TAS5721數(shù)字音頻功率放大器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款優(yōu)秀的音頻功率放大器對(duì)于實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的音頻輸出至關(guān)重要。TAS5721數(shù)字音頻功率放大器憑借其豐富的功能和出色的性能，成為了眾多工程師的首選。今天，我們就來(lái)深入探討一下TAS5721的相關(guān)特性、應(yīng)用場(chǎng)景以及設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵要點(diǎn)。

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一、TAS5721的特性亮點(diǎn)

（一）音頻輸入輸出能力

TAS5721在音頻輸入輸出方面表現(xiàn)出色。當(dāng) (PVDD = 24V) 時(shí)，它能夠提供 (10W x 2) 輸出到 (8Ω) 負(fù)載，或者 (8W x 2 + 12W x 1) 輸出到 (8Ω) 負(fù)載。它支持2.0、單設(shè)備2.1和單聲道模式，并且能夠適應(yīng) (8kHz) 到 (48kHz) 的采樣率（支持 (LJ / RJ / I2S) 格式）。此外，它還集成了DirectPath?耳機(jī)放大器和 (2V_{RMS}) 線路驅(qū)動(dòng)器，為音頻系統(tǒng)的多樣化設(shè)計(jì)提供了可能。

（二）音頻/PWM處理功能

在音頻處理方面，TAS5721具備獨(dú)立通道音量控制功能，可在 (24dB) 到靜音之間以 (0.5dB) 為步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)，它還為衛(wèi)星聲道和低音聲道分別提供動(dòng)態(tài)范圍控制，擁有21個(gè)可編程雙二階濾波器用于揚(yáng)聲器均衡，支持可編程的雙頻段動(dòng)態(tài)范圍控制和3D效果，能夠有效提升音頻的質(zhì)量和表現(xiàn)力。

（三）通用特性優(yōu)勢(shì)

TAS5721采用 (I2C^{TM}) 串行控制接口，無(wú)需MCLK即可正常工作，并且其 (I2C) 地址可配置為 (0x34) 或 (0x36)。它還具備自動(dòng)采樣率檢測(cè)功能，能夠根據(jù)輸入信號(hào)自動(dòng)調(diào)整工作參數(shù)。在保護(hù)方面，它擁有熱保護(hù)和短路保護(hù)機(jī)制，確保設(shè)備在各種異常情況下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。此外，其寬范圍的 (PVDD) 電源（(4.5V) 到 (24V)）使得它能夠適應(yīng)不同的電源環(huán)境。

二、TAS5721的應(yīng)用場(chǎng)景

TAS5721的多功能特性使其在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景包括LED/LCD電視、條形音箱、對(duì)接站和PC揚(yáng)聲器等。在這些設(shè)備中，TAS5721能夠?yàn)橛脩籼峁└咂焚|(zhì)的音頻體驗(yàn)，滿足不同用戶對(duì)于音頻效果的需求。

三、TAS5721的詳細(xì)描述與功能分析

（一）功能框圖解讀

TAS5721的功能框圖展示了其內(nèi)部復(fù)雜而有序的結(jié)構(gòu)。它主要由內(nèi)部調(diào)節(jié)和電源分配模塊、MCLK監(jiān)控和看門狗模塊、開(kāi)環(huán)4通道PWM放大器、數(shù)字到PWM轉(zhuǎn)換器、傳感和保護(hù)模塊等組成。其中，數(shù)字音頻處理器（DAP）是核心部分，它負(fù)責(zé)對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)高效的音頻放大和輸出。

（二）特性詳細(xì)分析

1. 電源供應(yīng)

TAS5721僅需要一個(gè) (3.3V) 電源和一個(gè)PVDD功率級(jí)電源，內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器為柵極驅(qū)動(dòng)電路提供合適的電壓。每個(gè)半橋都有獨(dú)立的自舉引腳和功率級(jí)電源引腳，并且需要在引腳附近放置去耦電容以確保良好的電氣和聲學(xué)特性。同時(shí)，自舉電路通過(guò)連接陶瓷電容來(lái)為高端柵極驅(qū)動(dòng)器提供合適的電壓供應(yīng)。

2. (I2C) 地址選擇和故障輸出

ADR/FAULT引腳在電源啟動(dòng)時(shí)用于設(shè)置 (I2C) 地址，通過(guò)上拉或下拉電阻可以將地址設(shè)置為 (0x34) 或 (0x36)。在電源啟動(dòng)后，該引腳可作為故障通知輸出，當(dāng)發(fā)生過(guò)流、過(guò)熱、過(guò)壓鎖定或欠壓鎖定等故障時(shí)，引腳會(huì)拉低。

3. 設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)

TAS5721具備完善的保護(hù)系統(tǒng)。過(guò)流保護(hù)通過(guò)獨(dú)立的電流檢測(cè)器對(duì)所有高端和低端功率級(jí)FET進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流情況時(shí)，會(huì)觸發(fā)鎖存式關(guān)機(jī)并在一段時(shí)間后嘗試重啟。過(guò)溫保護(hù)在設(shè)備結(jié)溫超過(guò) (150°C) 時(shí)將設(shè)備置于熱關(guān)機(jī)狀態(tài)，待溫度下降約 (30°C) 后自動(dòng)恢復(fù)。欠壓保護(hù)和上電復(fù)位電路則確保設(shè)備在電源波動(dòng)和掉電情況下的安全運(yùn)行。

4. 時(shí)鐘、自動(dòng)檢測(cè)和PLL

作為從設(shè)備，TAS5721接受MCLK、SCLK和LRCLK。數(shù)字音頻處理器支持多種采樣率和MCLK速率，并能自動(dòng)檢測(cè)和設(shè)置內(nèi)部時(shí)鐘控制邏輯。同時(shí)，它具備強(qiáng)大的時(shí)鐘錯(cuò)誤處理能力，當(dāng)檢測(cè)到時(shí)鐘變化或錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)自動(dòng)靜音音頻并調(diào)整PLL以確保穩(wěn)定運(yùn)行。

5. PWM部分

PWM部分采用噪聲整形和復(fù)雜的非線性校正算法，以實(shí)現(xiàn)高功率效率和高性能的數(shù)字音頻再現(xiàn)。它使用四階噪聲整形器來(lái)增加音頻頻段的動(dòng)態(tài)范圍和信噪比，并且可以啟用和禁用通道的直流阻塞濾波器和去加重濾波器。此外，PWM部分的最大調(diào)制限制可在 (93.8%) 到 (99.2%) 之間調(diào)整，對(duì)于 (PVDD) 大于 (18V) 的應(yīng)用，必須將最大調(diào)制指數(shù)設(shè)置為 (93.8%)。

6. SSTIMER功能

SSTIMER引腳通過(guò)連接電容來(lái)控制退出全通道關(guān)機(jī)時(shí)的輸出占空比，實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡以減少可聽(tīng)的爆裂聲和咔嗒聲。電容的充電時(shí)間決定了輸出從接近零占空比過(guò)渡到所需占空比的速率，關(guān)機(jī)過(guò)渡時(shí)間與SSTIMER引腳電容無(wú)關(guān)。

7. 2.1模式支持

TAS5721在2.1模式下采用特殊的中阻抗斜坡序列來(lái)減少SE模式和2.1模式操作中的爆裂聲和咔嗒聲。通過(guò)設(shè)置寄存器 (0x05) 的相應(yīng)位可以啟用中阻抗斜坡和2.1模式，并且在該模式下SSTIMER引腳應(yīng)懸空。為了減少電源泵浦現(xiàn)象，設(shè)備還具備揚(yáng)聲器模式音量取反功能，通過(guò)設(shè)置寄存器 (0x20[31:24]) 的相應(yīng)位可以反轉(zhuǎn)通道的極性，但需要注意調(diào)整揚(yáng)聲器的連接方式以避免影響立體聲成像。

8. PBTL模式支持

TAS5721支持并行BTL（PBTL）模式，通過(guò)更新PWM輸出多路復(fù)用器和PWM關(guān)機(jī)寄存器的值可以將設(shè)備設(shè)置為PBTL模式。

9. (I2C) 串行控制接口

TAS5721的DAP具有雙向 (I2C) 接口，支持 (100kHz) 和 (400kHz) 的數(shù)據(jù)傳輸速率，可進(jìn)行單字節(jié)和多字節(jié)的讀寫操作。在讀寫操作時(shí)，需要遵循特定的協(xié)議和時(shí)序要求，并且對(duì)于不同的子地址，支持的讀寫操作方式也有所不同。

10. 動(dòng)態(tài)范圍控制（DRC）

DRC方案具有單個(gè)閾值、偏移和斜率，并且所有參數(shù)均可編程。左右聲道有一個(gè)聯(lián)動(dòng)的DRC，低音聲道有一個(gè)獨(dú)立的DRC。通過(guò)調(diào)整這些參數(shù)，可以自動(dòng)調(diào)整音量以平衡音量水平，實(shí)現(xiàn)專業(yè)級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍壓縮。

11. 銀行切換

TAS5721采用銀行切換方法結(jié)合自動(dòng)采樣率檢測(cè)功能。所有需要根據(jù)不同采樣率進(jìn)行更改的處理功能都存儲(chǔ)在三個(gè)內(nèi)部銀行中，用戶可以編程將不同的采樣率映射到每個(gè)銀行。默認(rèn)情況下，銀行1用于 (32kHz) 模式，銀行2用于 (44.1kHz) 或 (48kHz) 模式，銀行3用于其他速率。啟用自動(dòng)銀行切換后，設(shè)備可以根據(jù)輸入采樣率的變化自動(dòng)切換銀行，無(wú)需MCU干預(yù)。

12. 串行數(shù)據(jù)接口

TAS5721的DAP接受16位、20位或24位的左對(duì)齊、右對(duì)齊和 (I2S) 串行數(shù)據(jù)格式。不同的串行數(shù)據(jù)模式通過(guò)寫入寄存器 (0x04) 來(lái)設(shè)置，并且每種模式都有特定的時(shí)序要求。

13. DirectPath耳機(jī)/線路驅(qū)動(dòng)器

TAS5721的立體聲輸出可作為線路驅(qū)動(dòng)器或耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器，輸出 (2V_{RMS}) 立體聲。使用耳機(jī)放大器時(shí)，通過(guò)DR_INA和DR_INB引腳輸入模擬信號(hào)，通過(guò)DR_OUTA和DR_OUTB引腳輸出音頻。使用線路驅(qū)動(dòng)器時(shí)，DirectPath放大器架構(gòu)通過(guò)內(nèi)部電荷泵提供負(fù)電壓軌，實(shí)現(xiàn)零伏中心的輸出電壓，無(wú)需輸出直流阻塞電容，減少了PCB面積和成本，同時(shí)提高了音頻輸出信號(hào)的保真度。

四、TAS5721的編程與寄存器映射

（一）通用 (I2C) 操作

(I2C) 總線通過(guò)SDA和SCL信號(hào)進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位串行傳輸，每個(gè)字節(jié)傳輸后都需要接收設(shè)備進(jìn)行確認(rèn)。TAS5721的 (I2C) 設(shè)備地址由ADR/FAULT引腳定義，通過(guò)外部上拉或下拉電阻可以設(shè)置為 (0x34) 或 (0x36)。在進(jìn)行 (I2C) 操作時(shí)，需要遵循特定的起始和停止條件以及數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序。

（二）26位3.23數(shù)字格式

所有混音器增益系數(shù)采用26位的3.23數(shù)字格式，即小數(shù)點(diǎn)左邊有3位，右邊有23位。在通過(guò) (I2C) 總線輸入增益系數(shù)時(shí)，需要將其轉(zhuǎn)換為32位二進(jìn)制數(shù)。

（三）寄存器映射

TAS5721的寄存器映射涵蓋了多個(gè)功能模塊，包括時(shí)鐘控制、設(shè)備ID、錯(cuò)誤狀態(tài)、系統(tǒng)控制、音量調(diào)節(jié)、調(diào)制限制、通道延遲等。每個(gè)寄存器都有特定的功能和默認(rèn)值，通過(guò)對(duì)這些寄存器的編程可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的各種功能配置。

五、TAS5721的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

（一）應(yīng)用信息

TAS5721的典型連接圖展示了其在不同系統(tǒng)中的應(yīng)用所需的外部組件和系統(tǒng)級(jí)連接。通過(guò)評(píng)估模塊（EVM）可以對(duì)設(shè)備在常見(jiàn)操作模式下進(jìn)行全面評(píng)估，并且TI可以通過(guò)原理圖和布局審查提供設(shè)計(jì)支持。

（二）典型應(yīng)用設(shè)計(jì)

1. 設(shè)計(jì)要求

TAS5721的設(shè)計(jì)參數(shù)包括低電源 (3.3V)、高電源 (8V) 到 (24V)、主機(jī)處理器需支持 (I2S) 和 (I2C) 協(xié)議以及GPIO控制，輸出濾波器采用電感 - 電容低通濾波器，揚(yáng)聲器負(fù)載要求 (8Ω) 最小BTL、(4Ω) 最小PBTL和單端。

2. 詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程

在組件選擇和硬件連接方面，需要參考TAS5721EVM用戶指南中的典型組件列表，避免因組件偏差導(dǎo)致音頻性能下降或設(shè)備損壞。同時(shí)，需要在SCL和SDA信號(hào)線上使用上拉電阻，并且對(duì)于靜態(tài)數(shù)字引腳，可通過(guò)一個(gè)上拉電阻將所有引腳拉高以減少BOM數(shù)量。

在啟動(dòng)和關(guān)機(jī)過(guò)程中，需要遵循特定的順序和時(shí)間要求。初始化時(shí)，需要先將所有數(shù)字輸入拉低并將AVDD/DVDD升至至少 (3V)，然后初始化數(shù)字輸入和PVDD電源，進(jìn)行振蕩器校準(zhǔn)和DAP配置，最后退出關(guān)機(jī)狀態(tài)。正常操作時(shí)，支持對(duì)主/通道音量寄存器、軟靜音寄存器的寫入以及進(jìn)入和退出關(guān)機(jī)操作。關(guān)機(jī)時(shí)，需要按照特定的順序?qū)懭爰拇嫫鞑⒌却鄳?yīng)的時(shí)間。

（三）系統(tǒng)示例

文檔中提供了多種系統(tǒng)示例，包括立體聲（BTL）配置系統(tǒng)、2.1系統(tǒng)、單聲道（PBTL）系統(tǒng)等。每個(gè)系統(tǒng)示例都展示了所需的外部組件和連接方式，為工程師的設(shè)計(jì)提供了參考。

六、電源供應(yīng)與布局建議

（一）電源供應(yīng)

TAS5721需要兩個(gè)電源，分別是 (3.3V) 的低電壓電源（用于DVDD、AVDD和DRVDD引腳）和 (8V) 到 (24V) 的高電源（用于PVDD引腳）。雖然對(duì)電源上電順序沒(méi)有要求，但建議在移除低電壓電源之前將/PDN引腳拉低以保護(hù)輸出。

（二）布局建議

在PCB布局時(shí)，由于Class - D開(kāi)關(guān)邊緣快、開(kāi)關(guān)電流大，需要特別注意以滿足音頻、熱和EMC要求。具體建議包括：將PowerPad焊接到PCB上并使用足夠的銅面積和銅過(guò)孔進(jìn)行散熱；將高頻去耦電容盡可能靠近電源引腳放置，在PVDD電源附近放置大容量的去耦電容；保持輸出電流回路盡可能小；在耳機(jī)/線路驅(qū)動(dòng)器輸出之間留出足夠的空間以避免串?dāng)_；使用大的公共接地平面，將PVDD去耦電容和PowerPad連接到接地平面；選擇能夠承受高短路電流的電感，并將LC濾波器靠近輸出放置。

七、總結(jié)

TAS5721數(shù)字音頻功率放大器以其豐富的功能、出色的性能和靈活的配置能力，為音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的支持。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要深入了解其特性、編程方法、寄存器映射以及應(yīng)用要求，同時(shí)遵循電源供應(yīng)和布局建議，以確保設(shè)計(jì)出高品質(zhì)、穩(wěn)定可靠的音頻系統(tǒng)。希望本文能夠?yàn)閺V大電子工程師在使用TAS5721進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有價(jià)值的參考。

你在使用TAS5721的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題？或者你對(duì)它的某個(gè)特性有更深入的見(jiàn)解？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。