TAS5751M數(shù)字輸入音頻功率放大器深度解析

在音頻設(shè)備的設(shè)計領(lǐng)域，一款性能卓越的音頻功率放大器往往是提升音質(zhì)和用戶體驗的關(guān)鍵。TAS5751M作為一款數(shù)字輸入音頻功率放大器，憑借其高效、多功能等特性，廣泛應(yīng)用于LCD TV、LED TV以及低成本音頻設(shè)備等領(lǐng)域。今天，我們就來深入剖析TAS5751M的各項特性、應(yīng)用場景以及設(shè)計要點。

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一、TAS5751M概覽

TAS5751M是一款專為驅(qū)動橋接負載（BTL）立體聲揚聲器而設(shè)計的高效數(shù)字輸入音頻放大器。在并聯(lián)橋接負載（PBTL）模式下，它能通過將并聯(lián)輸出驅(qū)動到單個較低阻抗負載來產(chǎn)生更高的功率。其單串行數(shù)據(jù)輸入可處理多達兩個離散音頻通道，能與大多數(shù)數(shù)字音頻處理器和MPEG解碼器無縫集成，并且能接受廣泛的輸入數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)速率，通過完全可編程的數(shù)據(jù)路徑將這些通道路由到內(nèi)部揚聲器驅(qū)動器。

該設(shè)備是一個僅從外部源接收所有時鐘的從設(shè)備，其PWM載波的開關(guān)速率在384kHz至288kHz之間，具體取決于輸入采樣率。過采樣與四階噪聲整形器相結(jié)合，在20Hz至20kHz的音頻頻段內(nèi)提供了平坦的本底噪聲和出色的動態(tài)范圍。

二、關(guān)鍵特性剖析

（一）音頻輸入/輸出特性

• 采樣率支持：支持44.1kHz和48kHz采樣率（LJ/RJ/I2S），還支持3線I2S模式（無需MCLK），并具備自動音頻端口速率檢測功能，為不同音頻源的接入提供了便利。
• 負載配置：支持BTL和PBTL配置，在PVDD = 20V、8Ω、1kHz條件下，POUT可達25W（10% THD+N），能滿足不同功率需求的應(yīng)用。

（二）音頻/PWM處理特性

• 音量控制：獨立通道音量控制，增益范圍從24dB到靜音，步長為0.125dB，可實現(xiàn)精細的音量調(diào)節(jié)。
• 自動增益限制：可編程的三頻段自動增益限制（AGL）功能，能有效防止音頻信號過載，保證音頻的穩(wěn)定性和清晰度。
• 音頻處理：擁有20個可編程雙二階濾波器，可用于揚聲器均衡和其他音頻處理功能，進一步優(yōu)化音頻質(zhì)量。

（三）通用特性

• 高信噪比：A加權(quán)信噪比達106dB（參考滿量程0dB），能有效減少噪聲干擾，提升音頻的純凈度。
• 控制接口：采用I2C串行控制接口，具有兩個地址，方便與其他設(shè)備進行通信和控制。
• 保護功能：具備熱保護、短路保護和欠壓保護等功能，提高了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。
• 高效節(jié)能：效率高達90%，有助于降低功耗，延長設(shè)備的使用壽命。
• 調(diào)制方式：支持AD、BD和三元調(diào)制，以及PWM電平計功能，為音頻處理提供了更多的靈活性。

三、規(guī)格參數(shù)解讀

（一）絕對最大額定值

了解設(shè)備的絕對最大額定值對于確保設(shè)備的安全和可靠運行至關(guān)重要。TAS5751M的絕對最大額定值涵蓋了電源電壓、輸入電壓、輸出電壓、工作溫度和存儲溫度等多個方面。例如，DVDD、AVDD、DR_VDD的電源電壓范圍為 - 0.3V至3.6V，PVDD的電源電壓最大為30V；輸入電壓方面，3.3V數(shù)字輸入的范圍為 - 0.5V至DVDD + 0.5V等。需要注意的是，超過這些額定值可能會導(dǎo)致設(shè)備永久性損壞，因此在設(shè)計時必須嚴格遵守。

（二）ESD額定值

靜電放電（ESD）是電子設(shè)備在生產(chǎn)、運輸和使用過程中常見的問題，可能會對設(shè)備造成損害。TAS5751M的人體模型（HBM）ESD額定值為±4000V，帶電設(shè)備模型（CDM）ESD額定值為±1500V，這表明該設(shè)備具有一定的抗靜電能力，但在實際應(yīng)用中仍需采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施。

（三）推薦工作條件

推薦工作條件是設(shè)備正常運行的最佳參數(shù)范圍。TAS5751M的推薦工作條件包括電源電壓、輸入電壓、工作溫度、負載阻抗等。例如，DVDD和AVDD的推薦電源電壓為3V至3.6V，PVDD的推薦電源電壓為8V至26.4V；工作環(huán)境溫度范圍為0°C至85°C等。在設(shè)計時，應(yīng)盡量使設(shè)備工作在這些推薦條件下，以確保其性能和可靠性。

（四）熱特性

熱特性對于音頻放大器的性能和可靠性有著重要影響。TAS5751M的熱特性參數(shù)包括結(jié)到環(huán)境熱阻、結(jié)到外殼熱阻、結(jié)到電路板熱阻等。不同的測試條件下，這些熱阻參數(shù)會有所不同。例如，在JEDEC標(biāo)準(zhǔn)2層PCB上，結(jié)到環(huán)境熱阻為49.9°C/W；在JEDEC標(biāo)準(zhǔn)4層PCB上，結(jié)到環(huán)境熱阻為26.2°C/W。在設(shè)計PCB時，應(yīng)充分考慮這些熱特性參數(shù)，采取適當(dāng)?shù)纳岽胧?，以確保設(shè)備的溫度在合理范圍內(nèi)。

（五）電氣特性和揚聲器放大器特性

電氣特性和揚聲器放大器特性直接關(guān)系到設(shè)備的音頻性能。這些特性包括輸出功率、總諧波失真+噪聲（THD+N）、輸出集成噪聲、串?dāng)_、信噪比等。例如，在PVDD = 18V、BTL AD模式、AVDD = DVDD = 3.3V、fS = 48kHz、RL = 8Ω、音頻頻率 = 1kHz、AES17濾波器、fPWM = 384kHz、TA = 25°C的條件下，POUT可達21.5W（10% THD），THD+N低至0.07%（PO = 1W），信噪比高達106dB等。通過這些參數(shù)，我們可以評估設(shè)備在不同條件下的音頻性能，為設(shè)計提供參考。

（六）保護特性

保護特性是確保設(shè)備安全運行的重要保障。TAS5751M具備過流保護、欠壓保護、過溫保護等功能。例如，過流保護限制為4A，欠壓保護限制在PVDD下降時為5.4V，上升時為5.8V，過溫保護在設(shè)備結(jié)溫超過150°C（標(biāo)稱值）時啟動。這些保護功能可以有效防止設(shè)備因異常情況而損壞，提高設(shè)備的可靠性。

（七）時鐘特性和接口時序要求

時鐘特性和接口時序要求對于設(shè)備的正常通信和數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要。TAS5751M的主時鐘特性包括MCLK頻率范圍為2.8224MHz至24.576MHz，MCLK占空比為40%至60%等。I2C接口時序要求和串行音頻端口時序要求規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間參數(shù)，如SCL頻率、SCLK頻率、LRCK頻率、數(shù)據(jù)的建立時間和保持時間等。在設(shè)計時，必須嚴格按照這些時序要求進行電路設(shè)計，以確保設(shè)備之間的正常通信和數(shù)據(jù)傳輸。

四、典型特性分析

（一）立體聲BTL模式

在立體聲BTL模式下，TAS5751M的輸出功率與電源電壓、空閑通道噪聲與電源電壓、THD+N與頻率、THD+N與輸出功率、功率效率與輸出功率以及串?dāng)_與頻率等特性都有特定的表現(xiàn)。通過分析這些特性曲線，我們可以了解設(shè)備在不同電源電壓、輸出功率和頻率下的性能變化。例如，輸出功率隨著電源電壓的增加而增加，但在達到一定值后會受到電流源限制和EVM熱限制的影響；THD+N在低頻和高頻段相對較高，在中頻段較低等。這些特性曲線為我們在實際應(yīng)用中選擇合適的電源電壓、輸出功率和頻率提供了重要參考。

（二）單聲道PBTL模式

單聲道PBTL模式下，TAS5751M的輸出功率與電源電壓、THD+N與輸出功率、THD+N與頻率、功率效率與輸出功率等特性也有其特點。與立體聲BTL模式相比，單聲道PBTL模式可以提供更高的輸出功率，適用于需要驅(qū)動單個大功率揚聲器的應(yīng)用場景，如低音炮等。通過分析這些特性曲線，我們可以優(yōu)化設(shè)備在單聲道PBTL模式下的性能。

五、功能模塊詳解

（一）時鐘、自動檢測和PLL

TAS5751M是一個I2S從設(shè)備，接受MCLK、SCLK和LRCK。數(shù)字音頻處理器（DAP）支持時鐘控制寄存器中定義的所有采樣率和MCLK速率。設(shè)備會自動檢測SCLK是否為32fS、48fS或64fS，并確保DAP僅支持1×fS的LRCK。當(dāng)MCLK不穩(wěn)定、超出范圍或缺失時，設(shè)備會使用內(nèi)部振蕩器時鐘來產(chǎn)生內(nèi)部時鐘（DCLK），其頻率為PWM開關(guān)頻率的512倍。此外，設(shè)備還具備強大的時鐘錯誤處理功能，能在檢測到時鐘變化或錯誤時，迅速靜音音頻并調(diào)整PLL，待時鐘穩(wěn)定后恢復(fù)正常運行。

（二）PWM部分

PWM部分采用噪聲整形和定制的非線性校正算法，以實現(xiàn)高功率效率和高性能的數(shù)字音頻再現(xiàn)。通過四階噪聲整形器，提高了音頻頻段的動態(tài)范圍和信噪比。該部分接受來自DAP的24位PCM數(shù)據(jù)，并輸出兩個BTL PWM音頻輸出通道。同時，PWM部分還具備獨立通道的直流阻塞濾波器，可調(diào)節(jié)最大調(diào)制限制在93.8%至99.2%之間，對于PVDD > 18V的情況，調(diào)制指數(shù)必須限制在96.1%以下，以確保安全可靠運行。

（三）PWM電平計

PWM電平計可用于研究功率分布。它可以輸出兩個通道的32位電平信息，幫助我們了解音頻信號的功率特性，為音頻處理和優(yōu)化提供依據(jù)。

（四）自動增益限制器（AGL）

AGL方案包含三個AGL模塊，分別用于高頻段、中頻段和低頻段的左右聲道。每個AGL模塊具有可調(diào)的閾值電平、可編程的攻擊和衰減時間常數(shù)，能夠自動調(diào)整音量，實現(xiàn)專業(yè)級的動態(tài)范圍壓縮，避免音頻信號過載和失真。

（五）耳機/線路放大器

TAS5751M集成了接地中心的DirectPath組合耳機放大器和線路驅(qū)動器，可獨立于設(shè)備的揚聲器放大器模式使用。通過DR_SDI引腳可以控制耳機放大器和線路驅(qū)動器的開關(guān)，該放大器利用IC產(chǎn)生的正負電源軌，輸出電壓以零伏為中心，具備擺幅到正負電源軌的能力，并內(nèi)置了咔嗒聲和爆音抑制電路，無需輸出直流阻塞電容。

（六）故障指示

ADR/FAULT引腳在開機時為輸入引腳，可通過對I2C寄存器0x05的位0寫入1將其編程為輸出引腳。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)過流、欠壓、過溫或過壓等故障時，該引腳會拉低，同時在寄存器0x02的D1位提供鎖存版本的故障信號，該位只能通過I2C寫入進行復(fù)位。

（七）SSTIMER引腳功能

SSTIMER引腳通過連接一個電容到地，控制設(shè)備在退出全通道關(guān)機時的輸出占空比。電容通過內(nèi)部電流源緩慢充電，充電時間決定了輸出從接近零占空比過渡到所需占空比的速率，從而實現(xiàn)平滑過渡，減少可聽的咔嗒聲和爆音。在設(shè)備關(guān)機時，驅(qū)動器處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，并通過內(nèi)部3kΩ電阻緩慢過渡，同樣能減少咔嗒聲和爆音。對于BD調(diào)制，SSTIMER引腳可以懸空。

（八）設(shè)備保護系統(tǒng)

• 過流保護：TAS5751M在所有高端和低端功率級FET上都配備了獨立、快速響應(yīng)的電流檢測器。當(dāng)檢測到輸出電流超過過流閾值時，設(shè)備會立即關(guān)閉，輸出進入關(guān)斷或高阻抗?fàn)顟B(tài)，待故障條件消除后恢復(fù)正常運行。
• 過溫保護：當(dāng)設(shè)備結(jié)溫超過150°C（標(biāo)稱值）時，設(shè)備進入熱關(guān)機狀態(tài)，所有半橋輸出進入高阻抗?fàn)顟B(tài)，ADR/FAULT引腳拉低。當(dāng)結(jié)溫下降約30°C后，設(shè)備自動恢復(fù)正常運行。
• 欠壓保護和上電復(fù)位：UVP和POR電路在設(shè)備上電、掉電和欠壓情況下提供全面保護。上電時，POR電路復(fù)位過載電路，確保所有電路在PVDD和AVDD電源電壓分別達到7.6V和2.7V時完全正常工作。當(dāng)PVDD電源電壓下降到欠壓保護限制以下時，所有半橋輸出進入高阻抗?fàn)顟B(tài)，ADR/FAULT引腳拉低。

六、設(shè)備功能模式

（一）串行音頻端口操作模式

串行音頻端口支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的音頻數(shù)據(jù)格式，包括I2S、左對齊（LJ）和右對齊（RJ）格式。通過串行數(shù)據(jù)接口寄存器0x04可以選擇要使用的數(shù)據(jù)格式，默認格式為24位I2S模式。

（二）通信端口操作模式

TAS5751M通過I2C通信端口進行配置，I2C通信協(xié)議規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷胶蜁r序。該設(shè)備支持100kHz和400kHz的數(shù)據(jù)傳輸速率，用于單字節(jié)和多字節(jié)的讀寫操作。

（三）揚聲器放大器模式

• 立體聲模式：這是TAS5751M最常見的工作模式，可連接成2.0模式驅(qū)動立體聲通道，適用于大多數(shù)立體聲音頻應(yīng)用場景。
• 單聲道模式：在單聲道模式下，放大器的兩個BTL輸出并聯(lián)，以提高輸出功率能力，常用于驅(qū)動需要更大功率的低音炮等揚聲器。

七、編程要點

（一）I2C串行控制接口

TAS5751M的I2C接口是一個雙向接口，兼容Inter IC（I2C）總線協(xié)議，支持100kHz和400kHz的數(shù)據(jù)傳輸速率，用于單字節(jié)和多字節(jié)的讀寫操作。該設(shè)備是一個僅從設(shè)備，不支持多主總線環(huán)境或等待狀態(tài)插入。通過I2C接口可以對設(shè)備的寄存器進行編程和讀取設(shè)備狀態(tài)。

（二）I2C設(shè)備地址設(shè)置和更改

ADR/FAULT引腳在開機和每次RST切換后用于設(shè)置I2C子地址。通過將該引腳拉低或拉高，可以將I2C子地址設(shè)置為0x54或0x56。如果需要更改設(shè)備地址，需要按照特定的步驟進行操作，即先向設(shè)備地址更改使能寄存器0xF8寫入0xF9A5 A5A5，再向設(shè)備寄存器0xF9寫入新地址，后續(xù)的寫入操作應(yīng)使用新的設(shè)備地址。

（三）單字節(jié)和多字節(jié)傳輸

串行控制接口支持子地址0x00至0x1F的單字節(jié)和多字節(jié)讀寫操作，對于子地址0x20至0xFF，僅支持多字節(jié)讀寫操作（以4字節(jié)為單位）。在多字節(jié)讀寫操作中，需要注意數(shù)據(jù)的完整性和正確性，確保設(shè)備能夠正確處理和響應(yīng)。

（四）串行數(shù)據(jù)接口和時序

串行數(shù)據(jù)通過SDIN輸入，PWM輸出源自SDIN。TAS5751M的DAP接受16位、20位或24位的左對齊、右對齊和I2S串行數(shù)據(jù)格式。不同的數(shù)據(jù)格式有其特定的時序要求，如I2S時序使用LRCK來定義左右聲道的數(shù)據(jù)傳輸時間，數(shù)據(jù)在比特時鐘的上升沿有效等。在設(shè)計時，必須嚴格按照這些時序要求進行電路設(shè)計，以確保數(shù)據(jù)的正確傳輸和處理。

（五）26位3.23數(shù)字格式

所有混音器增益系數(shù)采用26位3.23數(shù)字格式，即二進制小數(shù)點左邊有3位，右邊有23位。在編程時，需要將增益系數(shù)轉(zhuǎn)換為32位二進制數(shù)，并按照特定的格式進行寫入。

八、寄存器映射

TAS5751M的寄存器映射涵蓋了多個寄存器，每個寄存器都有其特定的功能和默認值。通過對這些寄存器的編程和讀取，可以實現(xiàn)對設(shè)備的各種功能配置和狀態(tài)監(jiān)測。例如，時鐘控制寄存器（0x00）包含自動檢測的時鐘狀態(tài)信息，可反映采樣率和MCLK頻率；錯誤狀態(tài)寄存器（0x02）記錄設(shè)備的錯誤信息，需要軟件進行清除和讀取以確定錯誤是否持續(xù)存在等。

九、應(yīng)用與實現(xiàn)

（一）應(yīng)用信息

TAS5751M可用于立體聲和單聲道模式，在不同的應(yīng)用場景中，需要根據(jù)具體需求選擇合適的配置和外部組件。在選擇外部組件時，應(yīng)考慮組件對電路板布局、組件放置和走線的影響，以及放大器輸出濾波的要求。同時，為了便于庫存管理和減少制造步驟，可對組件進行適當(dāng)?shù)暮喜?，但要確保組件的電壓和功率額定值滿足要求。

（二）典型應(yīng)用

• 立體聲橋接負載應(yīng)用：在立體聲橋接負載應(yīng)用中，TAS5751M通過數(shù)字輸入信號接收兩個音頻通道，將其放大后分別驅(qū)動兩個揚聲器。設(shè)計時需要考慮低電源和高電源的選擇、數(shù)字接口的兼容性、輸出濾波器的設(shè)計、I2C上拉電阻的選擇以及數(shù)字I/O連接等問題。同時，要按照推薦的啟動和關(guān)機程序進行操作，以確保設(shè)備的正常運行和性能穩(wěn)定。
• 單聲道并聯(lián)橋接負載應(yīng)用：單聲道并聯(lián)橋接負載應(yīng)用中，放大器的兩個全橋通道并聯(lián)，驅(qū)動單個揚聲器。這種