TAS2120：高效单声道数字输入D类扬声器放大器的设计与应用

在当今的音频设备市场中，对于高性能、高效率音频放大器的需求日益增长。TI推出的TAS2120单声道数字输入D类扬声器放大器，凭借其集成的升压功能、先进的特性以及出色的性能表现，成为了众多电池供电系统的理想选择。今天，我们就来深入探讨一下TAS2120的特点、应用以及设计要点。

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一、TAS2120的核心特性

（一）强大的放大器性能

TAS2120拥有强大的D类放大器，能够提供高达8.2W的输出功率（1% THD+N），同时集成了14.75V升压功能，最大电流限制为5.1A。其效率表现堪称一流，在1W、8Ω负载下效率可达91%，空闲通道功率低至14.7mW（噪声门关闭）和5.3mW（噪声门开启）。此外，它还集成了1.8V VDD Y桥和先进的33mV步长的H类升压功能，进一步提升了系统效率。

（二）高性能音频通道

该放大器的音频通道性能卓越，空闲通道噪声低至4.2µV A - wt.，动态范围达到114.4dB，THD+N低至 - 90dB。同时，它还具备低EMI性能，通过ERC和SSM技术有效降低了电磁干扰。

（三）先进的集成特性

TAS2120集成了信号检测高效模式、高精度电源电压监测和温度传感器等功能，还支持以39mA步长进行可编程电池电流限制，以及两个设备之间的升压共享和外部H类升压控制算法。

（四）易用性设计

在使用方面，TAS2120提供了硬件引脚控制或基于I2C的控制方式，支持内部升压或外部PVDD供电，具备基于时钟的电源上下电功能、自动时钟速率检测（16至192kHz）和无MCLK操作，同时还具备热保护和过流保护功能。

二、TAS2120的应用场景

TAS2120的应用范围非常广泛，适用于各种需要高性能音频放大的设备，如智能语音音箱、蓝牙和无线扬声器、楼宇自动化系统、平板电脑、可穿戴设备以及笔记本电脑和台式计算机等。

三、TAS2120的详细描述

（一）功能框图

TAS2120的功能框图展示了其各个模块的组成和连接方式。它主要包括管理电源、数字核心、数字音频接口、滤波器/控制、D类放大器、效率算法、控制接口、电池和温度监测以及设备保护等模块。这些模块协同工作，实现了音频信号的高效处理和放大。

（二）设备功能模式

1. 硬件关机模式：通过将SDZ引脚拉低，可以实现设备的关机。根据SDZ_MODE寄存器的设置，关机行为有所不同。在不同的设置下，设备可以实现正常的关机顺序或立即关机，同时在关机模式下，设备的功耗可以降至最低。
2. 硬件配置模式：TAS2120可以通过选择引脚（SEL1 - SEL5）的电阻端接来实现基于引脚控制的硬件模式，这种模式可以简化设备的配置，无需通过I2C通信进行软件配置。
3. 软件电源模式控制和软件复位：通过I2C接口修改配置寄存器，可以实现对设备电源状态的控制。设备可以处于活动模式、软件关机模式或基于时钟的活动和关机状态。同时，通过设置SW_RESET寄存器，可以将设备复位到默认配置。
4. 效率和节能模式：TAS2120具备多种节能模式，如噪声门模式、音乐效率模式、VDD Y桥模式和H类升压模式等。这些模式可以根据音频信号的条件自动切换，以实现最高的系统效率。
5. 2S电池模式：TAS2120可以配置为适用于不同的电池系统，如单节锂离子电池（1S）或双节串联电池（2S）。在2S电池模式下，需要对电池电压监测和内部偏置电压进行相应的配置。
6. 外部PVDD模式：通过将BST_EN寄存器设置为低电平，可以禁用内部升压功能，使设备直接由外部PVDD电源供电。在这种模式下，需要使用PPC3软件对设备进行配置。
7. 故障和状态监测：设备在开机过程中会监测VDD和IOVDD引脚的电源状态，当电源电压低于UVLO阈值时，设备会立即复位。在运行过程中，设备会监测内部状态和故障条件，并通过IRQZ中断引脚和内部I2C中断寄存器向主机通知错误和状态信息。

四、TAS2120的特性描述

（一）PurePath™ Console 3软件

PurePath Console 3（PPC3）软件是配置TAS2120的推荐工具。通过该软件，可以计算必要的寄存器系数，优化设备的性能参数，以适应不同的应用场景。

（二）播放信号路径

1. 数字音量控制和放大器输出电平：音频输入到扬声器终端的增益可以通过设置放大器的模拟增益水平和数字音量控制来实现。数字音量控制可以在通道活动时进行修改，并且支持软音量渐变功能，以实现输出电压的平滑过渡。
2. 高通滤波器：为了防止音频播放信号中的直流和低频成分损坏扬声器，播放路径中采用了一阶高通滤波器。该滤波器的截止频率可以通过PPC3软件进行配置。
3. D类放大器：TAS2120集成了高性能的D类放大器，具有低空闲通道噪声、低失真和高PSRR等特点。放大器的开关频率由SBCLK频率派生而来，并与输入时钟源同步。同时，它还支持可编程边缘速率控制和时钟扩展频谱调制，以降低EMI。此外，放大器还具备过流保护和输出阻抗控制功能。
4. 供电跟踪限幅器和欠压保护：TAS2120可以监测D类电源电压和音频信号，当音频信号峰值超过可编程阈值时，自动降低增益，以防止信号削波并延长电池续航时间。欠压保护模块可以对电池供电的瞬态下降做出快速响应，通过调整增益来避免设备因欠压而损坏。
5. 音调发生器：设备可以通过集成的音调发生器内部生成正弦音调。音调的频率和幅度可以通过PPC3软件进行编程，并且可以与输入音频流混合或替换输入音频流。
6. 数字音频串行接口：TAS2120提供了灵活的音频串行接口（ASI）端口，支持多种格式，如立体声I2S、左对齐和TDM。单声道音频播放可以通过SDIN引脚实现，SDOUT引脚可以传输多种采样流，包括PVDD电压、VBAT电压、芯片温度、状态和音频等信息。
7. 内部升压：TAS2120的内部升压算法可以根据电池电压和数字音频流自动启用升压功能。升压可以配置为低浪涌（Class - G）或高效（Class - H）模式，通过BST_MODE寄存器进行设置。同时，升压的最大电压、最小脉冲频率和峰值电流限制等参数都可以通过PPC3软件进行配置。
8. 升压共享：TAS2120支持与非升压设备（如TAS2320）进行升压共享，以减少电路板的尺寸和优化BOM成本。在共享升压配置中，需要注意设备的上电顺序和相关参数的配置。
9. 外部H类升压控制器：设备实现了H类算法，允许用户通过控制外部电源来优化系统效率。通过CLH引脚生成的PWM信号，可以控制外部升压转换器，以提供足够的动态范围而不产生削波失真。
10. 电源电压监测：TAS2120集成了SAR ADC，可以监测电源电压引脚。监测到的电压用于内部设备功能、保护和数据传输。通过SEL_VBAT_MODE寄存器，可以选择监测VBAT或VBAT_SNS引脚的电压。同时，设备还具备电压保护功能，当电压超过保护阈值时，会自动关闭设备并设置相应的故障寄存器。
11. 热保护：设备内部的温度监测器可以保护设备免受过热损坏。当内部温度超过过热阈值时，设备会自动关机并设置过热标志。同时，设备还具备热警告阈值，可以在温度接近关机阈值时发出中断或标志。
12. 时钟和PLL：在TDM/I2S模式下，设备由SBCLK驱动。不同的采样率和SBCLK到FSYNC比率对应着不同的有效SBCLK频率。设备可以自动检测输入的PCM FSYNC和BCLK频率，并自动配置自身以播放音频信号。同时，设备还具备时钟错误检测和保护功能，当检测到时钟错误时，会自动关机以避免产生噪声。
13. 数字IO引脚：TAS2120支持1.8V和3.3V的IO电压供应，I2S数字输入引脚具有可选的弱下拉功能，以防止引脚浮空。

五、TAS2120的寄存器映射

TAS2120的寄存器被组织成页和书，不同的页包含了不同的配置寄存器。通过设置相应的寄存器，可以实现对设备的各种功能进行配置和控制。

六、TAS2120的应用和实现

（一）应用信息

TAS2120需要外部电源供应，包括VBAT（2.5V - 5.5V）、VDD（1.65V - 1.95V）和IOVDD（1.8V或3.3V）。推荐使用PurePath™ Console 3（PPC3）软件来配置设备，以优化其性能参数。

（二）典型应用

文档中给出了内部升压和外部PVDD模式的典型应用连接图。在设计时，需要注意电源引脚的连接和布线，使用宽走线以减少寄生电感，同时将去耦电容放置在靠近设备引脚的位置。

（三）设计要求

设计时需要考虑电源供应电流、LC滤波器截止频率等参数。同时，需要注意IRQZ引脚的使用，避免因该引脚拉高而导致额外的电流消耗。

（四）详细设计步骤

1. 单声道/立体声配置：设备默认工作在单声道模式，通过改变I2C地址可以支持立体声或多声道操作。
2. 升压转换器无源器件：升压转换器需要多个无源器件，如电感和电容。电感的饱和电流应大于ILIM + 5%，以确保能够提供D类峰值功率。同时，电感和电容的比值需要满足一定的要求，以保证升压的稳定性。
3. EMI无源器件：为了进一步降低EMI，可以在D类输出端添加无源器件。在选择EMI滤波器的组件值时，需要根据应用需求选择合适的截止频率和低直流电阻的组件，以提高系统效率。
4. 其他无源器件：GREG电容需要满足一定的规格要求，并与PVDD引脚进行正确的连接。所有去耦电容应放置在靠近设备的位置，选择小封装尺寸以减少ESL，并通过多个过孔将电容的接地端与接地平面连接，以减少接地回路的电阻。

（五）应用性能曲线

文档中给出了THD + N与输出功率、效率与输出功率的关系曲线，这些曲线可以帮助工程师了解设备在不同条件下的性能表现，从而进行合理的设计和优化。

（六）注意事项

在使用TAS2120时，需要注意IRQZ引脚的使用，避免因该引脚拉高而导致额外的电流消耗。同时，在设备的上电和下电过程中，需要遵循一定的顺序，以确保设备的正常工作。

七、TAS2120的布局建议

（一）布局指南

在布局时，应使用宽走线来承载高电流信号，并尽量避免使用过孔。如果无法避免过孔，应使用多个过孔以降低寄生电感。同时，应避免高开关信号走线与敏感的低电压信号之间的耦合，以及高开关线路与接地/静态节点之间的电容耦合。去耦电容应放置在靠近设备的位置，选择小封装尺寸以减少ESL，并通过多个过孔将电容的接地端与接地平面连接。

（二）布局示例

文档中给出了TAS2120的布局示例，包括顶层和底层的布局图。这些示例可以为工程师提供参考，帮助他们设计出合理的电路板布局。

八、总结

TAS2120是一款功能强大、性能卓越的单声道数字输入D类扬声器放大器。它具有多种先进的特性和功能，适用于各种音频应用场景。在设计过程中，工程师需要充分了解设备的特性和要求，选择合适的外部组件，进行合理的布局和布线，以确保设备能够发挥出最佳性能。同时，使用PurePath™ Console 3软件可以帮助工程师优化设备的配置，提高设计效率和质量。希望本文对各位电子工程师在使用TAS2120进行设计时有所帮助。

你在设计过程中遇到过哪些关于音频放大器的挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。