TAS2120：高效單聲道數字輸入D類揚聲器放大器的設計與應用

在當今的音頻設備市場中，對于高性能、高效率音頻放大器的需求日益增長。TI推出的TAS2120單聲道數字輸入D類揚聲器放大器，憑借其集成的升壓功能、先進的特性以及出色的性能表現，成為了眾多電池供電系統的理想選擇。今天，我們就來深入探討一下TAS2120的特點、應用以及設計要點。

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一、TAS2120的核心特性

（一）強大的放大器性能

TAS2120擁有強大的D類放大器，能夠提供高達8.2W的輸出功率（1% THD+N），同時集成了14.75V升壓功能，最大電流限制為5.1A。其效率表現堪稱一流，在1W、8Ω負載下效率可達91%，空閑通道功率低至14.7mW（噪聲門關閉）和5.3mW（噪聲門開啟）。此外，它還集成了1.8V VDD Y橋和先進的33mV步長的H類升壓功能，進一步提升了系統效率。

（二）高性能音頻通道

該放大器的音頻通道性能卓越，空閑通道噪聲低至4.2μV A - wt.，動態范圍達到114.4dB，THD+N低至 - 90dB。同時，它還具備低EMI性能，通過ERC和SSM技術有效降低了電磁干擾。

（三）先進的集成特性

TAS2120集成了信號檢測高效模式、高精度電源電壓監測和溫度傳感器等功能，還支持以39mA步長進行可編程電池電流限制，以及兩個設備之間的升壓共享和外部H類升壓控制算法。

（四）易用性設計

在使用方面，TAS2120提供了硬件引腳控制或基于I2C的控制方式，支持內部升壓或外部PVDD供電，具備基于時鐘的電源上下電功能、自動時鐘速率檢測（16至192kHz）和無MCLK操作，同時還具備熱保護和過流保護功能。

二、TAS2120的應用場景

TAS2120的應用范圍非常廣泛，適用于各種需要高性能音頻放大的設備，如智能語音音箱、藍牙和無線揚聲器、樓宇自動化系統、平板電腦、可穿戴設備以及筆記本電腦和臺式計算機等。

三、TAS2120的詳細描述

（一）功能框圖

TAS2120的功能框圖展示了其各個模塊的組成和連接方式。它主要包括管理電源、數字核心、數字音頻接口、濾波器/控制、D類放大器、效率算法、控制接口、電池和溫度監測以及設備保護等模塊。這些模塊協同工作，實現了音頻信號的高效處理和放大。

（二）設備功能模式

1. 硬件關機模式：通過將SDZ引腳拉低，可以實現設備的關機。根據SDZ_MODE寄存器的設置，關機行為有所不同。在不同的設置下，設備可以實現正常的關機順序或立即關機，同時在關機模式下，設備的功耗可以降至最低。
2. 硬件配置模式：TAS2120可以通過選擇引腳（SEL1 - SEL5）的電阻端接來實現基于引腳控制的硬件模式，這種模式可以簡化設備的配置，無需通過I2C通信進行軟件配置。
3. 軟件電源模式控制和軟件復位：通過I2C接口修改配置寄存器，可以實現對設備電源狀態的控制。設備可以處于活動模式、軟件關機模式或基于時鐘的活動和關機狀態。同時，通過設置SW_RESET寄存器，可以將設備復位到默認配置。
4. 效率和節能模式：TAS2120具備多種節能模式，如噪聲門模式、音樂效率模式、VDD Y橋模式和H類升壓模式等。這些模式可以根據音頻信號的條件自動切換，以實現最高的系統效率。
5. 2S電池模式：TAS2120可以配置為適用于不同的電池系統，如單節鋰離子電池（1S）或雙節串聯電池（2S）。在2S電池模式下，需要對電池電壓監測和內部偏置電壓進行相應的配置。
6. 外部PVDD模式：通過將BST_EN寄存器設置為低電平，可以禁用內部升壓功能，使設備直接由外部PVDD電源供電。在這種模式下，需要使用PPC3軟件對設備進行配置。
7. 故障和狀態監測：設備在開機過程中會監測VDD和IOVDD引腳的電源狀態，當電源電壓低于UVLO閾值時，設備會立即復位。在運行過程中，設備會監測內部狀態和故障條件，并通過IRQZ中斷引腳和內部I2C中斷寄存器向主機通知錯誤和狀態信息。

四、TAS2120的特性描述

（一）PurePath? Console 3軟件

PurePath Console 3（PPC3）軟件是配置TAS2120的推薦工具。通過該軟件，可以計算必要的寄存器系數，優化設備的性能參數，以適應不同的應用場景。

（二）播放信號路徑

1. 數字音量控制和放大器輸出電平：音頻輸入到揚聲器終端的增益可以通過設置放大器的模擬增益水平和數字音量控制來實現。數字音量控制可以在通道活動時進行修改，并且支持軟音量漸變功能，以實現輸出電壓的平滑過渡。
2. 高通濾波器：為了防止音頻播放信號中的直流和低頻成分損壞揚聲器，播放路徑中采用了一階高通濾波器。該濾波器的截止頻率可以通過PPC3軟件進行配置。
3. D類放大器：TAS2120集成了高性能的D類放大器，具有低空閑通道噪聲、低失真和高PSRR等特點。放大器的開關頻率由SBCLK頻率派生而來，并與輸入時鐘源同步。同時，它還支持可編程邊緣速率控制和時鐘擴展頻譜調制，以降低EMI。此外，放大器還具備過流保護和輸出阻抗控制功能。
4. 供電跟蹤限幅器和欠壓保護：TAS2120可以監測D類電源電壓和音頻信號，當音頻信號峰值超過可編程閾值時，自動降低增益，以防止信號削波并延長電池續航時間。欠壓保護模塊可以對電池供電的瞬態下降做出快速響應，通過調整增益來避免設備因欠壓而損壞。
5. 音調發生器：設備可以通過集成的音調發生器內部生成正弦音調。音調的頻率和幅度可以通過PPC3軟件進行編程，并且可以與輸入音頻流混合或替換輸入音頻流。
6. 數字音頻串行接口：TAS2120提供了靈活的音頻串行接口（ASI）端口，支持多種格式，如立體聲I2S、左對齊和TDM。單聲道音頻播放可以通過SDIN引腳實現，SDOUT引腳可以傳輸多種采樣流，包括PVDD電壓、VBAT電壓、芯片溫度、狀態和音頻等信息。
7. 內部升壓：TAS2120的內部升壓算法可以根據電池電壓和數字音頻流自動啟用升壓功能。升壓可以配置為低浪涌（Class - G）或高效（Class - H）模式，通過BST_MODE寄存器進行設置。同時，升壓的最大電壓、最小脈沖頻率和峰值電流限制等參數都可以通過PPC3軟件進行配置。
8. 升壓共享：TAS2120支持與非升壓設備（如TAS2320）進行升壓共享，以減少電路板的尺寸和優化BOM成本。在共享升壓配置中，需要注意設備的上電順序和相關參數的配置。
9. 外部H類升壓控制器：設備實現了H類算法，允許用戶通過控制外部電源來優化系統效率。通過CLH引腳生成的PWM信號，可以控制外部升壓轉換器，以提供足夠的動態范圍而不產生削波失真。
10. 電源電壓監測：TAS2120集成了SAR ADC，可以監測電源電壓引腳。監測到的電壓用于內部設備功能、保護和數據傳輸。通過SEL_VBAT_MODE寄存器，可以選擇監測VBAT或VBAT_SNS引腳的電壓。同時，設備還具備電壓保護功能，當電壓超過保護閾值時，會自動關閉設備并設置相應的故障寄存器。
11. 熱保護：設備內部的溫度監測器可以保護設備免受過熱損壞。當內部溫度超過過熱閾值時，設備會自動關機并設置過熱標志。同時，設備還具備熱警告閾值，可以在溫度接近關機閾值時發出中斷或標志。
12. 時鐘和PLL：在TDM/I2S模式下，設備由SBCLK驅動。不同的采樣率和SBCLK到FSYNC比率對應著不同的有效SBCLK頻率。設備可以自動檢測輸入的PCM FSYNC和BCLK頻率，并自動配置自身以播放音頻信號。同時，設備還具備時鐘錯誤檢測和保護功能，當檢測到時鐘錯誤時，會自動關機以避免產生噪聲。
13. 數字IO引腳：TAS2120支持1.8V和3.3V的IO電壓供應，I2S數字輸入引腳具有可選的弱下拉功能，以防止引腳浮空。

五、TAS2120的寄存器映射

TAS2120的寄存器被組織成頁和書，不同的頁包含了不同的配置寄存器。通過設置相應的寄存器，可以實現對設備的各種功能進行配置和控制。

六、TAS2120的應用和實現

（一）應用信息

TAS2120需要外部電源供應，包括VBAT（2.5V - 5.5V）、VDD（1.65V - 1.95V）和IOVDD（1.8V或3.3V）。推薦使用PurePath? Console 3（PPC3）軟件來配置設備，以優化其性能參數。

（二）典型應用

文檔中給出了內部升壓和外部PVDD模式的典型應用連接圖。在設計時，需要注意電源引腳的連接和布線，使用寬走線以減少寄生電感，同時將去耦電容放置在靠近設備引腳的位置。

（三）設計要求

設計時需要考慮電源供應電流、LC濾波器截止頻率等參數。同時，需要注意IRQZ引腳的使用，避免因該引腳拉高而導致額外的電流消耗。

（四）詳細設計步驟

1. 單聲道/立體聲配置：設備默認工作在單聲道模式，通過改變I2C地址可以支持立體聲或多聲道操作。
2. 升壓轉換器無源器件：升壓轉換器需要多個無源器件，如電感和電容。電感的飽和電流應大于ILIM + 5%，以確保能夠提供D類峰值功率。同時，電感和電容的比值需要滿足一定的要求，以保證升壓的穩定性。
3. EMI無源器件：為了進一步降低EMI，可以在D類輸出端添加無源器件。在選擇EMI濾波器的組件值時，需要根據應用需求選擇合適的截止頻率和低直流電阻的組件，以提高系統效率。
4. 其他無源器件：GREG電容需要滿足一定的規格要求，并與PVDD引腳進行正確的連接。所有去耦電容應放置在靠近設備的位置，選擇小封裝尺寸以減少ESL，并通過多個過孔將電容的接地端與接地平面連接，以減少接地回路的電阻。

（五）應用性能曲線

文檔中給出了THD + N與輸出功率、效率與輸出功率的關系曲線，這些曲線可以幫助工程師了解設備在不同條件下的性能表現，從而進行合理的設計和優化。

（六）注意事項

在使用TAS2120時，需要注意IRQZ引腳的使用，避免因該引腳拉高而導致額外的電流消耗。同時，在設備的上電和下電過程中，需要遵循一定的順序，以確保設備的正常工作。

七、TAS2120的布局建議

（一）布局指南

在布局時，應使用寬走線來承載高電流信號，并盡量避免使用過孔。如果無法避免過孔，應使用多個過孔以降低寄生電感。同時，應避免高開關信號走線與敏感的低電壓信號之間的耦合，以及高開關線路與接地/靜態節點之間的電容耦合。去耦電容應放置在靠近設備的位置，選擇小封裝尺寸以減少ESL，并通過多個過孔將電容的接地端與接地平面連接。

（二）布局示例

文檔中給出了TAS2120的布局示例，包括頂層和底層的布局圖。這些示例可以為工程師提供參考，幫助他們設計出合理的電路板布局。

八、總結

TAS2120是一款功能強大、性能卓越的單聲道數字輸入D類揚聲器放大器。它具有多種先進的特性和功能，適用于各種音頻應用場景。在設計過程中，工程師需要充分了解設備的特性和要求，選擇合適的外部組件，進行合理的布局和布線，以確保設備能夠發揮出最佳性能。同時，使用PurePath? Console 3軟件可以幫助工程師優化設備的配置，提高設計效率和質量。希望本文對各位電子工程師在使用TAS2120進行設計時有所幫助。

你在設計過程中遇到過哪些關于音頻放大器的挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。