德州儀器TAS5706A/B：20W立體聲數(shù)字音頻功率放大器深度解析

在數(shù)字音頻領(lǐng)域，功率放大器的性能直接影響著音頻的輸出質(zhì)量。德州儀器（TI）的TAS5706A/B系列20W立體聲數(shù)字音頻功率放大器，憑借其豐富的功能和出色的性能，在音頻市場(chǎng)中占據(jù)了一席之地。不過(guò)需要注意的是，TAS5706A已不推薦用于新設(shè)計(jì)。接下來(lái)，我們將對(duì)這款放大器進(jìn)行詳細(xì)剖析。

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核心特性一覽

音頻輸入輸出

TAS5706A/B在音頻輸入輸出方面表現(xiàn)出色。它能在18V電源下向8Ω負(fù)載提供20W功率，具備兩個(gè)串行音頻輸入接口，可處理四個(gè)音頻通道。其中，TAS5706A支持2通道橋接輸出（20W×2），而TAS5706B功能更為豐富，不僅支持2通道橋接輸出（20W×2），還能實(shí)現(xiàn)4通道單端輸出（10W×4）以及2通道單端+1通道橋接（2.1模式，10W×2 + 20W）。此外，它支持32kHz - 192kHz的采樣率（LJ/RJ/I2S），能適應(yīng)多種音頻數(shù)據(jù)源。

閉環(huán)功率級(jí)架構(gòu)

該架構(gòu)有效提高了電源抑制比（PSRR），降低了對(duì)電源性能的要求。同時(shí)，較高的阻尼系數(shù)讓聲音更加緊湊、準(zhǔn)確，尤其在低頻響應(yīng)方面表現(xiàn)出色。而且，它能在電源電壓變化時(shí)保持恒定的輸出功率，其PVCC范圍從10V到26V，無(wú)需為柵極驅(qū)動(dòng)單獨(dú)供電。

音頻處理功能

• 獨(dú)立通道音量控制：支持48dB到 -79dB的音量調(diào)節(jié)范圍，還有軟靜音功能（50%占空比）。
• 可編程動(dòng)態(tài)范圍控制（DRC）：能根據(jù)音頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，提升音頻的聽(tīng)感。
• 揚(yáng)聲器均衡：左右聲道各有7個(gè)可編程雙二階濾波器，低音部分有4個(gè)可編程雙二階濾波器，可對(duì)音頻進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)。
• 自適應(yīng)雙二階系數(shù)：用于EQ和DRC濾波器，能根據(jù)不同的音頻場(chǎng)景自動(dòng)優(yōu)化濾波效果。
• 可編程輸入和輸出混音器：方便用戶(hù)根據(jù)實(shí)際需求對(duì)音頻通道進(jìn)行靈活組合。
• 自動(dòng)采樣率檢測(cè)和系數(shù)存儲(chǔ)：能自動(dòng)識(shí)別輸入音頻的采樣率，并切換到相應(yīng)的處理系數(shù)。

通用特性

• 串行控制接口：無(wú)需MCLK即可工作，提高了系統(tǒng)的靈活性。
• 內(nèi)部振蕩器：經(jīng)過(guò)工廠校準(zhǔn)，無(wú)需外部晶體，降低了成本和電路板面積。
• 封裝形式：采用64引腳、10mm×10mm的HTQFP表面貼裝封裝，便于安裝和集成。
• 保護(hù)功能：具備熱保護(hù)和短路保護(hù)功能，確保設(shè)備在異常情況下的安全運(yùn)行。

詳細(xì)功能解讀

電源供應(yīng)

芯片的數(shù)字部分需要3.3V電源，而功率級(jí)可以在10V - 26V的電源下工作。這種設(shè)計(jì)使得它能適應(yīng)不同的電源環(huán)境，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更多的選擇。

時(shí)鐘、自動(dòng)檢測(cè)和PLL

TAS5706A是一個(gè)從設(shè)備，它接收MCLK、SCLK和LRCLK。數(shù)字音頻處理器（DAP）支持時(shí)鐘控制寄存器中定義的所有采樣率和MCLK速率。它會(huì)檢查SCLK是否為32fS、48fS或64fS的特定值，并且只支持1×fS的LRCLK。在時(shí)鐘不穩(wěn)定或缺失MCLK時(shí)，它會(huì)使用內(nèi)部振蕩器時(shí)鐘來(lái)產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘。同時(shí)，DAP能自動(dòng)檢測(cè)輸入音頻的采樣率，并將內(nèi)部時(shí)鐘控制邏輯設(shè)置為相應(yīng)的頻率，包括32kHz、正常速度（44.1或48kHz）、雙倍速度（88.2kHz或96kHz）和四倍速度（176.4kHz或192kHz）。此外，它還支持AM干擾避免模式，在該模式下，時(shí)鐘速率會(huì)與PWM采樣率轉(zhuǎn)換器協(xié)同調(diào)整，以產(chǎn)生7×fS、8×fS或6×fS的PWM輸出。不過(guò)，在AM干擾避免和啟用去加重功能時(shí)，采樣率需要手動(dòng)設(shè)置。

串行數(shù)據(jù)接口

音頻串行數(shù)據(jù)通過(guò)SDIN1/2輸入，PWM輸出則由此派生而來(lái)。TAS5706A DAP能接受32kHz、44.1kHz、48kHz、88.2kHz、96kHz、176.4kHz和192kHz的串行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式包括16位、18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，具有很強(qiáng)的兼容性。

PWM部分

該部分采用噪聲整形和復(fù)雜的糾錯(cuò)算法，實(shí)現(xiàn)了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，在20Hz - 20kHz的頻率范圍內(nèi)具有超過(guò)100dB的信噪比性能。PWM部分接收來(lái)自DAP的24位PCM數(shù)據(jù)，并輸出四個(gè)PWM音頻輸出通道，支持橋接負(fù)載。此外，它還具有獨(dú)立通道的直流阻塞濾波器和去加重濾波器，可根據(jù)需要啟用或禁用，并且最大調(diào)制限制可在93.8% - 99.2%之間調(diào)整。

I2C兼容串行控制接口

TAS5706A DAP具有一個(gè)I2C串行控制從接口，用于接收系統(tǒng)控制器的命令。該接口支持正常速度（100kHz）和高速（400kHz）操作，無(wú)需等待狀態(tài)。即使MCLK缺失，接口也能正常工作。它支持對(duì)狀態(tài)寄存器和與PWM相關(guān)的通用控制寄存器進(jìn)行單字節(jié)和多字節(jié)的讀寫(xiě)操作，還支持一種特殊模式，允許將I2C寫(xiě)操作拆分為多個(gè)4字節(jié)的數(shù)據(jù)寫(xiě)操作，方便系統(tǒng)逐步寫(xiě)入大寄存器值，而不會(huì)阻塞其他I2C事務(wù)。

寄存器配置與操作

時(shí)鐘控制寄存器（0x00）

在手動(dòng)模式下，該寄存器為系統(tǒng)微處理器提供了根據(jù)采樣率和相關(guān)時(shí)鐘頻率更新數(shù)據(jù)和時(shí)鐘速率的方式。在自動(dòng)檢測(cè)模式下，TAS5706A會(huì)自動(dòng)確定時(shí)鐘，此時(shí)寄存器包含自動(dòng)檢測(cè)到的時(shí)鐘狀態(tài)。通過(guò)設(shè)置不同的位組合，可以選擇不同的采樣率和MCLK頻率。

設(shè)備ID寄存器（0x01）

包含固件版本的ID代碼，可用于識(shí)別設(shè)備的具體版本。

錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器（0x02）

該寄存器中的錯(cuò)誤位是粘性位，硬件不會(huì)自動(dòng)清除。軟件需要先將寄存器清零，然后讀取以確定是否存在持續(xù)的錯(cuò)誤，如MCLK錯(cuò)誤、PLL自動(dòng)鎖定錯(cuò)誤、SCLK錯(cuò)誤、LRCLK錯(cuò)誤和幀滑移等。

系統(tǒng)控制寄存器1（0x03）

具有多個(gè)功能，包括啟用或禁用每個(gè)通道的直流阻塞濾波器、選擇從時(shí)鐘錯(cuò)誤恢復(fù)時(shí)的靜音模式（軟靜音或硬靜音）、啟用或禁用時(shí)鐘自動(dòng)檢測(cè)、啟用或禁用軟啟動(dòng)以及選擇去加重功能。

串行數(shù)據(jù)接口寄存器（0x04）

支持21種串行數(shù)據(jù)模式，默認(rèn)模式為24位I2S模式。通過(guò)設(shè)置不同的位組合，可以選擇不同的數(shù)據(jù)格式和長(zhǎng)度。

系統(tǒng)控制寄存器2（0x05）

其中的D6位是控制位，D5位是配置位。當(dāng)D6位為低時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始播放；否則，輸出將被關(guān)閉。D5位定義了系統(tǒng)的配置，確定在D6位為低時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行模式。D3位定義了在耳機(jī)模式下控制HP_PWMx輸出音量的寄存器，D2 - D1位定義了輸出模式，包括揚(yáng)聲器模式、耳機(jī)模式和偽線輸出模式。

軟靜音寄存器（0x06）

向相應(yīng)的位寫(xiě)入1可將對(duì)應(yīng)通道的輸出設(shè)置為50%占空比，默認(rèn)值為0x00。

音量寄存器（0x07 - 0x0D）

包括主音量、各個(gè)通道的音量和耳機(jī)音量。步長(zhǎng)為0.5dB，可實(shí)現(xiàn)精細(xì)的音量調(diào)節(jié)。

音量配置寄存器（0x0E）

其中的D6位可啟用或禁用雙二階濾波器的音量補(bǔ)償功能，D2 - D0位用于控制音量變化和靜音漸變的速率。

調(diào)制限制寄存器（0x10）

用于設(shè)置調(diào)制限制，不同的位組合對(duì)應(yīng)不同的調(diào)制限制百分比。

通道間延遲寄存器（0x11 - 0x16）

將內(nèi)部PWM通道1 - 6映射到這些寄存器中，可設(shè)置每個(gè)通道的延遲值，以?xún)?yōu)化音頻的同步性。

偏移寄存器（0x17）

可設(shè)置通道的偏移值，范圍從最小絕對(duì)偏移（0 DCLK周期）到最大絕對(duì)偏移（255 DCLK周期）。

PWM關(guān)機(jī)組寄存器（0x19）

其設(shè)置決定了哪些PWM通道處于活動(dòng)狀態(tài)，默認(rèn)值為0x30，適用于兩個(gè)BTL輸出通道。該寄存器的功能與系統(tǒng)控制寄存器中的D5位狀態(tài)相關(guān)。

啟動(dòng)/停止周期寄存器（0x1A）

用于控制啟動(dòng)或關(guān)閉通道時(shí)的軟啟動(dòng)和軟停止周期，D7位可配置輸出級(jí)為橋接負(fù)載模式或單端負(fù)載模式。

振蕩器微調(diào)寄存器（0x1B）

TAS5706A PWM處理器包含一個(gè)內(nèi)部振蕩器用于PLL參考，通過(guò)向該寄存器寫(xiě)入特定值可啟用工廠微調(diào)。

BKND_ERR寄存器（0x1C）

當(dāng)接收到后端錯(cuò)誤信號(hào)（BKND_ERR = LOW）時(shí)，所有輸出級(jí)將被重置。通過(guò)設(shè)置不同的位組合，可以選擇不同的后端重置周期。

輸入多路復(fù)用器寄存器（0x20）

每個(gè)半字節(jié)的十六進(jìn)制值表示通道號(hào)，可將SDIN1、SDIN2的任何輸入映射到TAS5706A的任何內(nèi)部通道。

下混音輸入多路復(fù)用器寄存器（0x21）

用于選擇下混音數(shù)據(jù)或通道數(shù)據(jù)輸入到DAP內(nèi)部通道，還可啟用或禁用從輸入多路復(fù)用器到下混音塊的數(shù)據(jù)傳輸。

AM模式寄存器（0x22）

可啟用或禁用AM模式，選擇不同的序列和中頻頻率，并選擇使用BCD或二進(jìn)制調(diào)諧頻率。

PWM輸出多路復(fù)用器寄存器（0x25）

用于選擇將哪個(gè)內(nèi)部PWM通道輸出到外部引腳，任何通道都可以輸出到任何外部輸出引腳。

響度雙二階增益倒數(shù)寄存器（0x26）

通過(guò)音量配置寄存器中的D6位啟用或禁用雙二階濾波器1的增益補(bǔ)償功能，最大/最小雙二階增益為±4。

響度比例寄存器（0x28）

用于設(shè)置響度比例，與雙二階濾波器的增益相關(guān)。

DRC控制（0x46）

可啟用或禁用DRC1（衛(wèi)星通道）和DRC2（子通道），并設(shè)置DRC1與通道3和通道4的依賴(lài)關(guān)系。

銀行切換和耳機(jī)DRC/EQ控制（0x50）

可選擇銀行切換模式，包括無(wú)銀行切換、配置不同采樣率的銀行以及自動(dòng)銀行選擇。還可啟用或禁用耳機(jī)模式下的DRC和EQ功能。

TAS5706B特定寄存器設(shè)置

TAS5706B推薦用于2.1模式操作，在該模式下，需要對(duì)一些寄存器進(jìn)行特定設(shè)置以獲得最佳性能。

• 關(guān)機(jī)組寄存器（0x19）：設(shè)置為0x0C，確定哪些通道屬于關(guān)機(jī)組。
• 啟動(dòng)/停止寄存器（0x1A）：設(shè)置為0x95，配置為單端負(fù)載模式，并設(shè)置703.1ms的50%占空比啟動(dòng)/停止周期。
• 輸入多路復(fù)用器寄存器（0x20）：更新為0201667A，控制調(diào)制方案（AD或BD模式）以及I2S音頻到內(nèi)部通道的路由。
• PWM輸出多路復(fù)用器寄存器（0x25）：設(shè)置為01 01 54 23，將PWM通道1 - 6映射到相應(yīng)的外部輸出引腳。
• 通道間延遲寄存器：在2.1模式下使用時(shí)，需要更新ICD寄存器值，建議聯(lián)系廠家獲取優(yōu)化值。

應(yīng)用與注意事項(xiàng)

錯(cuò)誤恢復(fù)與保護(hù)機(jī)制

TAS5706A/B具備多種保護(hù)機(jī)制，如短路保護(hù)（SCP）、過(guò)溫保護(hù)（OTP）、欠壓保護(hù)（UVP）和過(guò)壓保護(hù)（OVP）。當(dāng)出現(xiàn)短路時(shí)，VALID引腳會(huì)變低，外部μC可監(jiān)測(cè)該引腳。設(shè)備會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)后端錯(cuò)誤序列，通過(guò)將VALID引腳拉低一段可編程的時(shí)間，然后重試以檢查SCP條件是否仍然存在。當(dāng)溫度低于135°C時(shí)，OTP會(huì)重新開(kāi)啟設(shè)備；當(dāng)PVCC高于8.5V時(shí)，UVP會(huì)開(kāi)啟設(shè)備；當(dāng)PVCC低于27.2V時(shí)，OVP會(huì)開(kāi)啟設(shè)備。

啟動(dòng)序列

為確保設(shè)備正常運(yùn)行，必須遵循特定的啟動(dòng)序列：

1. 將所有邏輯輸入置低，給AVDD/DVDD上電，并等待輸入穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)。
2. 將PDN和MUTE置高，并將其他邏輯輸入設(shè)置為所需狀態(tài)。
3. 提供穩(wěn)定的MCLK、LRCLK和SCLK，在初始化序列期間必須避免時(shí)鐘錯(cuò)誤。
4. 完成步驟3后，等待100μs，然后將RESET置高，并在RESET變高后等待13.5ms。
5. 微調(diào)內(nèi)部振蕩器（向寄存器0x1B寫(xiě)入0x00）。
6. 等待50ms，讓設(shè)備鎖定。
7. 通過(guò)I2C配置DAP，如設(shè)置下混音控制、雙二階濾波器、DRC參數(shù)和控制以及銀行選擇等。
8. 配置其余的I2C寄存器，如關(guān)機(jī)組、去加重、輸入多路復(fù)用器、輸出多路復(fù)用器、通道延遲、直流阻塞、從時(shí)鐘錯(cuò)誤的硬/軟靜音以及串行數(shù)據(jù)接口格式等。
9. 退出所有通道關(guān)機(jī)狀態(tài)（向寄存器0x05的第6位寫(xiě)入0）。

正常操作與重新配置

在正常操作期間，用戶(hù)可以進(jìn)行一些操作，如寫(xiě)入主音量或各個(gè)通道的音量寄存器、寫(xiě)入軟靜音寄存器、在手動(dòng)時(shí)鐘模式下寫(xiě)入時(shí)鐘和串行數(shù)據(jù)接口格式寄存器、寫(xiě)入寄存器0x05的第6位以進(jìn)入/退出所有通道關(guān)機(jī)狀態(tài)。但需要注意的是，在正常操作期間，除了明確列出的寄存器外，不應(yīng)更改其他寄存器的值，也不應(yīng)讀取寄存器。如果需要重新配置寄存器，需要返回所有通道關(guān)機(jī)狀態(tài)，等待關(guān)機(jī)等待時(shí)間，將PDN置高并保持MUTE穩(wěn)定，提供穩(wěn)定的時(shí)鐘，然后從步驟6開(kāi)始重復(fù)配置過(guò)程。

總結(jié)

德州儀器的TAS5706A/B系列數(shù)字音頻功率放大器功能強(qiáng)大、性能出色，適用于多種音頻應(yīng)用場(chǎng)景。通過(guò)對(duì)其特性、功能、寄存器配置和操作步驟的詳細(xì)了解，電子工程師可以更好地利用這款放大器，設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的音頻系統(tǒng)。不過(guò)，由于TAS5706A已不推薦用于新設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)優(yōu)先考慮TAS5706B。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，嚴(yán)格遵循啟動(dòng)序列和操作規(guī)范，合理配置寄存器，才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，為用戶(hù)帶來(lái)優(yōu)質(zhì)的音頻體驗(yàn)。你在使用類(lèi)似音頻功率放大器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。