TAS5717/TAS5719：高效数字音频功率放大器的深度解析

在音频设备的设计领域，数字音频功率放大器的性能直接影响着音频的质量和设备的整体表现。TAS5717和TAS5719作为德州仪器（TI）推出的两款10W/15W高效数字音频功率放大器，凭借其丰富的特性和出色的性能，在音频市场中占据了重要的地位。本文将深入剖析这两款放大器的特点、功能及应用，为电子工程师在音频设计中提供有价值的参考。

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一、产品概述

TAS5717支持2×10W输出，TAS5719支持2×15W输出，它们主要用于驱动立体声桥接扬声器。该设备只需一个3.3V电源和典型的13V功率级电源，内部电压调节器为栅极驱动电路提供合适的电压，内置的自举电路为需要浮动电压电源的电路提供支持，仅需几个外部电容器。

二、产品特性

（一）音频输入/输出

1. 功率输出：TAS5717支持2×10W输出，TAS5719支持2×15W输出，能满足不同的音频功率需求。
2. 电源范围：宽PVDD范围，从4.5V到26V，适应多种电源环境。
3. 高效运行：采用高效的D类操作，无需散热片，仅需3.3V和PVDD电源，降低了系统成本和体积。
4. 音频接口：一个串行音频输入（两个音频通道），支持8kHz到48kHz的采样率（LJ/RJ/I2S），可与大多数数字音频处理器和MPEG解码器无缝集成。
5. 耳机放大器：集成无电容耳机放大器，提供立体声耳机（立体声2V RMS线路驱动器）输出，外部耳机放大器关闭信号可灵活控制耳机输出。

（二）音频/PWM处理

1. 音量控制：独立通道音量控制，范围从24dB到静音，支持0.125dB的精细音量调节。
2. 动态范围控制：可编程的双频段动态范围控制（DRC），可设置不同的低频和高频阈值，实现动态范围压缩，可作为功率限制器，保护扬声器，提供舒适的聆听体验。
3. 扬声器均衡：14个可编程双二阶滤波器（Biquads）用于扬声器均衡（EQ），可改善音频性能。
4. 滤波器设置：可编程的DRC滤波器和直流阻塞滤波器系数，可根据实际需求进行调整。

（三）通用特性

1. 时钟控制：串行控制接口在没有MCLK的情况下也能正常工作，内置工厂校准的内部振荡器，可自动检测速率。
2. 封装形式：采用表面贴装的48引脚、7mm×7mm HTQFP封装，便于电路板布局。
3. PWM模式：支持AD、BD和三元PWM模式，提供更多的应用选择。
4. 保护功能：具备热保护和短路保护功能，确保设备的可靠性和稳定性。

三、电气特性

（一）直流特性

在TA = 25°，PVCCX = 13V，DVDD = AVDD = 3.3V，(R{L}=8 Omega) ，BTL AD模式，(f_{S}=48 KHz) 的条件下，对设备的直流特性进行了测试。例如，高电平输出电压（VOH）在I OH = – 4 mA，DVDD = 3V时，最小值为2.4V；低电平输出电压（VOL）在I OL = 4 mA，DVDD = 3V时，最大值为0.5V。

（二）交流特性

1. 功率输出：在不同的PVDD电压和THD条件下，每个通道的功率输出不同。例如，在PVDD = 13V，10% THD，1kHz输入信号时，功率输出为10W；在PVDD = 18V，10% THD，1kHz输入信号时，TAS5719的功率输出可达15W。
2. 总谐波失真+噪声（THD+N）：在不同的PVDD电压和功率输出条件下，THD+N的值不同。例如，在PVDD = 13V，P O = 1W时，THD+N为0.13%。
3. 输出集成噪声（Vn）：A加权下，输出集成噪声（rms）为56μV。
4. 串扰：在不同的功率输出和模式下，串扰的值不同。例如，在P O = 0.25W，f = 1kHz（BD模式）时，串扰为– 82dB。
5. 信噪比（SNR）：A加权，f = 1kHz，最大功率在THD < 1%时，SNR为– 105dB。

四、功能模块解析

（一）电源供应

TAS5717/9的电源供应设计考虑了系统的便利性和性能。除了典型的13V功率级电源外，仅需一个3.3V电源。内部电压调节器为栅极驱动电路提供合适的电压，内置的自举电路为高侧栅极驱动等需要浮动电压电源的电路提供支持。每个半桥都有独立的自举引脚（BST_X）和功率级电源引脚（PVDD_X），设计时应注意将所有去耦电容器尽可能靠近相关引脚放置，避免电源引脚和去耦电容器之间的电感。

（二）I2C芯片选择/耳机关闭

A_SEL/HP_SD是上电时的输入引脚，可拉高或拉低。高电平表示I2C子地址为0x56，低电平表示子地址为0x54。

（三）设备保护系统

1. 过流保护：设备在所有高侧和低侧功率级FET上都有独立、快速反应的电流检测器。如果出现过流情况，保护系统会触发锁存关机，将功率级设置为高阻抗（Hi-Z）状态，故障排除后设备恢复正常运行。
2. 过温保护：当设备结温超过150°C（标称值）时，设备进入热关机状态，所有半桥输出设置为高阻抗（Hi-Z）状态，并将FAULT信号置低。温度下降约30°后，设备自动恢复。
3. 欠压保护和上电复位：UVP和POR电路在任何上电/下电和欠压情况下都能完全保护设备。上电时，POR电路复位过载电路（OLP），确保所有电路在PVDD和AVDD电源电压分别达到4.5V和2.7V时完全正常工作。如果AVDD或任何PVDD引脚的电源电压降至UVP阈值以下，所有半桥输出立即设置为高阻抗（Hi-Z）状态，并将FAULT信号置低。

（四）时钟、自动检测和PLL

TAS5717/9是从设备，接受MCLK、SCLK和LRCLK。数字音频处理器（DAP）支持时钟控制寄存器中定义的所有采样率和MCLK速率。设备会检查SCLK是否为32 fS、48 fS或64 fS的特定值，DAP仅支持1 (×f_{S}) LRCLK。时钟部分使用MCLK或内部振荡器时钟（当MCLK不稳定、超出范围或缺失时）产生内部时钟（DCLK），其运行频率为PWM开关频率的512倍。设备具有强大的时钟错误处理能力，能快速检测时钟变化/错误，并采取相应措施，如静音音频、强制PLL使用内部振荡器作为参考时钟，时钟稳定后自动检测新速率并恢复正常运行。

（五）串行数据接口

串行数据通过SDIN输入，PWM输出由SDIN推导得出。TAS5717/9 DAP接受16位、20位或24位左对齐、右对齐或I2S串行数据格式。

（六）PWM部分

TAS5717/9 DAP设备使用噪声整形和复杂的非线性校正算法，实现高功率效率和高性能的数字音频再现。采用四阶噪声整形器增加音频频段的动态范围和SNR。PWM部分接受来自DAP的24位PCM数据，并输出两个BTL PWM音频输出通道。PWM部分具有可启用和禁用的独立通道直流阻塞滤波器，滤波器截止频率小于1Hz，还包括适用于44.1kHz和48kHz的独立通道去加重滤波器。此外，PWM部分的最大调制限制可在93.8%至99.2%之间调整。

（七）I2C兼容串行控制接口

TAS5717/9 DAP具有I2C串行控制从接口，可接收系统控制器的命令。该接口支持正常速度（100kHz）和高速（400kHz）操作，无需等待状态，即使MCLK缺失也能正常工作。支持对状态寄存器和与PWM相关的通用控制寄存器进行单字节和多字节读写操作。

五、应用信息

（一）耳机放大器的使用

TAS5717具有立体声输出，可作为线路驱动器或耳机驱动器，输出2Vrms立体声。在不同的应用场景中，可采用不同的设置。

1. 模拟输入的耳机/线路驱动：通过模拟输入（单端）HPL_IN（引脚1）和HPR_IN（引脚4），输出HPL_OUT（引脚2）和HPR_OUT（引脚3）。HP_SD引脚可用于打开/关闭耳机放大器/线路驱动器，扬声器通道与耳机/线路驱动器在该模式下相互独立。
2. I2S输入的耳机：硬件设置方面，HP_PWML和HP_PWMR信号应馈入低通滤波器（LPF），LPF的输出馈入模拟输入（HPL_IN和HPR_IN），A_SEL引脚通过15kΩ下拉电阻接地，并路由到耳机放大器使能（HP_SDZ引脚33）。软件设置方面，向寄存器0x05的位(D4 = 1) ，(D1 = 1) ，(D 0=1) （13十六进制）写入数据，当D4和D1设置为1时，A_SEL引脚变高，从而启用耳机输出；当寄存器0x05 (D4 = 1) 时，设备处于耳机模式，扬声器输出处于关闭状态。需要注意的是，扬声器和耳机不能同时使用，因为它们共享相同的数字通道，DAP可用于耳机音量控制。

（二）线路驱动器放大器

传统的单电源耳机和线路驱动器放大器通常需要直流阻塞电容器，且在上电时需要静音电路以减少咔嗒声和爆音。而TAS5717/9采用DirectPath™放大器架构，通过内部电荷泵提供负电压轨，结合用户提供的正电压轨，设备以有效的分裂电源模式运行。输出电压以零伏为中心，能够向正电压轨或负电压轨摆动，再结合内置的咔嗒声和爆音减少电路，无需输出直流阻塞电容器。

（三）组件选择

1. 电荷泵：电荷泵飞跨电容器用于在产生负电源电压时传输电荷，PVSS电容器的容量应至少等于电荷泵电容器，以实现最大电荷转移。低ESR电容器是理想的选择，HP部分典型值为1µF，小于1µF的电容器不建议用于HP部分，因为会限制低阻抗负载中的负电压摆动。
2. 去耦电容器：TAS5717/9作为DirectPath™放大器，需要足够的电源去耦以确保低噪声和总谐波失真（THD）。一个良好的低等效串联电阻（ESR）陶瓷电容器，通常为1µF，应尽可能靠近设备的PVDD引脚放置，这对放大器的性能至关重要。对于过滤低频噪声信号，在音频功率放大器附近放置一个10µF或更大的电容器也会有帮助，但由于该设备的高PSRR，在大多数应用中并非必需。
3. 增益设置电阻范围：增益设置电阻(R{in }) 和(R{fb}) 的选择应使TAS5717/9的噪声、稳定性和输入电容器大小保持在可接受的范围内。电压增益定义为(R{fb}) 除以(R{in }) 。选择过低的值需要较大的输入交流耦合电容器(C_{IN}) ，选择过高的值会增加放大器的噪声。表25列出了不同增益设置下的推荐电阻值。
4. 输入阻塞电容器：直流输入阻塞电容器需要串联在音频信号与TAS5717/9输入引脚之间，这些电容器用于阻挡音频源的直流部分，使TAS5717/9的输入能够正确偏置，以提供最佳性能。输入阻塞电容器还将直流增益限制为1，限制输出的直流偏移电压。这些电容器与输入电阻(R{in }) 形成高通滤波器，截止频率可通过公式(f c{i n}=frac{1}{2 pi × R{i n} × C{i n}}) 计算，当给定频率和/或电容中的一个值时，可确定另一个值。

六、总结

TAS5717和TAS5719数字音频功率放大器以其丰富的功能、出色的性能和可靠的保护机制，为音频设备的设计提供了强大的支持。在实际应用中，电子工程师可以根据具体需求，合理选择和配置这些放大器，充分发挥其优势，实现高质量的音频输出。同时，在组件选择和电路设计方面，需要仔细考虑各种因素，以确保设备的稳定性和性能。希望本文能为电子工程师在音频设计中提供有益的参考，你在实际应用中遇到过哪些与音频放大器相关的问题呢？欢迎在评论区分享。