TAS2320）進(jìn)行升壓共享，以減少電路板的尺寸和優(yōu)化BOM成本。在共享升壓配置中，需要注意設(shè)備的上電順序和相關(guān)參數(shù)的配置。
9. 外部H類升壓控制器：設(shè)備實(shí)現(xiàn)了H類算法，允許用戶通過(guò)控制外部電源來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)效率。通過(guò)CLH引腳生成的PWM信號(hào)，可以控制外部升壓轉(zhuǎn)換器，以提供足夠的動(dòng)態(tài)范圍而不產(chǎn)生削波失真。
10. 電源電壓監(jiān)測(cè)：TAS2120集成了SAR ADC，可以監(jiān)測(cè)電源電壓引腳。監(jiān)測(cè)到的電壓用于內(nèi)部設(shè)備功能、保護(hù)和數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)SEL_VBAT_MODE寄存器，可以選擇監(jiān)測(cè)VBAT或VBAT_SNS引腳的電壓。同時(shí)，設(shè)備還具備電壓保護(hù)功能，當(dāng)電壓超過(guò)保護(hù)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。
11. 熱保護(hù)：設(shè)備內(nèi)部的溫度監(jiān)測(cè)器可以保護(hù)設(shè)備免受過(guò)熱損壞。當(dāng)內(nèi)部溫度超過(guò)過(guò)熱閾值時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)并設(shè)置過(guò)熱標(biāo)志。同時(shí)，設(shè)備還具備熱警告閾值，可以在溫度接近關(guān)機(jī)閾值時(shí)發(fā)出中斷或標(biāo)志。
12. 時(shí)鐘和PLL：在TDM/I2S模式下，設(shè)備由SBCLK驅(qū)動(dòng)。不同的采樣率和SBCLK到FSYNC比率對(duì)應(yīng)著不同的有效SBCLK頻率。設(shè)備可以自動(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)，設(shè)備還具備時(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)以避免產(chǎn)生噪聲。
13. 數(shù)字IO引腳：TAS2120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，以防止引腳浮空。

五、TAS2120的寄存器映射

TAS2120的寄存器被組織成頁(yè)和書(shū)，不同的頁(yè)包含了不同的配置寄存器。通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的寄存器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的各種功能進(jìn)行配置和控制。

六、TAS2120的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)

（一）應(yīng)用信息

TAS2120需要外部電源供應(yīng)，包括VBAT（2.5V - 5.5V）、VDD（1.65V - 1.95V）和IOVDD（1.8V或3.3V）。推薦使用PurePath? Console 3（PPC3）軟件來(lái)配置設(shè)備，以優(yōu)化其性能參數(shù)。

（二）典型應(yīng)用

文檔中給出了內(nèi)部升壓和外部PVDD模式的典型應(yīng)用連接圖。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意電源引腳的連接和布線，使用寬走線以減少寄生電感，同時(shí)將去耦電容放置在靠近設(shè)備引腳的位置。

（三）設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮電源供應(yīng)電流、LC濾波器截止頻率等參數(shù)。同時(shí)，需要注意IRQZ引腳的使用，避免因該引腳拉高而導(dǎo)致額外的電流消耗。

（四）詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

1. 單聲道/立體聲配置：設(shè)備默認(rèn)工作在單聲道模式，通過(guò)改變I2C地址可以支持立體聲或多聲道操作。
2. 升壓轉(zhuǎn)換器無(wú)源器件：升壓轉(zhuǎn)換器需要多個(gè)無(wú)源器件，如電感和電容。電感的飽和電流應(yīng)大于ILIM + 5%，以確保能夠提供D類峰值功率。同時(shí)，電感和電容的比值需要滿足一定的要求，以保證升壓的穩(wěn)定性。
3. EMI無(wú)源器件：為了進(jìn)一步降低EMI，可以在D類輸出端添加無(wú)源器件。在選擇EMI濾波器的組件值時(shí)，需要根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的截止頻率和低直流電阻的組件，以提高系統(tǒng)效率。
4. 其他無(wú)源器件：GREG電容需要滿足一定的規(guī)格要求，并與PVDD引腳進(jìn)行正確的連接。所有去耦電容應(yīng)放置在靠近設(shè)備的位置，選擇小封裝尺寸以減少ESL，并通過(guò)多個(gè)過(guò)孔將電容的接地端與接地平面連接，以減少接地回路的電阻。

（五）應(yīng)用性能曲線

文檔中給出了THD + N與輸出功率、效率與輸出功率的關(guān)系曲線，這些曲線可以幫助工程師了解設(shè)備在不同條件下的性能表現(xiàn)，從而進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

（六）注意事項(xiàng)

在使用TAS2120時(shí)，需要注意IRQZ引腳的使用，避免因該引腳拉高而導(dǎo)致額外的電流消耗。同時(shí)，在設(shè)備的上電和下電過(guò)程中，需要遵循一定的順序，以確保設(shè)備的正常工作。

七、TAS2120的布局建議

（一）布局指南

在布局時(shí)，應(yīng)使用寬走線來(lái)承載高電流信號(hào)，并盡量避免使用過(guò)孔。如果無(wú)法避免過(guò)孔，應(yīng)使用多個(gè)過(guò)孔以降低寄生電感。同時(shí)，應(yīng)避免高開(kāi)關(guān)信號(hào)走線與敏感的低電壓信號(hào)之間的耦合，以及高開(kāi)關(guān)線路與接地/靜態(tài)節(jié)點(diǎn)之間的電容耦合。去耦電容應(yīng)放置在靠近設(shè)備的位置，選擇小封裝尺寸以減少ESL，并通過(guò)多個(gè)過(guò)孔將電容的接地端與接地平面連接。

（二）布局示例

文檔中給出了TAS2120的布局示例，包括頂層和底層的布局圖。這些示例可以為工程師提供參考，幫助他們?cè)O(shè)計(jì)出合理的電路板布局。

八、總結(jié)

TAS2120是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的單聲道數(shù)字輸入D類揚(yáng)聲器放大器。它具有多種先進(jìn)的特性和功能，適用于各種音頻應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要充分了解設(shè)備的特性和要求，選擇合適的外部組件，進(jìn)行合理的布局和布線，以確保設(shè)備能夠發(fā)揮出最佳性能。同時(shí)，使用PurePath? Console 3軟件可以幫助工程師優(yōu)化設(shè)備的配置，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。希望本文對(duì)各位電子工程師在使用TAS2120進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)有所幫助。

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