TAS5727數(shù)字音頻功率放大器：設(shè)計與應(yīng)用全解析

在音頻設(shè)備的設(shè)計領(lǐng)域，一款性能出色的數(shù)字音頻功率放大器至關(guān)重要。今天我們就來深入探討德州儀器（TI）的TAS5727 25 - W數(shù)字音頻功率放大器，它具備EQ和DRC功能，為音頻設(shè)計帶來了諸多便利和優(yōu)質(zhì)的音頻體驗。

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一、TAS5727的關(guān)鍵特性

（一）音頻輸入輸出特性

TAS5727具有強(qiáng)大的音頻輸入輸出能力。它能在20 - V電源下向8 - Ω負(fù)載提供25 W的功率，并且支持8 V至26 V的寬PVDD范圍。在負(fù)載配置方面，支持BTL配置與4 - Ω負(fù)載，高效的Class - D操作甚至無需散熱片。它擁有一個串行音頻輸入（兩個音頻通道），還有I2C地址選擇引腳（芯片選擇），并且單輸出濾波器PBTL支持44.1 - kHz至48 - kHz的采樣率（LJ/RJ/I2S）。

（二）音頻和PWM處理特性

在音頻和PWM處理上，TAS5727表現(xiàn)也十分出色。它具備獨(dú)立通道音量控制，增益范圍從24 dB到靜音，分辨率為0.125 dB。還有可編程的兩頻段動態(tài)范圍控制（DRC），以及18個可編程雙二階濾波器用于揚(yáng)聲器EQ和其他音頻處理功能，同時DRC濾波器的系數(shù)也是可編程的，并且?guī)в兄绷髯枞麨V波器。

（三）一般特性

TAS5727采用I2C串行控制接口，無需MCLK即可運(yùn)行，僅需3.3 V和PVDD電源。它沒有外部振蕩器，內(nèi)部振蕩器可自動檢測速率。采用48引腳的HTQFP表面貼裝封裝，具備熱保護(hù)和短路保護(hù)功能，A加權(quán)信噪比可達(dá)106 dB，支持AD、BD和三元調(diào)制，效率高達(dá)90%，還有PWM電平表來測量數(shù)字功率曲線。

二、應(yīng)用場景

TAS5727適用于多種音頻設(shè)備，如LCD TV、LED TV和Soundbar等。在這些設(shè)備中，它能夠提供優(yōu)質(zhì)的音頻功率放大，滿足用戶對音頻質(zhì)量的需求。

三、詳細(xì)功能剖析

（一）電源供應(yīng)

TAS5727的電源供應(yīng)設(shè)計十分貼心，除了典型的18 - V功率級電源外，僅需一個3.3 - V電源。內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器為柵極驅(qū)動電路提供合適的電壓水平，內(nèi)置的自舉電路只需幾個外部電容器就能滿足需要浮動電壓供應(yīng)的電路需求。每個半橋都有獨(dú)立的自舉引腳（BST_x）和功率級電源引腳（PVDD_x），在設(shè)計時要注意將所有去耦電容器盡可能靠近相關(guān)引腳放置，避免電源引腳和去耦電容器之間產(chǎn)生電感。對于自舉電路，要使用33 - nF、X7R陶瓷電容器，以確保在最小PWM占空比時也有足夠的能量存儲。同時，每個PVDD_x引腳都要用100 - nF、X7R陶瓷電容器進(jìn)行去耦。

（二）I2C地址選擇和故障輸出

1. I2C芯片選擇：A_SEL_FAULT引腳在上電時作為輸入引腳，通過15 - kΩ上拉或下拉來設(shè)置I2C子地址，高電平為0x56，低電平為0x54。
2. I2C設(shè)備地址更改過程：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，之后的寫入操作就使用新地址。
3. 故障指示：該引腳在RESET后可通過向I2C寄存器0x05的第0位寫入1來編程為輸出引腳，低電平表示過流（OC）、欠壓（UVP）、過溫（OTE）或過壓錯誤，高電平表示無故障。

（三）設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)

1. 過流（OC）保護(hù)與限流：設(shè)備在所有高端和低端功率級FET上都有獨(dú)立、快速反應(yīng)的電流檢測器。有兩個保護(hù)系統(tǒng)對其進(jìn)行監(jiān)控，第一個系統(tǒng)進(jìn)行逐周期限流，防止輸出電流進(jìn)一步增加；如果高電流情況持續(xù)，第二個系統(tǒng)會觸發(fā)鎖存關(guān)機(jī)，將功率級設(shè)置為高阻抗?fàn)顟B(tài)，故障排除后設(shè)備恢復(fù)正常。需要注意的是，半橋的限流和過流保護(hù)不是獨(dú)立的。
2. 過溫保護(hù)：當(dāng)設(shè)備結(jié)溫超過150°C（標(biāo)稱）時，設(shè)備進(jìn)入熱關(guān)機(jī)狀態(tài)，所有半橋輸出設(shè)置為高阻抗?fàn)顟B(tài)，A_SEL_FAULT引腳置低，溫度下降約30°C后自動恢復(fù)。
3. 欠壓保護(hù)（UVP）和上電復(fù)位（POR）：UVP和POR電路能在任何上電、掉電和欠壓情況下完全保護(hù)設(shè)備。上電時，POR電路復(fù)位過載電路，確保所有電路在PVDD和AVDD分別達(dá)到7.6 V和2.7 V時完全正常工作。任何一個電源電壓下降到UVP閾值以下，所有半橋輸出都會立即設(shè)置為高阻抗?fàn)顟B(tài)，A_SEL_FAULT引腳置低。

（四）時鐘、自動檢測和PLL

TAS5727是一個I2S從設(shè)備，接受MCLK、SCLK和LRCLK。數(shù)字音頻處理器（DAP）支持時鐘控制寄存器（0x00）中定義的所有采樣率和MCLK速率。它會檢查SCLK是否為32 fS、48 fS或64 fS，DRC僅支持1 × fS的LRCLK。時鐘部分使用MCLK或內(nèi)部振蕩器時鐘（當(dāng)MCLK不穩(wěn)定、超出范圍或缺失時）來產(chǎn)生內(nèi)部時鐘（DCLK），其頻率為PWM開關(guān)頻率的512倍。DRC能夠自動檢測并將內(nèi)部時鐘控制邏輯設(shè)置為合適的設(shè)置，并且具有強(qiáng)大的時鐘錯誤處理能力，檢測到時鐘變化或錯誤時會靜音音頻，強(qiáng)制PLL使用內(nèi)部振蕩器作為參考時鐘，時鐘穩(wěn)定后自動檢測新速率并恢復(fù)正常操作。

（五）PWM部分

TAS5727的DAP設(shè)備使用噪聲整形和定制的非線性校正算法來實(shí)現(xiàn)高功率效率和高性能數(shù)字音頻再現(xiàn)。DAP使用四階噪聲整形器來增加音頻頻段的動態(tài)范圍和信噪比。PWM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。它有獨(dú)立通道的直流阻塞濾波器和去加重濾波器，并且PWM部分的最大調(diào)制限制可在93.8%至99.2%之間調(diào)節(jié)。

（六）SSTIMER功能

SSTIMER引腳通過連接到地的電容器來控制退出全通道關(guān)機(jī)時的輸出占空比。電容器通過內(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(shí)現(xiàn)平滑過渡，減少可聽的砰砰聲和咔嗒聲。關(guān)機(jī)過渡時間與SSTIMER引腳電容無關(guān)，較大的電容會增加啟動時間，小于2.2 nF的電容會減少啟動時間。在BD調(diào)制時，該引腳應(yīng)懸空。

（七）單濾波器PBTL模式

TAS5727支持并行BTL（PBTL）模式，將OUT_A/OUT_B（和OUT_C/OUT_D）在LC濾波器之前連接。將PBTL引腳（引腳8）置高可使設(shè)備進(jìn)入PBTL配置，同步半橋A和B（以及C/D）的關(guān)斷。PBTL引腳有下拉電阻，若引腳懸空則設(shè)備配置為BTL模式。要將設(shè)備設(shè)置為PBTL模式，需更新PWM輸出多路復(fù)用器，向輸出Mux寄存器（0x25）寫入0x0110 3245，向PWM關(guān)機(jī)寄存器（0x19）寫入0x3A。

（八）I2C串行控制接口

TAS5727的DAP具有雙向I2C接口，兼容Inter IC（I2C）總線協(xié)議，支持100 - kHz和400 - kHz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。它是一個僅從設(shè)備，不支持多主總線環(huán)境或插入等待狀態(tài)?？刂平涌谟糜趯υO(shè)備的寄存器進(jìn)行編程和讀取設(shè)備狀態(tài)。

1. 一般I2C操作：I2C總線使用SDA（數(shù)據(jù)）和SCL（時鐘）兩個信號進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)逐位串行傳輸，每個字節(jié)傳輸后會有接收設(shè)備的確認(rèn)位。傳輸操作以主設(shè)備驅(qū)動起始條件開始，以停止條件結(jié)束。
2. 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)為倍數(shù)）。在多字節(jié)讀寫操作中，要確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完整。
3. 單字節(jié)和多字節(jié)讀寫示例：單字節(jié)寫操作包括主設(shè)備發(fā)送起始條件、I2C設(shè)備地址和讀寫位、地址字節(jié)、數(shù)據(jù)字節(jié)，最后發(fā)送停止條件；多字節(jié)寫操作類似，只是發(fā)送多個數(shù)據(jù)字節(jié)。單字節(jié)讀操作先進(jìn)行寫操作傳輸要讀取的內(nèi)部存儲器地址，再進(jìn)行讀操作；多字節(jié)讀操作則是TAS5727向主設(shè)備發(fā)送多個數(shù)據(jù)字節(jié)。

（九）音頻串行接口

串行數(shù)據(jù)通過SDIN輸入，PWM輸出由此衍生。TAS5727的DAP接受16位、20位或24位左對齊、右對齊和I2S串行數(shù)據(jù)格式。不同的串行數(shù)據(jù)格式有不同的時序要求，如I2S時序使用LRCLK定義左右聲道數(shù)據(jù)，位時鐘用于時鐘數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在上升沿有效；左對齊和右對齊時序也有各自的特點(diǎn)。

（十）動態(tài)范圍控制（DRC）

DRC方案有兩個DRC塊，一個用于高頻段左右聲道，一個用于低頻段左右聲道。它能自動調(diào)整音量以平衡音量水平，每個DRC有可調(diào)的閾值水平、可編程的攻擊和衰減時間常數(shù)，實(shí)現(xiàn)透明壓縮。

（十一）PWM電平表

PWM電平表可用于研究功率曲線，通過對特定地址的讀取可以獲取相關(guān)信息。

四、設(shè)備功能模式

（一）立體聲BTL模式

這是經(jīng)典的立體聲操作模式，TAS5727用于放大兩個獨(dú)立的信號，代表立體聲信號的左右部分。放大后的左右音頻信號通過差分輸出對OUT_A和OUT_B以及OUT_C和OUT_D輸出。音頻數(shù)據(jù)的路由可根據(jù)PWM輸出Mux寄存器（0x25）進(jìn)行更改。

（二）單聲道PBTL模式

在這種模式下，設(shè)備的兩個立體聲輸出并聯(lián)，以增加設(shè)備的功率輸出能力。TAS5727支持單濾波器PBTL模式，將OUT_A/OUT_B（和OUT_C/OUT_D）在LC濾波器之前連接。

五、編程要點(diǎn)

（一）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，即二進(jìn)制小數(shù)點(diǎn)左邊有3位，右邊有23位。根據(jù)最高位判斷正負(fù)，正數(shù)直接根據(jù)權(quán)重計算，負(fù)數(shù)需要取反加1后再計算。增益系數(shù)通過I2C總線輸入時，必須以32位二進(jìn)制數(shù)的形式輸入。

（二）寄存器映射

TAS5727有多個寄存器，如時鐘控制寄存器（0x00）、設(shè)備ID寄存器（0x01）、錯誤狀態(tài)寄存器（0x02）等，每個寄存器有不同的功能和初始值。例如，時鐘控制寄存器反映自動檢測的時鐘狀態(tài)，錯誤狀態(tài)寄存器記錄各種錯誤信息，軟件需要清除該寄存器并讀取以確定是否存在持續(xù)錯誤。

六、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

（一）立體聲橋接負(fù)載應(yīng)用

在立體聲應(yīng)用中，要注意設(shè)計要求，包括低電源3.3 V、高電源8 V至26 V、I2S和I2C兼容主設(shè)備、主機(jī)處理器、GPIO控制、輸出濾波器為電感 - 電容低通濾波器、揚(yáng)聲器最小4 - Ω等。在詳細(xì)設(shè)計過程中，要注意組件選擇和硬件連接、I2C上拉電阻、數(shù)字I/O連接以及推薦的啟動和關(guān)機(jī)程序。

（二）單聲道并聯(lián)橋接負(fù)載應(yīng)用

單聲道應(yīng)用的設(shè)計要求與立體聲應(yīng)用類似，只是揚(yáng)聲器最小為2 - Ω。詳細(xì)設(shè)計過程可參考立體聲應(yīng)用的相關(guān)內(nèi)容。

七、電源供應(yīng)建議

TAS5727需要兩個電源，3.3 V的DVDD、AVDD和DRVDD用于為數(shù)字和模擬電路供電，8 V至24 V的PVDD用于功率輸出。電源無需特定的上電順序，但建議在移除低電壓電源前將PDN引腳置低以保護(hù)輸出。AVDD和DVDD需要良好調(diào)節(jié)和濾波的3.3 - V電源，PVDD需要適當(dāng)?shù)碾娫慈ヱ?，可使? μF的陶瓷電容器和10 μF或更大的電容器進(jìn)行濾波。

八、布局指南

在PCB布局時，由于Class - D的開關(guān)邊緣快、開關(guān)電流大，需要特別注意。TAS5727使用PCB進(jìn)行散熱，PowerPAD要焊接到PCB上，并使用足夠的銅面積和銅過孔連接各層。去耦電容器要靠近電源引腳放置，輸出電流回路要盡可能小，接地建議使用大的公共GND平面，輸出濾波器要靠近輸出端，并且要選擇能承受高短路電流的電感器。

綜上所述，TAS5727數(shù)字音頻功率放大器憑借其豐富的功能和出色的性能，為音頻設(shè)備設(shè)計提供了強(qiáng)大的支持。在實(shí)際設(shè)計中，我們需要根據(jù)其特性和要求，合理選擇組件、進(jìn)行布局和編程，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的音頻效果。你在使用TAS5727的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。