TAS2564：一款高性能数字输入Class - D音频放大器的深度解析

在当今的电子设备领域，音频放大器的性能直接影响着用户的音频体验。TAS2564作为一款数字输入的Class - D音频放大器，凭借其先进的功能和卓越的性能，在移动应用等领域展现出了强大的竞争力。本文将对TAS2564进行详细的剖析，为电子工程师们在设计相关产品时提供全面的参考。

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一、TAS2564概述

TAS2564是一款专为移动应用优化的单声道数字输入Class - D音频放大器，它集成了扬声器电压和电流感应功能，以及电池跟踪限制和欠压保护功能，能够在保证高效电池运行的同时，实现小尺寸的解决方案。

（一）主要特性

1. 关键特性
   • 256级13V Class - H升压：强大的13V Class - H升压功能为峰值输出提供了所需的功率，同时通过算法控制的256级升压降低了平均功耗。
   • 扬声器电流和电压感应：实时监测扬声器的电流和电压，确保扬声器在安全的工作区域内运行。
   • 设备间增益的芯片间对齐（ICLA）：保证了多个设备之间的增益一致性。
2. 输出功率
   • 在3.8V电压下，8Ω负载时，可实现7W功率输出，总谐波失真加噪声（THD + N）仅为0.1%。
   • 在4.2V电压下，8Ω负载，输出功率为1W时，效率高达83.5%；硬件关机时，VBAT电流小于1μA。
3. 电源供应
   • VBAT：供电电压范围为2.7V至5.5V。
   • VDD：供电电压范围为1.65V至1.95V。
   • 数字电源（1.5V）由VDD内部生成，IO和模拟电源内部与VDD短接。
4. 保护功能
   • 电池保护：具备先进的欠压保护功能。
   • 削波保护：采用VBAT跟踪峰值电压限制器。
   • 换能器保护：实现DC检测和预防。
   • 设备保护：提供热保护和过流保护。
5. 接口与控制
   • I2S/TDM：支持8通道32位，采样率最高可达96KSPS。
   • I2C：提供4个可选地址。
   • 采样率范围为16KSPS至192KSPS，支持MCLK自由运行。
6. 性能表现
   • 在扬声器/接收器模式下，具备动态噪声控制功能，可有效降低空闲通道噪声（ICN）。接收器模式下，ICN为10μVrms；扬声器模式下，ICN为15μVrms。
   • 采用扩频低EMI模式，在1% THD + N（8Ω）时，信噪比可达110dB。

（二）应用领域

TAS2564广泛应用于移动电话、平板电脑、蓝牙音箱、消费音频设备和无线音箱等领域，为这些设备提供高品质的音频放大解决方案。

二、详细功能解析

（一）PurePath™Console 3软件

TAS2564的高级功能和设备配置可通过PurePath Console 3（PPC3）软件进行操作。该软件可从TI网站下载安装，安装后可在其中下载TAS2564应用程序。PPC3工具会计算必要的寄存器系数，是配置设备的推荐方法。配置完成后，还可使用PPC3工具读取寄存器值，以便进行最终的系统集成。

（二）设备模式和地址选择

TAS2564有四个可选的设备地址。在TDM/I2S模式下，音频输入和输出通过FSYNC、SBCLK、SDIN和SDOUT引脚实现，支持I2S、左对齐和TDM等格式；配置和状态信息通过SDA和SCL引脚，采用I2C协议进行传输。其全局7位I2C地址为0x48，可用于加速多个设备的配置。同时，可通过I2C_GBL_EN寄存器禁用全局地址，通过I2C_AD_DET寄存器重新检测地址。

（三）I2C操作

I2C总线使用SDA（数据）和SCL（时钟）两个信号进行数据传输。地址和数据以8位字节形式传输，且每个字节传输后会有接收设备的确认位。传输操作始于主设备发送起始条件，结束于主设备发送停止条件。TAS2564支持单字节和多字节的读写操作，以及顺序I2C寻址。

（四）设备功能模式

1. 硬件关机：当SDZ引脚置低时，设备进入硬件关机模式，此时设备从VDD和VBAT电源消耗的静态电流最小，所有寄存器状态丢失，I2C通信禁用。
2. 软件关机：通过将MODE[1:0]寄存器位设置为2'b10，可使设备进入软件关机模式。该模式下，所有播放音频所需的模拟模块关闭，但寄存器状态保持不变。
3. 静音：将MODE[1:0]寄存器位设置为2'b01，可使Class - D放大器音量逐渐降低至静音状态。静音期间，Class - D仍在切换，但不传输音频内容。
4. 激活：将MODE[1:0]寄存器位设置为2'b00，设备进入激活模式，Class - D切换并播放音频，若启用，扬声器电压和电流感应功能也将运行。
5. 负载诊断：将MODE[1:0]寄存器位设置为2'b11，设备进入负载诊断模式，对负载进行诊断，扬声器电压和电流感应功能处于运行状态。

（五）TDM端口

TAS2564的TDM串行音频端口具有高度的灵活性，可支持多种格式，包括立体声I2S、左对齐和TDM。单声道音频播放可通过SDIN引脚实现，SDOUT引脚用于传输包括扬声器电压和电流感应、VBAT电压、芯片温度和通道增益等采样流。该端口支持不同采样率下的多种时间槽配置，且设备能自动检测时间槽数量。默认情况下，设备会自动检测PCM播放采样率，也可通过设置AUTO_RATE寄存器位进行手动配置。

（六）播放信号路径

1. 高通滤波器（HPF）：为防止音频播放信号中的直流和低频成分损坏扬声器，TAS2564采用了高通滤波器。可通过HPF_EN寄存器禁用该滤波器，滤波器的双二阶系数可使用PurePath™Console 3软件进行计算和设置。
2. 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由放大器输出电平设置和数字音量控制（DVC）共同控制。放大器输出电平以dBV为单位，数字音量控制可在0dB至 - 100dB之间以0.5dB为步长进行调整。音量变化时，设备可根据DVC_RAMP寄存器位进行音量渐变。
3. 空闲通道模式下的自动静音：当输入音频电平低于可编程阈值并持续可编程的时间窗口时，设备将停止播放音频。若不希望此功能生效，可将阈值设置得非常低。
4. 音频时钟的自动启动/停止：当TDM时钟停止时，TAS2564可进入低功耗软件关机模式，时钟恢复时恢复运行。
5. 带欠压保护的电源跟踪限制器：TAS2564监测电池电压（VBAT）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，防止削波并延长电池播放时间。限制器阈值可根据监测电压进行跟踪调整，还具备可配置的攻击速率、保持时间和释放速率。此外，还设有欠压保护（BOP）功能，可对电池供应的瞬态下降做出快速响应。
6. 芯片间限幅器对齐（ICLA）：在TDM模式下，TAS2564支持多个共享TDM总线的设备之间限幅器（包括欠压保护）动态的对齐，确保在限幅或欠压事件期间各通道之间的增益一致。

（七）SAR ADC

TAS2564内置一个10位SAR ADC，用于监测VBAT电压（VBAT_CNV）和芯片温度（TMP_CNV）。VBAT电压转换结果用于限幅器和欠压保护功能。实际VBAT电压可通过将VBAT_CNV寄存器值除以64得到，实际芯片温度可通过将TMP_CNV寄存器值减去93得到。

（八）升压功能

TAS2564的内部处理算法会根据需要自动启用升压功能。通过监测电池电压和数字音频流，当扬声器输出接近电池电压时，升压功能及时启用，以提供所需的扬声器输出电压；当不再需要时，升压功能禁用并旁路，以提高效率。升压功能可配置为低浪涌（Class - G）或高效率（Class - H）模式。

（九）IV感应

TAS2564提供扬声器电压和电流感应功能，用于实时监测扬声器的行为。VSNS_P和VSNS_N引脚应连接在铁氧体磁珠滤波器之后，以消除由于封装、PCB互连或铁氧体磁珠滤波器电阻引起的IR降误差。同时，设备支持双V感应通道，可用于双音圈扬声器。I感应和V感应功能可通过ISNS_PD、VSNS_PD和VSNS2_PD寄存器位进行关闭。

（十）DC检测

TAS2564支持DC播放、检测和保护功能。启用DC播放时，需禁用播放路径中的高通滤波器。若DC播放电压超过DC_DET_TH设置的阈值并持续DC_DET_TM时间，设备将检测到DC并关机。可通过DC_DET_PD寄存器位禁用高DC检测时的关机功能，通过DC_DET_EN寄存器位禁用DC检测功能。

（十一）负载诊断

TAS2564可检查扬声器终端是否存在开路或短路情况。整个操作由设备自动完成，结果可通过IRQZ引脚或I2C总线读取。负载诊断可使用外部音频时钟或内部振荡器进行。

（十二）时钟和PLL

在TMD/I2C模式下，设备由SBCLK驱动。不同采样率和SBCLK到FSYNC比率对应不同的有效SBCLK频率。设备能检测到不正确的SBCLK频率和SBCLK到FSYNC比率，并自动降低播放路径的音量，以减少可听的杂音。同时，设备可根据时钟信号的有效性自动上电和下电。

（十三）热折返

TAS2564监测芯片温度，当温度达到设定阈值时，可自动限制音频信号，防止设备因过热而关机。建议使用PurePath™Console 3软件配置热折返功能。

（十四）内部音调发生器

TAS2564有两个内部音调发生器，可用于导频音、超声波音或诊断目的。频率和幅度可独立设置，每个音调发生器可通过TGx_EN寄存器启用，并根据TGx_SR寄存器进行软渐变。

三、寄存器映射

TAS2564的寄存器采用页和书的方案进行存储，所有设备配置寄存器默认存储在0页0书。不同的寄存器用于设置设备的各种参数，如设备模式、电源控制、TDM配置、限幅器配置、欠压保护配置等。详细的寄存器映射信息为工程师提供了精确配置设备的依据。

四、应用与实现

（一）应用信息

TAS2564是一款数字输入的高效Class - D音频功率放大器，具有先进的电池电流管理和集成的Class - H升压转换器。在自动直通模式下，Class - H升压转换器为Class - D放大器提供电源。在低功率输出时，升压功能可提高效率；在高功率音频需求时，升压功能快速启动，提供更大的音量。同时，设备可实时测量负载的电流和电压，并将这些信息以数字流的形式反馈给处理器。建议使用PurePath™Console 3软件对TAS2564进行配置。

（二）典型应用

TAS2564的典型应用包括数字音频输入、单声道和立体声配置。在设计过程中，需要考虑音频输入、电流和电压数据流、单声道或立体声配置以及最大输出功率等参数。同时，还需要选择合适的外部组件，如升压转换器电感、EMI滤波器电感和电容、电源去耦电容等，并遵循相应的设计要求和布局准则。

五、电源供应建议

（一）电源要求

TAS2564需要四个电源供应：Boost输入（VBAT）、模拟电源（VDD）、内部数字电源（DREG）和Class - D电源（PVDD）。各电源的电压和最大电流要求不同，且去耦电容应靠近设备终端放置。

（二）电源顺序

电源轨的上电和下电顺序没有要求，但如果VDD存在而VBAT不存在，会观察到VDD电流增加，直到VBAT存在。当电源稳定后，将SDZ终端置高可使设备运行。硬件或软件复位后，应延迟100μS再向设备发送额外命令，以确保OTP加载完成。

六、布局建议

（一）布局准则

在布局TAS2564时，需要遵循一系列准则，如将升压电感、电容等靠近设备终端放置，避免使用过孔；最小化GREG电容与TAS2564之间的走线电感；不使用过孔传输高电流；将VSNS_P和VSNS_N尽可能靠近扬声器连接等。同时，对于不同的引脚，有不同的最大寄生电感要求和布局建议。

（二）布局示例

文档中提供了详细的布局示例，包括电路板布局、各层铜层的设计等，为工程师进行实际布局提供了参考。

七、总结

TAS2564作为一款高性能的数字输入Class - D音频放大器，凭借其丰富的功能、卓越的性能和灵活的配置选项，为电子工程师在音频设计领域提供了强大的工具。在实际应用中，工程师需要根据具体的需求，合理配置设备参数，选择合适的外部组件，并遵循布局准则，以充分发挥TAS2564的优势，实现高品质的音频放大解决方案。同时，对于TAS2564的进一步研究和探索，也将有助于推动音频技术的不断发展。你在设计过程中是否也遇到过类似的音频放大器配置问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。