探索TAS5701：20W立體聲數(shù)字音頻功率放大器的卓越性能

在音頻設(shè)備的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，功率放大器的性能直接影響著音頻的質(zhì)量和設(shè)備的整體表現(xiàn)。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）推出的TAS5701——一款20W立體聲數(shù)字音頻功率放大器，看看它在音頻處理和功率輸出方面有哪些獨(dú)特之處。

文件下載：tas5701.pdf

一、TAS5701關(guān)鍵特性概述

音頻輸入輸出特性

• 強(qiáng)大的功率輸出：在18V電源下，能向8Ω負(fù)載提供20W的功率，并且PVDD范圍寬廣，從0V到21V，這使得它在不同電源環(huán)境下都能穩(wěn)定工作。
• 高效的Class - D工作模式：這種模式不僅效率高，還能消除對(duì)散熱片的需求，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。
• 多通道輸入與寬采樣率支持：具備兩個(gè)串行音頻輸入（3個(gè)音頻通道），支持32kHz到192kHz的采樣率，包括LJ、RJ、I2S格式，同時(shí)還提供線電平的低音炮PWM輸出。

音頻/PWM處理特性

• BD調(diào)制與負(fù)載支持：采用BD（無濾波器）調(diào)制，僅支持橋接負(fù)載，能有效提升音頻處理效率。
• 靈活的音量控制：擁有4級(jí)音量控制（0dB、6dB、12dB、18dB），所有通道共享相同的控制，并且具備軟靜音功能，能實(shí)現(xiàn)無噪音的音量調(diào)節(jié)。
• 出色的音頻性能指標(biāo)：信噪比≥100dB（在最大輸出、THD + N = 1%、1kHz、A加權(quán)噪聲、增益 = 0dB條件下測(cè)量），在1/2額定功率時(shí)THD < 0.1%，能提供高質(zhì)量的音頻輸出。

通用特性

• 高容錯(cuò)輸入：部分輸入引腳具有5V容錯(cuò)能力，增強(qiáng)了設(shè)備的穩(wěn)定性和兼容性。
• 低功耗模式：具備關(guān)機(jī)模式，可降低功耗，延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。
• 多重保護(hù)機(jī)制：擁有熱保護(hù)和短路保護(hù)功能，能自動(dòng)檢測(cè)采樣率變化，無需外部微處理器干預(yù)，提高了設(shè)備的可靠性。

二、TAS5701功能詳細(xì)剖析

電源供應(yīng)設(shè)計(jì)

芯片的數(shù)字部分需要3.3V電源，模擬部分可在高達(dá)12V的可變范圍內(nèi)工作，PVDD的最大工作范圍可達(dá)22V。為了方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)，TAS5701除了典型的18V功率級(jí)電源外，僅需一個(gè)12V電源。內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器為數(shù)字和低壓模擬電路提供合適的電壓，同時(shí)內(nèi)置的自舉電路為需要浮動(dòng)電壓供應(yīng)的電路提供支持，只需幾個(gè)外部電容即可。

在電源設(shè)計(jì)中，每個(gè)半橋都有獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)電源（GVDD_X）、自舉引腳（BST_X）和功率級(jí)電源引腳（PVDD_X）。所有去耦電容應(yīng)盡可能靠近相關(guān)引腳放置，以避免電源引腳和去耦電容之間的電感。自舉電路需要在每個(gè)自舉引腳（BST_X）和功率級(jí)輸出引腳（OUT_X）之間連接一個(gè)小陶瓷電容，推薦在352kHz到384kHz的PWM開關(guān)頻率應(yīng)用中使用33nF的陶瓷電容。

時(shí)鐘與自動(dòng)檢測(cè)功能

TAS5701是一個(gè)時(shí)鐘從設(shè)備，接受MCLK、SCLK和LRCLK。它能自動(dòng)檢測(cè)并設(shè)置內(nèi)部時(shí)鐘控制邏輯，以適應(yīng)32kHz、44.1kHz、48kHz、88.2kHz、96kHz、176.4kHz和192kHz的頻率。這種自動(dòng)檢測(cè)功能使得設(shè)備在不同的音頻源下都能穩(wěn)定工作，無需復(fù)雜的外部控制。

串行數(shù)據(jù)接口

串行數(shù)據(jù)通過SDIN1和SDIN2輸入，PWM輸出由此衍生。TAS5701的數(shù)字音頻處理器（DAP）接受32kHz、44.1kHz、48kHz、88.2kHz、96kHz、176.4kHz和192kHz的串行數(shù)據(jù)，支持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。SDIN1的左聲道數(shù)據(jù)發(fā)送到OUTA/OUTB（BTL配置），右聲道數(shù)據(jù)發(fā)送到OUTC/OUTD；SDIN2的左聲道數(shù)據(jù)發(fā)送到SUB_PWM +/ - ，右聲道數(shù)據(jù)被忽略。

PWM部分

DAP具有三個(gè)高性能數(shù)字PWM調(diào)制器，采用BD調(diào)制驅(qū)動(dòng)橋接輸出H橋配置。通過噪聲整形和復(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)。PWM部分接受來自DAP的24位PCM數(shù)據(jù)，輸出三個(gè)PWM音頻輸出通道，僅支持橋接負(fù)載。每個(gè)通道都有直流阻塞濾波器，截止頻率小于1Hz，并且具有固定的最大調(diào)制限制97.7%。

串行接口控制與定時(shí)

• I2S定時(shí)：使用LRCLK定義數(shù)據(jù)是左聲道還是右聲道，LRCLK為低時(shí)表示左聲道，為高時(shí)表示右聲道。系統(tǒng)時(shí)鐘（SCLK）以32、48或64×fs運(yùn)行，數(shù)據(jù)在LRCLK信號(hào)狀態(tài)改變后一個(gè)位時(shí)鐘延遲開始傳輸，數(shù)據(jù)按MSB優(yōu)先寫入，在位時(shí)鐘的上升沿有效。
• 左對(duì)齊和右對(duì)齊定時(shí)：左對(duì)齊（LJ）和右對(duì)齊（RJ）定時(shí)也使用LRCLK定義聲道，數(shù)據(jù)在不同的時(shí)鐘周期和條件下寫入。
• 格式控制：通過三個(gè)外部終端（FORMAT0、FORMAT1和FORMAT2）選擇數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸入格式，更改在RESET上升沿立即鎖存。
• 增益控制：通過兩個(gè)外部增益引腳（GAIN_0和GAIN_1）選擇DAP的增益，所有通道的增益相同，更改在RESET上升沿立即鎖存。

設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)

• 短路保護(hù)：所有高側(cè)和低側(cè)功率級(jí)FET都有獨(dú)立的快速反應(yīng)電流檢測(cè)器，當(dāng)出現(xiàn)過流情況時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)鎖存關(guān)機(jī)，將功率級(jí)設(shè)置為高阻抗?fàn)顟B(tài)，并使FAULT引腳置低。
• 過溫保護(hù)：當(dāng)設(shè)備結(jié)溫超過150°C（標(biāo)稱值）時(shí)，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)，F(xiàn)AULT引腳置低。當(dāng)溫度下降30°C（典型值）時(shí)，設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行。
• 欠壓保護(hù)和上電復(fù)位：UVP和POR電路在任何上電/下電和掉電情況下都能完全保護(hù)設(shè)備。當(dāng)任何VDD或GVDD_X引腳的電源電壓下降到UVP閾值以下時(shí)，所有輸出立即設(shè)置為高阻抗?fàn)顟B(tài)，F(xiàn)AULT引腳置低。當(dāng)所有電源電壓上升到UVP閾值以上時(shí)，設(shè)備自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。

三、TAS5701的應(yīng)用與性能表現(xiàn)

典型特性曲線分析

從典型特性曲線中可以看出，TAS5701在不同的輸出功率、頻率和電源電壓下都有出色的表現(xiàn)。例如，在總諧波失真 + 噪聲（THD + N）與輸出功率的關(guān)系曲線中，隨著輸出功率的增加，THD + N在不同頻率下的變化趨勢(shì)不同，但總體上都能保持在較低的水平。在系統(tǒng)效率與輸出功率的關(guān)系曲線中，設(shè)備在不同負(fù)載阻抗下都能保持較高的效率。

實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景

TAS5701適用于各種音頻設(shè)備，如立體聲揚(yáng)聲器系統(tǒng)、家庭影院、汽車音響等。其高效的功率輸出、出色的音頻性能和完善的保護(hù)機(jī)制，使得它在這些應(yīng)用中能夠提供高質(zhì)量的音頻體驗(yàn)。

四、總結(jié)與思考

TAS5701作為一款高性能的20W立體聲數(shù)字音頻功率放大器，在音頻處理、功率輸出和保護(hù)機(jī)制等方面都表現(xiàn)出色。它的多種特性和靈活的控制方式，為電子工程師在音頻設(shè)備設(shè)計(jì)中提供了很大便利。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，我們還需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求，合理選擇電源、去耦電容和外部電路，以充分發(fā)揮TAS5701的性能。你在使用類似音頻功率放大器時(shí)，遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。