探索LM49251：高性能音頻子系統(tǒng)的卓越之選

在當今的便攜式手持設備領域，音頻體驗的質(zhì)量愈發(fā)重要。TI推出的LM49251音頻子系統(tǒng)，以其高效、多功能等特點，為手機等設備的音頻設計帶來了新的解決方案。今天，我們就來深入了解一下這款產(chǎn)品。

文件下載：lm49251.pdf

產(chǎn)品概述

LM49251是一款專為便攜式手持應用（如手機）設計的完全集成音頻子系統(tǒng)，屬于TI的PowerWise產(chǎn)品系列。它采用了高效的G類耳機放大器拓撲結構以及高效的D類揚聲器放大器，能在滿足音頻性能的同時，有效降低功耗。

產(chǎn)品特性

放大器特性

1. G類接地參考耳機輸出：采用TI的G類接地參考架構，可創(chuàng)建具有動態(tài)電源軌的接地參考輸出，實現(xiàn)最佳效率。在 (HPV {DD}=1.8 V) ， (R{L}=32 Omega) 條件下， (IDDQHP) 典型值為1.15 mA，輸出功率（ (THD+N ≤1 %) ）典型值為20 mW。
2. E2S D類放大器：具有無削波功能和功率限制器揚聲器保護功能。立體聲D類揚聲器放大器在 (R{L}=8 Omega) 時， (LSV{DD}=5.0 V) ，輸出功率（ (THD+N ≤1 %) ）典型值為1.37 W； (LSV_{DD}=3.6 V) ，輸出功率（ (THD+N ≤1 %) ）典型值為680 mW，效率典型值達90%。

控制與抑制特性

1. I2C控制：通過I2C兼容接口實現(xiàn)音量和模式控制，方便靈活。
2. 先進的咔嗒聲和爆裂聲抑制：消除了上電/斷電和關機期間的可聽瞬變，提升音頻體驗。
3. 微功耗關機：在不使用時可降低功耗，延長設備續(xù)航。

應用場景

LM49251適用于功能手機和智能手機等設備，能為這些設備提供高質(zhì)量的音頻輸出。

電氣特性分析

電源電流

不同模式下的靜態(tài)電源電流和工作電源電流有所不同。例如，在立體聲輸入的LS模式（模式2）下，靜態(tài)電源電流（ (LSV {DD}+ V {DD}) ）典型值為5.6 mA，最大值為6.25 mA；在立體聲輸入的HP模式（模式6）下，HPV (_{DD}) 的靜態(tài)電源電流典型值為1.15 mA，最大值為1.45 mA。

增益與音量控制

增益設置豐富，D類放大器有12dB和18dB兩種增益可選，耳機放大器有多種增益檔位。音量控制范圍廣，單聲道輸入最小增益設置為 -86dB，最大增益設置為12dB；立體聲輸入最小增益設置為 -80dB，最大增益設置為18dB。

輸出功率與失真

在不同的電源電壓和負載電阻條件下，輸出功率和總諧波失真加噪聲（THD+N）表現(xiàn)不同。如在模式3， (A{V}=18dB) ， (R{L}=8 Omega) ， (LSV_{DD}=3.6V) 時，輸出功率典型值為680 mW， (THD+N) 在特定條件下可低至0.02%。

I2C接口特性

LM49251通過I2C接口進行控制，其7位I2C從地址為1111100。I2C信號的時鐘和數(shù)據(jù)傳輸有嚴格的時序要求，如SCL周期最小值為2.5 μs，SDA建立時間最小值為100 ns等。同時，I2C控制寄存器涵蓋了關機控制、模式控制、功率限制、增益控制、音量控制等多個方面，為用戶提供了豐富的配置選項。

典型性能特性

THD+N與頻率和輸出功率的關系

從給出的典型性能曲線可以看出，THD+N隨頻率和輸出功率的變化而變化。一般來說，在低頻和低輸出功率時，THD+N較低；隨著頻率和輸出功率的增加，THD+N會有所上升。

電源抑制比（PSRR）與頻率的關系

PSRR反映了放大器對電源紋波的抑制能力。在不同的頻率下，PSRR值不同，通常在低頻時PSRR較高，隨著頻率的升高，PSRR逐漸降低。

效率與輸出功率的關系

效率隨著輸出功率的增加而變化，在一定的輸出功率范圍內(nèi)，效率較高。例如，在某些條件下，效率可達到90%。

系統(tǒng)控制與功能實現(xiàn)

I2C信號與數(shù)據(jù)傳輸

I2C信號的時鐘（SCL）和數(shù)據(jù)（SDA）傳輸遵循特定的規(guī)則。數(shù)據(jù)在SCL為高電平時必須穩(wěn)定，只有在SCL為低電平時才能改變。數(shù)據(jù)傳輸以字節(jié)為單位，每個字節(jié)后需跟隨一個確認位。

控制寄存器功能

不同的I2C控制寄存器負責不同的功能，如關機控制寄存器可控制增益放大器和設備的開關機；模式控制寄存器可選擇輸出模式；功率限制器寄存器可設置輸出電壓限制等。

應用信息要點

差分放大器優(yōu)勢

LM49251采用差分輸入級，相比單端輸入放大器，能有效提高噪聲抑制能力，還可能消除直流輸入耦合電容，簡化電路設計。

輸入混音器/多路復用器

通過I2C接口控制的混音器/多路復用器可實現(xiàn)任意輸入組合在任意輸出上的顯示，為音頻信號的路由提供了靈活性。

關機功能

通過SHUTDOWN CONTROL寄存器的不同位可實現(xiàn)對增益放大器和整個設備的關機控制，有效降低功耗。

D類放大器特點

采用無濾波器調(diào)制方案，減少了外部元件數(shù)量，節(jié)省了電路板空間和系統(tǒng)成本。在無信號輸入時，輸出處于特定狀態(tài)，無電流輸出到負載；有信號輸入時，輸出脈沖寬度會發(fā)生變化。

增強型發(fā)射抑制（E2S）

D類放大器的E2S系統(tǒng)可減少電磁干擾（EMI），同時保持高質(zhì)量的音頻再現(xiàn)和效率。通過選擇擴展頻譜和先進的邊緣速率控制（ERC），可降低輸出方波的高頻分量，減少射頻輻射。

接地參考耳機放大器

通過低噪聲反相電荷泵產(chǎn)生內(nèi)部負電源電壓，使耳機輸出以地為參考，無需大的直流耦合電容，節(jié)省了電路板空間和成本，還提高了低頻響應和動態(tài)范圍。

G類操作

G類耳機放大器采用動態(tài)電源軌，根據(jù)輸出信號的大小在不同電壓軌之間切換，可提高效率，降低功耗。閾值電平有4種可選，可通過I2C控制寄存器設置。

自動限幅控制（ALC）

ALC可監(jiān)測和調(diào)整揚聲器放大器信號路徑的增益，具有電壓限制器/揚聲器保護和輸出削波預防功能。電壓限制閾值和削波控制水平可通過I2C接口配置。

攻擊時間與釋放時間

攻擊時間是音頻信號超過ALC閾值后增益降低6dB所需的時間，釋放時間是增益恢復到正常水平所需的時間。合理選擇攻擊時間和釋放時間對于避免失真和輸出過載非常重要。

外部組件選擇建議

ALC定時電容（ (C_{SET}) ）

推薦范圍為0.01 μF至1 μF，過低的值可能會影響ALC的調(diào)節(jié)能力，降低音頻質(zhì)量。

電荷泵電容

使用低ESR（小于100mΩ）的陶瓷電容可獲得最佳性能。

電荷泵飛跨電容（ (C_{1}) ）

其值會影響電荷泵的負載調(diào)節(jié)和輸出阻抗，一般選擇2.2 μF左右的電容。

輸入電容

在某些應用或單端音頻源時可能需要輸入電容，可通過公式計算其 -3dB點，以過濾電源噪聲。

演示板使用指南

按照指南步驟操作，可快速搭建測試環(huán)境。連接電源、揚聲器、耳機和音頻輸入信號，打開電源和I2C控制軟件，設置相關參數(shù)后即可進行測試。

總結

LM49251以其豐富的功能、高效的性能和靈活的配置選項，為音頻設計工程師提供了一個優(yōu)秀的解決方案。在實際應用中，需要根據(jù)具體需求合理選擇外部組件，設置控制參數(shù)，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，為用戶帶來高質(zhì)量的音頻體驗。你在使用LM49251的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。