TAS5806MD音頻放大器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用全解析

在音頻設(shè)備的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款性能卓越的音頻放大器能為產(chǎn)品帶來質(zhì)的飛躍。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）的TAS5806MD——一款23 - W、無電感、數(shù)字輸入、立體聲、閉環(huán)D類音頻放大器，它集成了增強(qiáng)處理功能和DirectPath?耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器，為音頻設(shè)計(jì)帶來了新的可能性。

文件下載：tas5806md.pdf

一、TAS5806MD的核心特性

1. 靈活的輸出配置

TAS5806MD支持多種輸出配置，在2.0模式下，能實(shí)現(xiàn)2x 23 W（8 Ω，21 V，THD + N = 1%）的輸出；在單聲道模式下，可達(dá)到45 W（4 Ω，21 V，THD + N = 1%）。這種多樣化的配置能滿足不同音頻系統(tǒng)的功率需求。

2. 出色的音頻性能

其總諧波失真加噪聲（THD + N）在1 W、1 kHz、PVDD = 12 V時(shí) ≤ 0.03%，信噪比（SNR）≥ 107 dB（A加權(quán)），噪聲水平 < 40 μVrms。如此優(yōu)異的指標(biāo)確保了音頻的高保真度，為用戶帶來純凈的聽覺體驗(yàn)。

3. 電源配置靈活性

電源方面，PVDD的電壓范圍為4.5 V至26.4 V，DVDD和I/O可選擇1.8 V或3.3 V。這種靈活性使得該放大器能適配多種電源系統(tǒng)，降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

4. 音頻輸入輸出的多樣性

音頻I/O接口豐富，支持I2S、LJ、RJ、TDM、3線數(shù)字音頻接口（無需MCLK），并支持32、44.1、48、88.2、96 kHz的采樣率。此外，SDOUT可用于音頻監(jiān)控、子聲道或回聲消除，為音頻處理提供了更多的可能性。

5. 增強(qiáng)的音頻處理能力

具備多頻段高級(jí)動(dòng)態(tài)范圍壓縮（DRC）和自動(dòng)增益限制（AGL）功能，還有2×15個(gè)雙二階濾波器（BQs）、熱折返、直流阻斷等特性。輸入混音器、輸出交叉開關(guān)和電平表的加入，以及針對(duì)低音炮聲道的5 BQs + 1頻段DRC + THD管理器，再加上聲場(chǎng)空間化選項(xiàng)，讓音頻處理更加精細(xì)和專業(yè)。

6. 集成的自我保護(hù)機(jī)制

該放大器具備相鄰引腳短路保護(hù)、過流錯(cuò)誤保護(hù)、過溫警告和錯(cuò)誤保護(hù)以及欠壓、過壓鎖定（UVLO，OVLO）功能，大大提高了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

7. 易于系統(tǒng)集成

采用I2C軟件控制，減少了外部元件的使用，相比開環(huán)設(shè)備所需的無源元件更少。在大多數(shù)PVDD ≤ 14 V的情況下，可實(shí)現(xiàn)無電感運(yùn)行（使用鐵氧體磁珠）。立體聲耳機(jī)和立體聲線路驅(qū)動(dòng)器可通過I2C調(diào)節(jié)增益，DirectPath技術(shù)消除了笨重的直流阻斷電容，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

二、TAS5806MD的應(yīng)用場(chǎng)景

TAS5806MD的應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋了LCD TV、OLED TV、無線揚(yáng)聲器、智能揚(yáng)聲器、條形音箱、有線揚(yáng)聲器、書架式立體聲系統(tǒng)、AV接收器、智能家居和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等領(lǐng)域。無論是家庭娛樂系統(tǒng)還是智能終端設(shè)備，它都能提供出色的音頻解決方案。

三、TAS5806MD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

1. 主要組成模塊

TAS5806MD集成了立體聲音頻DAC、音頻DSP子系統(tǒng)、靈活的閉環(huán)放大器、I2C控制端口以及集成的DirectPath?耳機(jī)放大器和線路驅(qū)動(dòng)器這5個(gè)主要模塊。設(shè)備正常運(yùn)行僅需三個(gè)電源：DVDD為低壓數(shù)字電路供電，HPVDD為耳機(jī)/線路驅(qū)動(dòng)器的電荷泵供電，PVDD為音頻放大器的輸出級(jí)供電。內(nèi)部的LDO將PVDD轉(zhuǎn)換為5 V供AVDD和內(nèi)部GVDD使用，另一個(gè)LDO將DVDD轉(zhuǎn)換為1.5 V供內(nèi)部數(shù)字核心使用。

2. 時(shí)鐘系統(tǒng)

該設(shè)備的時(shí)鐘系統(tǒng)具有靈活性，內(nèi)部所需的多個(gè)時(shí)鐘大多可從串行音頻接口派生而來。串行音頻接口通常有SCLK（位時(shí)鐘）、LRCLK/FS（左右字時(shí)鐘和幀同步）和SDIN（輸入數(shù)據(jù)）三個(gè)連接引腳。內(nèi)部PLL利用SCLK生成DSP和DAC所需的更高頻率時(shí)鐘。同時(shí)，設(shè)備具備音頻采樣率檢測(cè)電路，能自動(dòng)識(shí)別采樣頻率，支持常見的32 kHz、44.1 kHz - 48 kHz、88.2 kHz - 96 kHz音頻采樣頻率，并自動(dòng)設(shè)置DAC和DSP的時(shí)鐘。

3. 串行音頻端口

串行音頻接口是一個(gè)3線串行端口，SCLK用于將SDIN上的串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入到音頻接口的串行移位寄存器中，數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿被時(shí)鐘輸入。LRCK/FS在TDM模式下作為串行音頻左右字時(shí)鐘或幀同步信號(hào)。該設(shè)備支持多種音頻數(shù)據(jù)格式，包括標(biāo)準(zhǔn)I2S、左對(duì)齊、右對(duì)齊和TDM/DSP數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式通過寄存器選擇，所有格式均要求二進(jìn)制補(bǔ)碼、MSB優(yōu)先的音頻數(shù)據(jù)，最多可接受32位音頻數(shù)據(jù)。

4. 數(shù)字音頻處理

TAS5806MD的DSP具有固定的處理流程，與TAS5805M類似，具體可參考應(yīng)用筆記TAS5805M Process Flows。

5. 類D音頻放大器

經(jīng)過數(shù)字限幅器處理后的插值音頻數(shù)據(jù)被發(fā)送到閉環(huán)類D放大器，其第一級(jí)是數(shù)字到PWM轉(zhuǎn)換（DPC）模塊。在該模塊中，立體聲音頻數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為兩對(duì)互補(bǔ)的脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器放大器的輸出。DPC周圍的反饋環(huán)路確保了在不同電源電壓下的恒定增益，降低了失真，并提高了對(duì)電源注入噪聲和失真的抗干擾能力。設(shè)備的模擬增益也在類D放大器部分實(shí)現(xiàn)。

四、TAS5806MD的功能模式

1. 軟件控制

通過I2C通信端口對(duì)TAS5806MD進(jìn)行配置，I2C通信協(xié)議和時(shí)序要求在文檔中有詳細(xì)說明。

2. 揚(yáng)聲器放大器工作模式

• BTL模式：在BTL模式下，放大器放大兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)，分別代表立體聲信號(hào)的左右部分，放大后的左信號(hào)通過OUT_A+和OUT_A-輸出，右信號(hào)通過OUT_B+和OUT_B-輸出。
• PBTL模式：PBTL模式將設(shè)備的兩個(gè)輸出并聯(lián)，以增加功率輸出能力。在輸出端，可在濾波器之前或之后進(jìn)行合并。輸入端的信號(hào)為I2S或TDM數(shù)據(jù)中的左幀。

3. 低EMI模式

• 擴(kuò)頻技術(shù)：支持三角模式的擴(kuò)頻技術(shù)，可通過配置寄存器SS_CTRL0（0x6B）和SS_CTRL1（0x6C）來啟用擴(kuò)頻并選擇頻率和范圍，以降低EMI噪聲。
• 通道間相位偏移：支持通道間180度PWM相位偏移，進(jìn)一步減少EMI。
• 多設(shè)備PWM相位同步：在多設(shè)備應(yīng)用系統(tǒng)中，支持最多4個(gè)相位選擇，通過寄存器PHASE_CTRL（0x6A）進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間45度的相位偏移，從而降低EMI。

4. 熱折返

熱折返（TFB）功能用于保護(hù)設(shè)備免受過高結(jié)溫的影響。當(dāng)結(jié)溫達(dá)到過溫警告（OTW）水平（典型值為135°C）時(shí)，內(nèi)部AGL會(huì)自動(dòng)降低數(shù)字增益。當(dāng)結(jié)溫下降到OTW以下時(shí)，數(shù)字增益逐漸恢復(fù)到原來的設(shè)置。衰減增益和調(diào)節(jié)速率均可編程。

5. 耳機(jī)控制

可通過I2C命令對(duì)耳機(jī)/線路驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，包括增益控制和靜音/關(guān)機(jī)控制。

6. 設(shè)備狀態(tài)控制

TAS5806MD具有關(guān)機(jī)模式、深度睡眠模式、睡眠模式、輸出高阻模式和播放模式5種狀態(tài)，不同狀態(tài)下的功耗不同。通過相應(yīng)的寄存器設(shè)置可在不同狀態(tài)之間切換。

7. 設(shè)備調(diào)制

該設(shè)備有BD調(diào)制、1SPW調(diào)制和混合調(diào)制3種調(diào)制方案，可通過寄存器0x02 [1:0] - DAMP_MOD進(jìn)行選擇。

• BD調(diào)制：在驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載且揚(yáng)聲器線較短時(shí)，無需傳統(tǒng)的LC重建濾波器。輸出在0 V和電源電壓之間切換，OUTPx和OUTNx在無輸入時(shí)同相，正輸出電壓時(shí)OUTPx占空比大于50%，負(fù)輸出電壓時(shí)OUTPx占空比小于50%，可降低負(fù)載中的開關(guān)電流和I2R損耗。
• 1SPW調(diào)制：為了提高效率，對(duì)正常調(diào)制方案進(jìn)行了改進(jìn)，但會(huì)導(dǎo)致THD略有下降，且在輸出濾波器選擇上需要更多關(guān)注。在低靜態(tài)電流模式下，空閑時(shí)輸出調(diào)制約為14%，有音頻信號(hào)時(shí)一個(gè)輸出降低，另一個(gè)輸出增加，大部分音頻周期內(nèi)只有一個(gè)輸出進(jìn)行切換，從而減少了開關(guān)損耗。
• 混合調(diào)制：專為降低功耗而設(shè)計(jì)，同時(shí)不影響THD + N性能，適用于電池供電的應(yīng)用。設(shè)備會(huì)根據(jù)輸入信號(hào)電平動(dòng)態(tài)調(diào)整PWM占空比，實(shí)現(xiàn)超低靜態(tài)電流并保持音頻性能。

五、TAS5806MD的編程與控制

1. I2C串行通信總線

設(shè)備的雙向串行控制接口兼容I2C總線協(xié)議，作為從設(shè)備支持100和400 - kHz的數(shù)據(jù)傳輸速率，可進(jìn)行隨機(jī)和順序讀寫操作。由于寄存器映射和DSP內(nèi)存跨越多個(gè)頁(yè)面，用戶在寫入單個(gè)寄存器或DSP內(nèi)存之前需要進(jìn)行頁(yè)面切換，通過每個(gè)頁(yè)面的寄存器0來選擇頁(yè)面地址。

2. 從地址

TAS5806MD的從地址有7位，前5位（MSB）由工廠預(yù)設(shè)為01011（0x5x），后兩位可由ADR/FAULT引腳用戶定義。

3. 讀寫操作

包括隨機(jī)寫、順序?qū)?、隨機(jī)讀和順序讀操作，每種操作都有特定的通信流程和應(yīng)答機(jī)制。

4. DSP內(nèi)存更新

DSP內(nèi)存按書籍、頁(yè)面和寄存器進(jìn)行組織，用戶在寫入單個(gè)寄存器位或字節(jié)之前需要選擇正確的書籍和頁(yè)面。所有雙二階濾波器系數(shù)位于書籍0xAA中，每個(gè)雙二階濾波器的5個(gè)系數(shù)應(yīng)按順序從最低地址到最高地址完整寫入。

5. 校驗(yàn)和

支持循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）校驗(yàn)和和異或（XOR）校驗(yàn)和兩種校驗(yàn)方案，兩種校驗(yàn)和均為8位，可同時(shí)使用。通過向相應(yīng)的4字節(jié)寄存器位置寫入起始值（如0x 00 00 00 00）可重置校驗(yàn)和。

6. 啟動(dòng)和關(guān)機(jī)程序

• 啟動(dòng)程序：包括配置ADR/FAULT引腳、上電、等待電源穩(wěn)定后將PDN置高并啟動(dòng)SCLK和LRCLK、將設(shè)備設(shè)置為高阻狀態(tài)并啟用DSP、等待一段時(shí)間后初始化DSP系數(shù)，最后將設(shè)備設(shè)置為播放狀態(tài)。
• 關(guān)機(jī)程序：先將設(shè)備設(shè)置為高阻狀態(tài)或拉低PDN，等待至少6 ms（時(shí)間取決于LRCLK/FS速率、數(shù)字音量和數(shù)字音量下降速率），然后關(guān)閉電源。

7. 保護(hù)和監(jiān)控

• 過流關(guān)機(jī)（OCSD）：在嚴(yán)重短路事件中，如短路到PVDD或地，設(shè)備使用峰值電流檢測(cè)器，若峰值電流足夠大，受影響的通道將在 < 100 ns內(nèi)關(guān)閉。用戶可通過I2C重啟受影響的通道，OCSD事件會(huì)激活故障引腳并記錄在I2故障寄存器中。
• 直流檢測(cè)：若檢測(cè)到輸出電壓存在直流偏移，F(xiàn)AULTZ線將被拉低，OUTxx輸出將轉(zhuǎn)換為高阻抗，表示出現(xiàn)故障。

六、TAS5806MD的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

1. 應(yīng)用信息

• 自舉電容：輸出級(jí)使用高端NMOS驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)輸出端子需要一個(gè)自舉電容作為開關(guān)周期的浮動(dòng)電源，建議使用0.22 μF的電容連接相應(yīng)的輸出引腳（OUT_X）和自舉引腳（BST_X）。
• 電感選擇：需要確保峰值電流小于過流保護(hù)（OCP）值（5 A）。在電源啟動(dòng)、音樂播放和最大輸出功率三種情況下可能會(huì)出現(xiàn)高峰值電流。同一PVDD和開關(guān)頻率下，較大的電感意味著較小的靜態(tài)電流和較低的功耗。建議電感的飽和電流Isat大于放大器在啟動(dòng)和播放音頻時(shí)的峰值電流，且在峰值電流下的有效電感至少為表中電感值的80%。
• 電源去耦：為確保高效率、低THD和高PSRR，需要對(duì)電源進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜ヱ睢ｋ娫摧斎霊?yīng)使用質(zhì)量好、低ESL、低ESR且大于22 μF的電容進(jìn)行低頻噪聲旁路，同時(shí)在PVDD引腳附近放置1 μF或0.1 μF的電容進(jìn)行高頻去耦。
• 輸出EMI濾波：通常使用低通濾波器（L - C濾波器）來濾除PWM調(diào)制輸出的載波頻率，減少電磁輻射并平滑從電源汲取的電流波形。在低功率應(yīng)用中，可使用簡(jiǎn)單的鐵氧體磁珠或鐵氧體磁珠加電容替代傳統(tǒng)的大電感和電容；在高功率應(yīng)用中，需要使用大環(huán)形電感和薄膜電容。

2. 典型應(yīng)用

• 2.0（立體聲BTL）系統(tǒng)：兩個(gè)通道的數(shù)字輸入信號(hào)被放大后分別發(fā)送到兩個(gè)獨(dú)立的揚(yáng)聲器，有時(shí)放大后的信號(hào)會(huì)通過無源分頻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步按頻率分離。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求包括特定的電源供應(yīng)、I2C通信和外部存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)系數(shù)。設(shè)計(jì)過程包括硬件集成、揚(yáng)聲器調(diào)諧和軟件集成。
• 單聲道（PBTL）系統(tǒng)：TAS5806MD在單聲道應(yīng)用中可采用PBTL模式驅(qū)動(dòng)低音炮，提供更大的輸出功率。

七、TAS5806MD的電源供應(yīng)建議

設(shè)備需要PVDD、DVDD和HPVDD三個(gè)電源，其中PVDD為揚(yáng)聲器放大器的輸出級(jí)供電，DVDD為設(shè)備的低功率部分供電，HPVDD為耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電。電源的允許電壓范圍在推薦工作條件表中列出，兩個(gè)電源沒有特定的上電順序，但設(shè)備初始化后，PVDD必須保持在正常工作電壓范圍內(nèi)，一旦PVDD低于3.5 V，所有寄存器需要重新初始化。

八、TAS5806MD的布局建議

1. 布局準(zhǔn)則

• 音頻放大器通用準(zhǔn)則：具有開關(guān)輸出級(jí)的音頻放大器的布局和周邊支持組件的布局對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)（如熱性能、電磁兼容性（EMC）、設(shè)備可靠性和音頻性能）有重要影響。建議遵循應(yīng)用部分的設(shè)備和組件選擇指導(dǎo)以及布局示例部分的布局指導(dǎo)，并根據(jù)具體應(yīng)用目標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)修改。
• PVDD旁路電容放置的重要性：PVDD線上的小旁路電容應(yīng)盡可能靠近PVDD引腳放置，否則會(huì)增加系統(tǒng)的電磁干擾，影響設(shè)備的可靠性，甚至可能導(dǎo)致輸出引腳電壓超過絕對(duì)最大額定值，損壞設(shè)備。
• 優(yōu)化熱性能：為了優(yōu)化熱性能，PCB設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少熱阻路徑。避免在放大器附近放置其他發(fā)熱組件，使用更高層數(shù)的PCB提供更多的散熱能力，將設(shè)備放置在PCB遠(yuǎn)離邊緣的位置，避免用走線或過孔切斷熱量流動(dòng)，保持接地平面的連續(xù)性。同時(shí)，遵循推薦的PCB footprint、過孔排列和焊膏模板設(shè)計(jì)，以確保良好的熱傳遞和制造可行性。

2. 布局示例

文檔中提供了2.0（立體聲BTL）系統(tǒng)的3 - D布局示例，可供設(shè)計(jì)參考。

九、TAS5806MD的設(shè)備與文檔支持

1. 設(shè)備支持

包括設(shè)備術(shù)語(yǔ)解釋、開發(fā)支持等內(nèi)容，用戶可通過e2e音頻放大器論壇獲取更多關(guān)于定義和術(shù)語(yǔ)的信息，對(duì)于RDGUI軟件，可咨詢當(dāng)?shù)噩F(xiàn)場(chǎng)支持工程師。

2. 文檔更新通知

用戶可在ti.com上的設(shè)備產(chǎn)品文件夾中注冊(cè)“Alert me”，以接收文檔更新的每周摘要，并通過修訂歷史查看更改細(xì)節(jié)。

3. 社區(qū)資源

TI提供了E2E?在線社區(qū)和設(shè)計(jì)支持等資源，方便工程師之間的協(xié)作和問題解決。

4. 商標(biāo)與靜電放電注意事項(xiàng)

PowerPAD、E2E是德州儀器的商標(biāo)。由于設(shè)備的ESD保護(hù)有限，在存儲(chǔ)或處理時(shí)應(yīng)將引腳短路或放置在導(dǎo)電泡沫中，以防止MOS柵極受到靜電損壞。

5. 術(shù)語(yǔ)表

文檔提供了相關(guān)術(shù)語(yǔ)、首字母縮寫詞和定義的解釋。

十、機(jī)械、封裝與訂購(gòu)信息

文檔包含了TAS5806MD的機(jī)械、封裝和訂購(gòu)信息，包括不同訂購(gòu)部件號(hào)的狀態(tài)、材料類型、封裝、引腳數(shù)、包裝數(shù)量、載體、RoHS合規(guī)性、引腳鍍層/球材料、MSL評(píng)級(jí)/峰值回流溫度、工作溫度和部件標(biāo)記等詳細(xì)信息。同時(shí)，還提供了封裝材料信息、磁帶和卷軸信息、包裝尺寸、通用封裝視圖、封裝輪廓、示例電路板布局、示例模板設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

TAS5806MD以其豐富的特性、廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景和詳細(xì)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，為電子工程師在音頻設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供了一個(gè)強(qiáng)大而可靠的選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，工程師們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，充分發(fā)揮TAS5806MD的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)注意各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以確保設(shè)計(jì)出高性能、高可靠性的音頻產(chǎn)品。你在使用TAS5806MD的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。