TAS5705：高效數(shù)字音頻功率放大器的深度剖析

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質(zhì)量和播放效果。TI的TAS5705作為一款20 - W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。今天，我們就來深入了解一下這款放大器。

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一、TAS5705的關(guān)鍵特性

（一）音頻輸入輸出

TAS5705具有出色的音頻輸入輸出能力。它能在18 - V電源下為8 - Ω負(fù)載提供20 - W的功率，電源范圍從8 V到23 V，適應(yīng)多種電源環(huán)境。采用高效的D類操作，無需散熱片，這不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，還降低了成本。它有兩個(gè)串行音頻輸入（四個(gè)音頻通道），支持32 - kHz至192 - kHz的采樣率（LJ/RJ/I2S），還具備耳機(jī)PWM輸出和低音炮PWM輸出，滿足多樣化的音頻輸出需求。

（二）音頻/PWM處理

在音頻處理方面，TAS5705表現(xiàn)卓越。它擁有獨(dú)立的通道音量控制，范圍從24 - dB到 - 100 - dB，還具備軟靜音功能（50%占空比）?？?a target="_blank">編程動(dòng)態(tài)范圍控制（DRC）和16個(gè)自適應(yīng)雙二階濾波器用于揚(yáng)聲器均衡（EQ），其中左右聲道各有七個(gè)，低音炮通道有兩個(gè)，自適應(yīng)系數(shù)用于DRC濾波器，可有效提升音頻的動(dòng)態(tài)范圍和音質(zhì)。此外，它還有可編程的輸入和輸出混音器、直流阻斷濾波器以及低音炮響度補(bǔ)償功能。

（三）一般特性

TAS5705采用串行控制接口，無需MCLK即可運(yùn)行。工廠微調(diào)的內(nèi)部振蕩器能自動(dòng)檢測(cè)輸入采樣率，具備熱保護(hù)和短路保護(hù)功能，保障了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

二、電氣特性分析

（一）絕對(duì)最大額定值

在使用TAS5705時(shí)，需要注意其絕對(duì)最大額定值。例如，DVDD、AVDD的電源電壓范圍為 - 0.3至3.6 V，PVDD_X為 - 0.3至30 V等。超出這些范圍可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成永久性損壞。

（二）推薦工作條件

推薦的工作條件能確保TAS5705發(fā)揮最佳性能。數(shù)字/模擬電源電壓DVDD、AVDD為3至3.6 V，半橋電源電壓PVDD_X為8至23 V，工作環(huán)境溫度范圍為0至85°C等。

（三）PWM操作

在推薦工作條件下，不同的數(shù)據(jù)速率對(duì)應(yīng)不同的PWM輸出采樣率。如32 - kHz數(shù)據(jù)速率（±2%）對(duì)應(yīng)12×采樣率時(shí)為384 kHz，44.1、88.2、176.4 - kHz數(shù)據(jù)速率（±2%）對(duì)應(yīng)8×、4×和2×采樣率時(shí)為352.8 kHz等。

（四）PLL輸入?yún)?shù)和外部濾波器組件

MCLK的頻率范圍為4.9至49.2 MHz，占空比為40%至60%，最小高時(shí)間和低時(shí)間均為8 ns等。外部PLL濾波器電容C1推薦使用47 nF（SMD 0603 Y5V），C2為4.7 nF（SMD 0603 Y5V），電阻R為470 Ω（SMD 0603，金屬膜）。

三、功能模塊詳解

（一）電源供應(yīng)

TAS5705只需一個(gè)3.3 - V數(shù)字電源和一個(gè)典型的18 - V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（BST_X）和電源級(jí)電源引腳（PVDD_X），柵極驅(qū)動(dòng)電壓（GVDD_AB和GVDD_CD）由PVDD電壓派生而來。為保證自舉電路正常工作，需在每個(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。同時(shí)，每個(gè)PVDD_X引腳都應(yīng)使用一個(gè)100 - nF陶瓷電容進(jìn)行去耦，且去耦電容應(yīng)盡可能靠近引腳放置。

（二）系統(tǒng)電源上下電順序

1. 上電

上電時(shí)，建議在DVDD（3.3 V）上電后再將PVDD_X拉高，同時(shí)將TAS5705保持在復(fù)位狀態(tài)至少100 μs，以確保自舉電容充電。

2. 下電

先使能PDN（置低），等待功率級(jí)關(guān)閉，然后關(guān)閉PVDD，接著關(guān)閉DVDD，最后釋放PDN。

（三）錯(cuò)誤報(bào)告

FAULT引腳是一個(gè)低電平有效、開漏輸出引腳，用于向系統(tǒng)控制設(shè)備發(fā)送保護(hù)模式信號(hào)。當(dāng)出現(xiàn)過流（OC）、欠壓（UVP）或過熱錯(cuò)誤（OTE）時(shí)，F(xiàn)AULT引腳置低；正常工作時(shí)為高電平。

（四）設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)

1. 過流（OC）保護(hù)

TAS5705在所有高端和低端功率級(jí)FET上都有獨(dú)立、快速反應(yīng)的電流檢測(cè)器。當(dāng)出現(xiàn)過流情況時(shí)，首先進(jìn)行逐周期限流，若高電流情況持續(xù)，則觸發(fā)鎖存關(guān)閉，將功率級(jí)設(shè)置為高阻抗（Hi - Z）狀態(tài)，故障排除后自動(dòng)恢復(fù)正常。過流保護(hù)閾值由OC_ADJ引腳連接到地的電阻設(shè)置，建議使用22 kΩ的電阻。

2. 過熱保護(hù)

它采用兩級(jí)溫度保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)器件結(jié)溫超過125°C（標(biāo)稱）時(shí)發(fā)出高電平有效警告信號(hào)（OTW）；超過150°C（標(biāo)稱）時(shí)進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)，將所有半橋輸出設(shè)置為高阻抗（Hi - Z）狀態(tài)，F(xiàn)AULT引腳置低。要清除OTE鎖存，需對(duì)RESET引腳置低。

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/下電和掉電情況下保護(hù)設(shè)備。上電時(shí)，POR電路復(fù)位過載電路（OLP），當(dāng)GVDD_XY和VREG電源電壓分別達(dá)到5.7 V（典型）和2.7 V時(shí)，確保所有電路完全正常工作。若VREG或任何GVDD_XY引腳的電源電壓降至UVP閾值以下，所有半橋輸出將立即設(shè)置為高阻抗（Hi - Z）狀態(tài)，F(xiàn)AULT引腳置低，電源電壓恢復(fù)正常后自動(dòng)恢復(fù)工作。

（五）設(shè)備復(fù)位

RESET引腳用于控制半橋A/B/C/D。當(dāng)RESET置低時(shí)，半橋A、B、C和D的四個(gè)功率級(jí)FET被強(qiáng)制進(jìn)入高阻抗（Hi - Z）狀態(tài)。在BTL模式下，置低RESET輸入可使半橋輸出弱下拉，以實(shí)現(xiàn)自舉充電；在SE模式下，不啟用弱下拉，建議在RESET置高時(shí)在PWM輸入上提供低脈沖以確保自舉電容充電。

（六）SSTIMER功能

SSTIMER引腳通過連接到地的電容控制RESET引腳狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的輸出占空比。電容通過內(nèi)部電流源緩慢充電，充電時(shí)間決定了輸出從接近零占空比過渡到輸入占空比的速率，避免了RESET引腳狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生可聽的“噗噗”聲或“咔嗒”聲。在BD調(diào)制和SE（單端）模式下，SSTIMER引腳應(yīng)懸空。

（七）時(shí)鐘、自動(dòng)檢測(cè)和PLL

TAS5705是一個(gè)從設(shè)備，接受MCLK、SCLK和LRCLK。它能自動(dòng)檢測(cè)輸入采樣率，并將內(nèi)部時(shí)鐘控制邏輯設(shè)置為適合32 kHz、正常速度（44.1或48 kHz）、雙倍速度（88.2 kHz或96 kHz）和四倍速度（176.4 kHz或192 kHz）的設(shè)置。自動(dòng)采樣率檢測(cè)功能可通過I2C在時(shí)鐘控制寄存器中禁用并手動(dòng)設(shè)置。此外，它還支持AM干擾避免模式，可調(diào)整時(shí)鐘速率以產(chǎn)生滿足特定要求的PWM輸出。

（八）串行數(shù)據(jù)接口

串行數(shù)據(jù)通過SDIN1/2輸入，PWM輸出由此派生。TAS5705數(shù)字音頻處理器（DAP）接受32、44.1、48、88.2、96、176.4和192 - kHz的串行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式支持16、18、20或24位的左對(duì)齊、右對(duì)齊和I2S串行數(shù)據(jù)格式。

（九）PWM部分

TAS5705 DAP設(shè)備采用噪聲整形和復(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)。PWM部分使用四階噪聲整形器，在20 Hz至20 kHz范圍內(nèi)具有超過100 - dB的SNR性能。它接受來自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，PWM部分還具有可啟用和禁用的單通道直流阻斷濾波器、針對(duì)32、44.1和48 - kHz的單通道去加重濾波器，以及93.8%至99.2%的可調(diào)最大調(diào)制限制。

（十）I2C兼容串行控制接口

TAS5705 DAP具有I2C串行控制從接口，可從系統(tǒng)控制器接收命令。該接口支持正常速度（100 - kHz）和高速（400 - kHz）操作，無需等待狀態(tài)，即使MCLK缺失也能正常工作。它支持狀態(tài)寄存器和與PWM相關(guān)的通用控制寄存器的單字節(jié)和多字節(jié)讀寫操作，還支持一種特殊模式，可將I2C寫操作拆分為多個(gè)4字節(jié)的數(shù)據(jù)寫操作。

四、寄存器配置

（一）時(shí)鐘控制寄存器（0x00）

在手動(dòng)模式下，該寄存器允許系統(tǒng)微處理器根據(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；在自動(dòng)檢測(cè)模式下，TAS5705自動(dòng)確定時(shí)鐘。

（二）設(shè)備ID寄存器（0x01）

包含固件版本的ID代碼。

（三）錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器（0x02）

錯(cuò)誤位是粘性位，需軟件清零并讀取以確定是否存在持續(xù)錯(cuò)誤。

（四）系統(tǒng)控制寄存器1（0x03）

控制直流阻斷濾波器、時(shí)鐘錯(cuò)誤恢復(fù)時(shí)的靜音方式、時(shí)鐘自動(dòng)檢測(cè)和軟啟動(dòng)等功能，還可選擇去加重。

（五）串行數(shù)據(jù)接口寄存器（0x04）

支持多種串行數(shù)據(jù)模式，默認(rèn)是24位I2S模式。

（六）系統(tǒng)控制寄存器2（0x05）

D6位控制系統(tǒng)播放和輸出關(guān)閉，D5位定義系統(tǒng)配置，D3位選擇耳機(jī)模式下的音量控制寄存器，D2 - D1位定義輸出模式。

（七）軟靜音寄存器（0x06）

寫1到相應(yīng)位可將輸出設(shè)置為50%占空比。

（八）音量寄存器（0x07 - 0x0D）

包括主音量和各個(gè)通道的音量控制，步長(zhǎng)為0.5 dB。

（九）音量配置寄存器（0x0E）

控制雙二階濾波器1（BQ1）的音量補(bǔ)償和音量變化及靜音斜坡速率。

（十）調(diào)制限制寄存器（0x10）

設(shè)置調(diào)制限制。

（十一）通道間延遲寄存器（0x11 - 0x16）

定義內(nèi)部PWM通道的延遲。

（十二）偏移寄存器（0x17）

定義通道偏移。

（十三）PWM關(guān)閉組寄存器（0x19）

確定哪些PWM通道處于活動(dòng)狀態(tài)。

（十四）啟動(dòng)/停止周期寄存器（0x1A）

控制通道啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)的軟啟動(dòng)和軟停止周期，D7位配置輸出級(jí)為橋接負(fù)載（BTL）或單端負(fù)載（SE）模式。

（十五）振蕩器微調(diào)寄存器（0x1B）

TAS5705 PWM處理器包含內(nèi)部振蕩器用于PLL參考，建議使用18.2 kΩ（1%）的微調(diào)電阻連接在OSC_RES和DVSS之間。

（十六）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)復(fù)位，調(diào)制器等待一段時(shí)間后啟動(dòng)復(fù)位。

（十七）輸入多路復(fù)用器寄存器（0x20）

可將SDIN1或SDIN2的任何輸入映射到TAS5705的任何內(nèi)部通道。

（十八）下混輸入多路復(fù)用器寄存器（0x21）

選擇下混數(shù)據(jù)或通道數(shù)據(jù)到DAP內(nèi)部通道，還可控制輸入多路復(fù)用器數(shù)據(jù)到下混塊的使能。

（十九）AM模式寄存器（0x22）

控制AM模式的啟用和禁用、搜索序列的選擇以及IF頻率和調(diào)諧頻率的格式。

（二十）PWM輸出多路復(fù)用器寄存器（0x25）

選擇哪個(gè)內(nèi)部PWM通道輸出到外部引腳。

（二十一）響度雙二階增益逆寄存器（0x26）

D6位的音量配置寄存器（0x0E）可啟用/禁用BQ1的增益補(bǔ)償。

（二十二）響度縮放寄存器（0x28）

定義響度縮放因子。

（二十三）DRC控制（0x46）

控制DRC1和DRC2的啟用和禁用，以及它們與通道3和4的依賴關(guān)系。

（二十四）銀行切換和耳機(jī)DRC/EQ控制（0x50）

控制耳機(jī)模式下EQ和DRC的啟用和禁用，以及銀行切換功能。

五、總結(jié)

TAS5705是一款功能強(qiáng)大、性能出色的數(shù)字音頻功率放大器。其豐富的功能和特性使其適用于多種音頻應(yīng)用場(chǎng)景，如家庭音響、汽車音響等。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要深入了解其電氣特性、功能模塊和寄存器配置，嚴(yán)格按照推薦的工作條件和操作順序進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，要注意各個(gè)寄存器的設(shè)置和調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最佳的音頻性能。你在使用TAS5705的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。