低成本高性能声吧系统设计：CN - 0296电路解析

一、引言

在当今的音频设备设计中，低成本与高性能的结合是一个重要的追求目标。Circuits from the Lab™参考电路为我们提供了许多解决方案，其中CN - 0296电路就是一个典型的例子。它能够解决模拟、混合信号和射频设计中的挑战，适用于小尺寸的对接站和便携式媒体设备。下面我们就来详细了解一下这个电路。

文件下载：EVAL-CN0296-SDPZ.pdf

二、相关器件介绍

2.1 ADAU1761

ADAU1761是一款低功耗立体声音频编解码器，集成了数字音频处理功能，也被称为SigmaDSP®。它有两个ADC用于接收两个音频通道，并能通过集成的SigmaDSP®核心进行数字处理。SigmaDSP处理器针对音频应用进行了优化，可使用SigmaStudio开发软件进行编程，方便易用且能加快开发速度。该芯片的输出可以通过串行接口向输出放大器发送多达八个通道的数字音频数据，并且允许在每个通道进行不同的音频信号处理，如音量控制、自定义均衡、滤波和空间化效果等。

2.2 SSM2518

SSM2518是一款数字输入D类音频功率放大器，能够在4Ω负载下，每个通道输出连续功率为2瓦的双声道音频。其通道映射功能允许它从接口中选择特定的通道进行输出，非常适合环绕声应用。

三、电路功能与优势

3.1 整体功能

CN - 0296电路是一个低成本、高性能的声吧系统，它可以接受模拟立体声音频信号作为输入，并能输出多达八个通道的音频，且每个通道都能进行独立处理。该电路功耗低、效率高，同时不牺牲音频质量，还能直接驱动耳机，无需额外组件。

3.2 音频处理与放大

ADAU1761负责音频输入和处理，它的输入路径可以同时接受两个通道的单端或差分音频，输入信号被发送到其DSP核心进行处理。音频信号路径和处理算法可使用Analog Devices SigmaStudio软件创建，软件中的内置库允许在信号流中添加不同的处理模块，编程后，用户可以完全控制这些模块。

SSM2518作为D类输出放大器，接收串行数据，进行数模转换并驱动扬声器。电路中使用了四个SSM2518，可输出八个通道的音频，其通道映射功能使每个SSM2518能够从接口中输出不同的通道。

四、电路详细描述

4.1 I2C访问和配置寄存器

ADAU1761和SSM2518都有内部寄存器，需要通过I2C接口由微控制器或主机进行配置。SSM2518有一个地址引脚，通过控制该引脚的高低电平，可以使四个SSM2518设备在I2C总线上拥有唯一地址，从而实现与总线的通信和配置。

4.2 串行数据接口

串行数据接口使用I2S或TDM兼容的数据流传输音频，传输的信号包括位时钟（BCLK）、帧时钟（LRCLK）和数据（SDATA）。ADAU1761被配置为主设备，是BCLK、LRCLK和SDATA的源。为了保证正常运行，设备的主时钟（MCLK）必须同步，通常使用12.288 MHz的晶体振荡器作为主时钟。同时，需要注意时钟和信号线的布局，考虑ADAU1761和SSM2518的输入电容，必要时使用缓冲器以避免负载效应。串行数据信号可以配置为I2S、TDM - 4或TDM - 8，分别用于在每个音频帧中传输两个、四个或八个音频通道。

五、电路性能测试

5.1 输出噪声电压和信噪比

通过将输入接地或用适当的阻抗端接，在22 Hz至22 kHz的带宽内使用A加权滤波器测量放大器输出的电压，得到所有八个通道的平均噪声为66 μV rms。在2 W输出和4Ω负载下，所有通道的信噪比大于90 dB。

5.2 输出功率和失真性能

使用1 kHz正弦波作为输入，通过音频分析仪测量放大器输出的功率和总谐波失真加噪声（THD + N）。在额定输出功率2 W时，THD + N小于1%。

5.3 频率响应性能

在20 Hz至20 kHz的音频频谱范围内，以固定电压输入纯正弦波，测量输出电压并与1 kHz参考电平进行比较。输出功率在1 kHz时设置为2 W，数据显示不同频率下输出的变化小于±0.5 dB，整个频谱范围内THD + N也小于1%。

六、常见变化

6.1 处理器替换

该电路可以使用其他支持TDM的SigmaDSP处理器，如AD1940、AD1941、ADAU1401A、ADAU144x和ADAU170x系列，具体取决于用户的应用和需求。这些器件都支持串行数据输出和8通道TDM，但在内存大小、处理能力和输入/输出接口方面有所不同。其中，ADAU1461在功能上与ADAU1761相同，但适用于汽车应用。

6.2 通道调整和放大器替换

ADAU1761可以接受模拟差分音频信号进行处理并输出到放大器。如果用户只需要两个或四个通道，可以移除其他SSM2518设备并更改寄存器配置。此外，SSM2519和SSM2529可以替代SSM2518，它们也是支持TDM的数字输入D类放大器，但每个设备只有一个输出通道。

七、电路评估与测试

7.1 所需设备

进行电路评估和测试需要CN - 0296电路评估板（EVAL - CN0296 - SDPZ）、系统演示平台（EVAL - SDP - CB1Z）、5 V @ 4 A直流电源、PC（Windows 32位或64位）、Audio Precision SYS - 2722音频分析仪或等效设备、Audio Precision AUX - 0025滤波器或等效设备、Audio Precision AP2700控制软件以及4Ω/8Ω扬声器或假负载。

7.2 软件安装

CN0296评估套件的CD中包含自安装软件，该软件与Windows XP（SP2）、Vista（32位和64位）和Windows 7（32位和64位）兼容。安装评估软件后，再将评估板和SDP板连接到PC的USB端口，以确保评估系统能被正确识别。软件可以对串行接口进行全面配置，主设备和从设备的配置必须匹配才能正常运行。

7.3 电源供应

评估板需要由5 V直流电源供电，建议电源能够提供至少4 A的电流，以确保所有八个通道都能输出额定功率。评估板中的LDO用于为组件提供必要的电源。

7.4 设备配置

通过运行评估软件，点击软件GUI中的“Connect”按钮与SDP建立连接，再点击“Play Soundbar”按钮将配置数据下载到设备。配置数据将立体声数据加载到八个通道，具体配置如表格所示。软件还允许用户启用或禁用SigmaStudio库中为ADAU1761提供的一些音效，同时提供主音量控制、低音和高音控制以及每个通道的单独静音控制。

八、总结

CN - 0296电路为低成本高性能声吧系统的设计提供了一个优秀的解决方案。通过合理选择器件和优化电路设计，能够实现多通道音频处理和输出，满足不同应用场景的需求。在实际设计中，工程师可以根据具体需求对电路进行调整和优化，以达到最佳的性能和成本平衡。你在实际设计中是否遇到过类似的音频电路设计挑战呢？欢迎分享你的经验。