TAS5760MD：通用I²S输入D类放大器的卓越之选

在音频设备设计领域，一款性能出色的放大器能为产品增色不少。今天要给大家详细介绍的是德州仪器（TI）的TAS5760MD，一款通用I²S输入D类放大器，它集成了DirectPath™耳机和线路驱动器，在众多音频应用中表现卓越。

文件下载：TAS5760MDDCAR.pdf

一、产品特性亮点

音频I/O配置灵活

• 输入输出多样：采用单立体声I²S输入，支持立体声桥接单负载（BTL）或单声道并联桥接单负载（PBTL）操作，能满足不同音频系统的设计需求。
• 采样率丰富：支持32、44.1、48、88.2、96 kHz的采样率，可适配多种音频源。同时还集成了耳机放大器和线路驱动器，进一步拓展了应用范围。

通用操作特性出色

• 控制方式可选：具备可选的硬件或软件控制模式，方便工程师根据实际项目需求进行选择。
• 数字输出限幅：集成数字输出限幅器，能有效保护音频信号不失真。
• 可编程地址：拥有可编程的I²C地址，可灵活配置设备在总线中的位置。
• 闭环架构：采用闭环放大器架构，保证了音频信号的稳定性和准确性。
• 频率可调：扬声器放大器的开关频率可调，能优化音频性能。

鲁棒性设计可靠

具备时钟错误、直流、短路保护，以及过温、可编程过流保护等功能，大大提高了设备的稳定性和可靠性，减少了故障发生的概率。

音频性能优异

在特定条件下（PVDD = 19 V，RSPK = 8 Ω，SPK_GAIN[1:0] Pins = 01），空闲通道噪声 ≤ 80 μVrms（A - Wtd），THD + N = 0.03%（at 1W，1kHz），SNR = 100 dB A - Wtd（Ref. to THD + N = 1%），能提供高质量的音频输出。

二、应用领域广泛

TAS5760MD适用于多种音频设备，如LCD/LED电视、多功能显示器、条形音箱、扩展坞、PC音频以及通用音频设备等。其灵活的配置和出色的性能，能为不同类型的音频产品提供优质的解决方案。

三、详细功能剖析

电源供应设计

TAS5760MD需要两个电源，一个3.3 - V的电源为低压模拟和数字电路供电，另一个较高电压的PVDD电源为扬声器放大器的输出级供电。芯片上集成了多个稳压器，为音频路径的内部电路提供所需电压，但要注意这些稳压器仅用于为内部电路供电，不能连接外部电路，否则可能影响性能甚至损坏设备。

扬声器放大器音频信号路径

串行音频端口（SAP）

支持I²S、左对齐或右对齐格式的音频输入。在硬件控制模式下，仅支持32、48或64 x fS的I²S模式；在软件控制模式下，可提供更多的音频格式选择。不同的音频格式有各自的时序要求，如I²S时序通过LRCK定义数据的左右声道，数据在比特时钟的上升沿有效。

DC阻塞滤波器

为了保护扬声器和避免音频信号中的直流成分产生可听的伪像，放大器采用了两种直流阻塞方法。一是在数据路径前端设置高通滤波器，可在硬件控制模式下始终开启，在软件控制模式下可通过寄存器配置进行旁路；二是直流检测电路，若检测到输出存在直流，会关闭功率级并发出锁定故障信号。

数字增益和音量控制

在高通滤波器之后，集成了数字增益模块，默认在硬件模式下提供 +6dB的增益。数字音量控制范围从静音到24 dB，以0.5 dB为步进调节。为了避免音量变化时产生可听伪像，音量变化会以每8个LRCK周期0.5 dB的速率进行，该功能也可通过寄存器禁用。

数字限幅器

集成在过采样域的数字限幅器，可直接设置过采样数字路径的限幅点，从而确定放大器的10% THD + N工作点。其位置确保了限幅过程中的音频效果平滑，减少或消除了限幅时可能产生的音频带内折叠音调。

闭环D类放大器

经过数字限幅器处理后的音频数据，会被发送到闭环D类放大器的数字到PWM转换（DPC）模块，转换为互补的脉冲宽度调制（PWM）信号来驱动扬声器放大器的输出。反馈环路确保了跨电源电压的恒定增益，减少了失真，并提高了对电源注入噪声和失真的免疫力。放大器的开关速率在硬件和软件控制模式下均可配置，且是采样率的倍数。

扬声器放大器保护套件

TAS5760MD的扬声器放大器具备强大的错误处理和保护功能，包括过流、欠压、过压、过温、直流和时钟错误保护。错误状态通过SPK_FAULT引脚和I²C控制端口的相应错误状态寄存器进行报告。根据错误类型的不同，可分为“锁定”和“非锁定”两种处理方式。对于锁定错误，需要切换SPK_SD引脚或位来清除错误并恢复正常操作；对于非锁定错误，一旦错误清除，设备将自动恢复正常工作。

耳机和线路驱动器放大器

该设备还集成了多功能的低电压模拟输入放大器，可作为耳机放大器或线路驱动器使用。采用TI的专利DirectPath™技术，能够在3.3 - V电源下驱动2 VRMS到10 - kΩ负载或23 mW到32 - Ω耳机负载。具有差分输入，可通过外部增益设置电阻支持 ±1 V/V到 ±10 V/V的增益范围，且每个通道的增益可单独配置。输出具备 ±8 - kV IEC ESD保护，内置主动静音控制，确保无噗声和咔嗒声的音频开关控制。此外，还集成了外部欠压检测器，当PVDD电源移除时，会自动静音输出，实现无噗声的关机。

设备功能模式

硬件控制模式

对于不需要I²C控制端口灵活性或没有I²C主机控制器的系统，可采用硬件控制模式。在该模式下，设备按默认配置运行，通过硬件控制引脚进行配置和实时控制。例如，SPK_SD引脚可用于控制扬声器放大器的关机和启动；FREQ/SDA引脚可配置PWM开关频率；PBTL/SCL引脚可选择PBTL或BTL模式等。但要注意，在进行静态数字引脚配置时，若需将引脚拉高，应通过上拉电阻连接到DVDD，以控制电压的转换速率，避免触发ESD保护电路。

软件控制模式

将两个增益引脚（GAIN[1:0]）拉高即可进入软件控制模式。此时，PBTL/SCL和FREQ/SDA引脚将作为I²C控制端口的时钟和数据线使用。在软件控制模式下，可通过I²C控制端口配置更多功能，如选择不同的音频格式、设置放大器的增益结构、调整PWM开关频率等。同时，也要注意在设备关机状态下进行控制端口寄存器的更改操作。

四、设计与应用要点

电源供应设计

TAS5760MD的正常运行需要两个电源，即PVDD和DVDD。

• DVDD供应：为设备的多个部分提供电源，包括DVDD和DRVDD引脚。在连接、布线和去耦方面，需严格遵循TAS5760xx EVM用户指南中的建议，以确保设备的性能。此外，设备内部集成了一个低压差（LDO）线性稳压器，用于为部分内部电路提供较低电压的电源，但该稳压器不能用于驱动外部电路，否则可能导致电压下降，影响设备性能。
• PVDD供应：为扬声器放大器的输出级供电，是播放音频时驱动负载的关键电源。在连接、布线和去耦方面，同样要严格按照TAS5760xx EVM的要求进行操作，以避免因去耦不当导致电压尖峰，损坏设备。此外，输出级的MOSFET栅极驱动需要一个单独的电源，该电源由PVDD通过集成线性稳压器提供，且该稳压器也仅用于为内部电路供电，不能连接外部负载。

布局设计

通用布局准则

对于集成开关输出级的音频放大器，其布局和周围支持组件的布局至关重要，会影响系统的热性能、电磁兼容性（EMC）、设备可靠性和音频性能。在布局时，可参考文档中的布局示例，根据具体应用需求进行适当调整。例如，为了提高热性能，可增加设备周围的连续铜面积；为了提高EMI性能，可采用内部走线、设置过孔围栏和添加额外的滤波组件等方法。

PVDD旁路电容器的放置

PVDD网络上的旁路和去耦电容器应尽可能靠近PVDD引脚放置。若放置过远，不仅会增加系统的电磁干扰，还可能影响设备的可靠性，导致输出引脚电压超过绝对最大额定值，损坏设备。

优化热性能

为了实现最佳的解决方案尺寸、热性能、音频性能和电磁性能的平衡，可参考文档中的布局示例。在实际设计中，若因设计限制需要偏离这些建议，应确保设备产生的热量能够有效散发到周围环境中。例如，避免在放大器附近放置其他发热组件，使用多层PCB板以增加散热能力，合理安排设备位置和走线方向，确保热量能够顺畅地从设备散发到周围环境中。

五、应用电路示例

立体声BTL使用软件控制

• 设计要求：需要低电源3.3 V，高电源5 V至24 V，主机处理器需为I2S和I2C兼容的主设备，具备GPIO控制，输出滤波器采用电感 - 电容低通滤波器，扬声器阻抗为4 Ω至8 Ω。
• 详细设计流程
  • 启动程序：先配置所有数字I/O引脚，将SPK_SD引脚置为LOW，开启电源，待电源稳定后启动时钟，然后通过控制端口配置设备并静音，最后将SPK_SD引脚置为HIGH并取消静音，使设备进入正常工作状态。
  • 关机程序：先通过控制端口静音，再将SPK_SD引脚置为LOW，最后停止时钟并关闭电源。
  • 组件选择和硬件连接：严格按照典型应用电路连接组件，使用软件控制模式时，需在SCL和SDA信号线上配置上拉电阻。同时，将静态数字引脚拉高时，可通过单个上拉电阻连接到DVDD以减少物料清单（BOM）数量。

立体声BTL使用硬件控制

• 设计要求：与软件控制模式类似，需要低电源3.3 V，高电源5 V至24 V，主机处理器为I2S兼容的主设备，具备GPIO控制，输出滤波器采用电感 - 电容低通滤波器，扬声器阻抗为4 Ω至8 Ω。
• 详细设计流程
  • 启动程序：配置所有硬件引脚，将SPK_SD引脚拉低且SPK_SLEEP/ADR引脚拉高，开启电源，待电源稳定后启动时钟，然后将SPK_SD引脚拉高，最后将SPK_SLEEP/ADR引脚拉低，使设备进入正常工作状态。
  • 关机程序：先将SPK_SLEEP/ADR引脚拉高，再将SPK_SD引脚拉低，最后停止时钟并关闭电源。
  • 数字I/O连接：与软件控制模式相同，静态数字引脚拉高时可通过单个上拉电阻连接到DVDD以减少BOM数量。

单声道PBTL使用软件控制

• 设计要求：同样需要低电源3.3 V，高电源5 V至24 V，主机处理器需为I2S和I2C兼容的主设备，具备GPIO控制，输出滤波器采用电感 - 电容低通滤波器，扬声器阻抗为4 Ω至8 Ω。
• 详细设计流程：与立体声BTL使用软件控制的流程类似，启动和关机程序都需注意控制端口寄存器的更改应在设备关机状态下进行。

单声道PBTL使用硬件控制

• 设计要求：与其他模式类似，需要低电源3.3 V，高电源5 V至24 V，主机处理器为I2S兼容的主设备，具备GPIO控制，输出滤波器采用电感 - 电容低通滤波器，扬声器阻抗为4 Ω至8 Ω。
• 详细设计流程：与立体声BTL使用硬件控制的流程相似，启动和关机程序都需正确操作硬件引脚。

六、总结

TAS5760MD作为一款功能强大、性能卓越的通用I²S输入D类放大器，具有灵活的音频I/O配置、出色的音频性能、丰富的保护功能和多样的控制模式，适用于多种音频应用场景。在设计过程中，需要充分考虑电源供应、布局设计和应用电路等方面的要点，以确保设备能够发挥最佳性能。希望本文能为电子工程师在使用TAS5760MD进行音频设备设计时提供有价值的参考。