TAS2521：低功耗數(shù)字輸入揚(yáng)聲器放大器的全方位解析

在電子設(shè)備的音頻處理領(lǐng)域，低功耗、高性能的揚(yáng)聲器放大器一直是工程師們追求的目標(biāo)。德州儀器（TI）推出的 TAS2521 數(shù)字輸入揚(yáng)聲器放大器，憑借其豐富的功能和出色的性能，在便攜式音頻設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。今天，我們就來深入了解一下這款 TAS2521 芯片。

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1. 芯片概述

1.1 主要特性

TAS2521 具有眾多令人矚目的特性，使其在同類產(chǎn)品中脫穎而出。它支持 8 - 192kHz 的采樣率，能適應(yīng)多種音頻數(shù)據(jù)的處理需求。其單聲道 D 類 BTL 揚(yáng)聲器驅(qū)動能力強(qiáng)勁，可在 4Ω 負(fù)載下輸出 2W 功率，或在 8Ω 負(fù)載下輸出 1.7W 功率，同時還配備了單聲道耳機(jī)驅(qū)動。此外，它擁有兩個單端輸入，具備輸出混合和電平控制功能，能實現(xiàn)靈活的音頻信號處理。

芯片集成了多種功能模塊，如嵌入式上電復(fù)位（POR）、集成 LDO、內(nèi)置數(shù)字音頻處理模塊以及用戶可編程的雙二階濾波器等。它支持 I2S、左對齊、右對齊、DSP 和 TDM 等多種音頻接口，以及 I2C 和 SPI 控制方式，并具備自動遞增功能。電源供應(yīng)方面，不同模塊有各自的電壓范圍，如模擬電源為 1.5V - 1.95V，數(shù)字核心為 1.65V - 1.95V 等。芯片采用 24 引腳 QFN 封裝（4mm × 4mm），體積小巧，適合便攜式設(shè)備的設(shè)計。

1.2 應(yīng)用場景

TAS2521 的應(yīng)用場景十分廣泛，主要包括便攜式音頻設(shè)備、白色家電以及便攜式導(dǎo)航設(shè)備等。在便攜式音頻設(shè)備中，其低功耗特性可以延長設(shè)備的續(xù)航時間；在白色家電中，能為用戶帶來更好的音頻體驗；在便攜式導(dǎo)航設(shè)備中，可清晰地播放導(dǎo)航語音。

1.3 詳細(xì)描述

TAS2521 是一款支持 24 位數(shù)字 I2S 數(shù)據(jù)單聲道播放的低功耗數(shù)字輸入揚(yáng)聲器放大器。除了驅(qū)動揚(yáng)聲器，它還具備單聲道耳機(jī)驅(qū)動和可編程 miniDSP 用于信號處理。數(shù)字音頻數(shù)據(jù)格式可根據(jù)不同的音頻標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行編程，工作在主、從、DSP 和 TDM 等多種模式?？删幊?miniDSP 能實現(xiàn)音頻均衡、多頻段動態(tài)范圍壓縮（DRC）、音調(diào)生成等多種功能。片上 PLL 為數(shù)字信號處理模塊提供高速時鐘，音量可通過寄存器控制，音頻功能則通過 (I^{2} C^{TM}) 串行總線或 SPI 總線進(jìn)行控制。

2. 封裝與信號描述

2.1 封裝與訂購信息

TAS2521 采用 QFN - 24 封裝，有不同的訂購編號可供選擇，如 TAS2521IRGET 和 TAS2521IRGER，分別對應(yīng)不同的運(yùn)輸數(shù)量，適用于不同規(guī)模的生產(chǎn)需求。

2.2 引腳功能

芯片的每個引腳都有特定的功能。例如，SPI_SEL 引腳用于選擇 SPI 和 I2C 數(shù)字接口模式；RST 引腳用于邏輯、狀態(tài)機(jī)和數(shù)字濾波器的復(fù)位；AINL 和 AINR 為模擬單端線路左右輸入；HPOUT 為耳機(jī)和線路輸出驅(qū)動輸出等。了解這些引腳功能對于正確使用芯片至關(guān)重要，工程師在設(shè)計電路時需要根據(jù)實際需求合理連接引腳。

3. 電氣規(guī)格

3.1 絕對最大額定值

在使用 TAS2521 時，需要注意其絕對最大額定值。如 AVDD 到 AVSS 的電壓范圍為 - 0.3V 到 2.2V，DVDD 到 DVSS 同樣為 - 0.3V 到 2.2V 等。超過這些額定值可能會對芯片造成永久性損壞，因此在設(shè)計電源電路時必須嚴(yán)格遵守這些參數(shù)。

3.2 熱信息

熱信息對于芯片的穩(wěn)定工作也非常關(guān)鍵。TAS2521 的熱阻參數(shù)，如結(jié)到環(huán)境的熱阻（θJA）為 32.2，結(jié)到板的熱阻（θJB）為 9.2 等，這些參數(shù)有助于工程師在設(shè)計散熱方案時做出合理的決策，確保芯片在正常的溫度范圍內(nèi)工作。

3.3 推薦工作條件

為了使 TAS2521 達(dá)到最佳性能，推薦在特定的工作條件下使用。例如，AVDD 電壓范圍為 1.5V - 1.95V，SPKVDD 電壓范圍為 2.7V - 5.5V 等。同時，還對揚(yáng)聲器阻抗、耳機(jī)阻抗、主時鐘頻率等參數(shù)有相應(yīng)的要求。工程師在設(shè)計電路時，應(yīng)盡量滿足這些推薦工作條件，以保證芯片的穩(wěn)定性和性能。

3.4 電氣特性

在 25°C，(AVDD =1.8 ~V) ，(IOVDD=1.8 ~V) ，(SPKVDD =3.6 ~V) ，(DVDD=1.8 ~V) ，(f_{S}( audio )=48 kHz) ，CODEC_CLKIN = 256 x fs，PLL = Off 的條件下，TAS2521 具有一系列電氣特性。如音頻 DAC 的立體聲單端耳機(jī)輸出，在不同負(fù)載和輸入條件下，其滿量程輸出電壓、空閑通道噪聲、總諧波失真 + 噪聲等參數(shù)都有相應(yīng)的表現(xiàn)。這些電氣特性為工程師在評估芯片性能和設(shè)計音頻電路時提供了重要的參考依據(jù)。

3.5 時序特性

TAS2521 的時序特性包括 I2S/LJF/RJF 在主模式和從模式下的時序、DSP 在主模式和從模式下的時序、I2C 接口時序以及 SPI 接口時序等。這些時序參數(shù)對于確保芯片與其他設(shè)備之間的通信正常至關(guān)重要。例如，在 I2C 接口時序中，SCL 時鐘頻率、數(shù)據(jù)建立時間、數(shù)據(jù)保持時間等參數(shù)都有明確的要求。工程師在設(shè)計通信電路時，需要嚴(yán)格按照這些時序特性進(jìn)行設(shè)計，以避免通信錯誤。

4. 典型性能

4.1 類 D 揚(yáng)聲器驅(qū)動性能

通過一系列的圖表可以直觀地了解 TAS2521 類 D 揚(yáng)聲器驅(qū)動的性能。如 DAC 到揚(yáng)聲器的幅度與頻率關(guān)系、總諧波失真 + 噪聲與揚(yáng)聲器功率的關(guān)系等。這些圖表展示了在不同的輸出功率、增益和電源電壓條件下，芯片的性能表現(xiàn)。工程師可以根據(jù)這些圖表，選擇合適的工作參數(shù)，以滿足實際應(yīng)用的需求。

4.2 耳機(jī)驅(qū)動性能

同樣，對于耳機(jī)驅(qū)動性能，也有相應(yīng)的圖表進(jìn)行展示。如 DAC 到耳機(jī)的 FFT 幅度與頻率關(guān)系、總諧波失真 + 噪聲與耳機(jī)功率的關(guān)系等。這些圖表有助于工程師了解在不同的輸出功率、增益和電源電壓條件下，耳機(jī)驅(qū)動的性能表現(xiàn)，從而優(yōu)化耳機(jī)音頻輸出。

5. 應(yīng)用概述

5.1 典型電路配置

TAS2521 提供了典型的電路配置示例，包括典型電路和使用內(nèi)部 LDO 的電路。這些電路配置展示了芯片與其他元件（如主機(jī)處理器、揚(yáng)聲器、耳機(jī)等）的連接方式。工程師可以根據(jù)這些示例，快速搭建起基本的音頻電路。

5.2 設(shè)備連接

數(shù)字引腳

數(shù)字引腳具有多種功能，除了少數(shù)固定功能引腳外，大部分?jǐn)?shù)字引腳可以通過寄存器控制進(jìn)行功能配置。例如，根據(jù) SPI_SEL 引腳的狀態(tài)，SCL/SSZ 和 SDA/MOSI 引腳可以配置為 I2C 或 SPI 協(xié)議。這種靈活性使得芯片能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

模擬引腳

模擬引腳的功能也可以進(jìn)行大規(guī)模配置。為了實現(xiàn)最低功耗，模擬模塊默認(rèn)處于掉電狀態(tài)，可根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行精細(xì)的上電控制。

多功能引腳

TAS2521 的多功能引腳可以進(jìn)行多種功能的分配。例如，PLL 輸入可以編程為 MCLK、BCLK、DIN、GPIO 等 4 個引腳中的任意一個。通過合理配置這些多功能引腳，工程師可以實現(xiàn)更復(fù)雜的功能。

5.3 音頻模擬 I/O

芯片具有單聲道音頻 DAC，支持多種模擬接口，可適應(yīng)不同阻抗的耳機(jī)和揚(yáng)聲器。其模擬信號包括模擬輸入 AINR 和 AINL，可用于信號混合和輸出，以及音頻 DAC 和音頻模擬輸出，如單聲道耳機(jī)、線路輸出和單聲道類 D 揚(yáng)聲器輸出等。

5.4 音頻 DAC 和音頻模擬輸出

DAC

TAS2521 的單聲道音頻 DAC 支持 8kHz 到 192kHz 的數(shù)據(jù)速率，包含數(shù)字音頻處理模塊、數(shù)字插值濾波器、數(shù)字 delta - sigma 調(diào)制器和模擬重建濾波器等。通過增加過采樣和圖像濾波，DAC 在低采樣率下也能提供增強(qiáng)的性能，有效抑制量化噪聲。

數(shù)字混合和路由

芯片具有四個數(shù)字混合塊，可實現(xiàn)數(shù)字音頻數(shù)據(jù)的混合和復(fù)用。第一個混合器/復(fù)用器可選擇單聲道 DAC 的輸入數(shù)據(jù)，通過編程可實現(xiàn)不同通道的選擇。

模擬音頻路由

TAS2521 可以將 DAC 輸出路由到耳機(jī)或揚(yáng)聲器輸出，也可以同時驅(qū)動兩個輸出，并且可以實現(xiàn)不同的音量控制。通過合理配置數(shù)字路由，可以實現(xiàn)數(shù)字混合和通道交換等功能，同時可以對未使用的模擬輸出進(jìn)行掉電處理，以優(yōu)化功耗。

5V LDO

芯片內(nèi)置的 LDO 可以從 2.7V 到 5.5V 的輸入電壓范圍生成模擬電源（AVDD）和數(shù)字電源（DVDD），具有高電源抑制比（PSRR）。在特定條件下，LDO 可以為模擬和數(shù)字電源供電，并且可以通過 LDO_SELECT 引腳進(jìn)行控制。

POR

TAS2521 具有上電復(fù)位（POR）功能，可確保在正確的上電序列下，所有寄存器自動設(shè)置為默認(rèn)狀態(tài)，無需外部復(fù)位。

時鐘生成和 PLL

芯片支持多種時鐘生成選項，可為 DAC 部分、接口和其他控制塊提供時鐘。時鐘可以通過 MCLK、BCLK 或 GPIO 等引腳提供，也可以使用片上 PLL 生成所需的時鐘。

數(shù)字音頻和控制接口

數(shù)字音頻接口

音頻數(shù)據(jù)通過數(shù)字音頻數(shù)據(jù)串行接口在主機(jī)處理器和 TAS2521 之間傳輸。該接口具有靈活性，支持多種數(shù)據(jù)格式和協(xié)議，可實現(xiàn)多通道操作和靈活的主/從配置。

控制接口

TAS2521 支持 SPI 或 I2C 通信協(xié)議，通過 SPI_SEL 引腳進(jìn)行選擇。在 I2C 控制模式下，芯片響應(yīng)特定的 I2C 地址；在 SPI 控制模式下，使用標(biāo)準(zhǔn)的 SPI 端口進(jìn)行通信。

6. 寄存器映射

寄存器映射是了解和控制芯片功能的重要依據(jù)。TAS2521 的寄存器映射包括多個頁面和寄存器，每個寄存器都有特定的功能。例如，頁面選擇寄存器用于選擇不同的寄存器頁面，軟件復(fù)位寄存器用于軟件復(fù)位操作等。工程師可以通過對這些寄存器的讀寫操作，實現(xiàn)對芯片各種功能的控制。

綜上所述，TAS2521 是一款功能強(qiáng)大、性能出色的數(shù)字輸入揚(yáng)聲器放大器。它在音頻處理、功耗控制、接口靈活性等方面都具有顯著的優(yōu)勢，適用于多種便攜式音頻設(shè)備的設(shè)計。電子工程師在設(shè)計相關(guān)產(chǎn)品時，可以充分利用 TAS2521 的這些特性，打造出高質(zhì)量的音頻解決方案。你在使用 TAS2521 芯片的過程中，遇到過哪些有趣的問題或挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。