用于家庭影院的數(shù)字功放芯片ＴＡＳ５１１１

顧繼光

美國德克薩斯(TI)儀器公司近日推出了最新數(shù)字功放電路TAS5111和TAS5112。它采用所謂“純數(shù)字路徑”（PurePath Digital）技術(shù)，使得DVD輸出的數(shù)字信號一直保持到功放揚聲器前的末級放大。據(jù)稱，這是目前市場上效率最高的功放電路，可以用于DVD和AV功放、小型／微型的組合音響、數(shù)字電視和合并式家庭影院系統(tǒng)以及汽車音響等。這類數(shù)字功放除了放大效率較高外，在動態(tài)范圍、高保真度和高集成度方面都是目前之最。

TAS5112是雙聲道立體聲數(shù)字功放，在負載為6Ω時，輸出功率為50W，可以取代兩個單聲道放大器，它不但簡化了電路設(shè)計、減小了線路板的面積，而且制造成本比以前的電路設(shè)計降低約三分之一。TAS5111是業(yè)界第一顆提供單聲道70W（4Ω）輸出功率而失真度THD+N小于0.2％、效率高達90％以上的數(shù)字功放芯片。由于數(shù)字功放對散熱條件要求不高，兩種芯片都采用HTSSOP小型化封裝。TAS5111為32腳；TAS5112為56腳。下面以TAS5111為例介紹這類電路的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用。

TAS5111的性能和管腳功能

TAS5111沿用了TI公司的等比特技術(shù)，結(jié)合該公司的數(shù)字音頻脈沖寬度調(diào)制處理器TAS5026和一個無源解調(diào)濾波器一起工作。其主要性能如下：動態(tài)范圍大于95dB；效率大于90％（負載4Ω或8Ω）；輸出功率70W時（BTL、4Ω）總諧波失真THD+N小于0.2％；輸出功率80W時（BTL、4Ω）總諧波失真THD+N小于10％。圖1為該芯片輸出功率與諧波失真曲線；圖2為頻率與諧波失真曲線。

該器件具有過熱、過載、欠壓及揚聲器自保護設(shè)計，采用32腳TSSOP（DAD）PowerPAD封裝；或者36腳PSOP3（DKD）PowerPAD封裝，其功能框圖見圖3。

圖4為DAD封裝形式的管腳圖。其各腳的功能如下：1腳（PWM BP）為半橋-B的信號輸入端；2腳（GND）為電源地端；3腳（RESET）為重置信號端；4腳（DREG RTN）為去耦后回入芯片的接線；5腳（GREG）為門驅(qū)動電壓穩(wěn)壓器去耦端，用外接電容連接至GND；6腳（M3）為模式選擇端；7腳（DREG）為數(shù)字電源電壓穩(wěn)壓器去耦端，用外接電容連接至DREG RTN；8腳（DGND I/O）為輸入/輸出參考接地端；9腳（M1）為模式選擇端；10腳（M2）為模式選擇端；11腳（DVDD I/O）為輸入/輸出參考電源輸入端（3.3V），外接100Ω電阻連接至DREG；12腳（SD）為關(guān)閉半橋A和B的信號；13腳（DGND I/O）為輸入/輸出參考接地端；14腳（OTW）為過熱報警輸出，同時內(nèi)部制動開路；15腳（GND）為電源接地端；16腳（PWM AP）為半橋A的信號輸入端；17腳（GVDD）為提供芯片上門驅(qū)動和數(shù)字電壓穩(wěn)壓的電源；18腳（GND）為電源接地端；19腳（BST A ）為HS自舉電源端（BST），需外接電容至OUT A；20腳、21腳（PVDD A）為半橋A電源輸入端；22腳、23腳（OUT A）為半橋A輸出； 24腳、25腳（GND）為電源接地端；26腳、27腳（OUT B）為半橋B輸出；28腳、29腳（PVDD B）為半橋B電源輸入端；30腳（BST B）為HS自舉電源端（BST），需外接電容至OUT B；31腳（GND）為電源接地端；32腳（GVDD）為提供芯片上門驅(qū)動和數(shù)字電壓穩(wěn)壓的電源端。

使用須知

圖5為TAS5111用于評價測試的典型電路。在實際應(yīng)用中，應(yīng)注意以下幾個方面的問題：

1. 電源

TAS5111功放芯片只需GVDD和PVDD-X兩組電源，GVDD作為門驅(qū)動電源；通過內(nèi)部穩(wěn)壓降低到12V左右，并通過GREG腳與印板GND（接地）之間的外接電容去耦。GREG通過一個自舉緩升變換電路向上下兩邊的電路提供電源。自舉電源在下邊電路第一個導(dǎo)通脈沖之后進行充電。GVDD通過內(nèi)部的LDR穩(wěn)壓在3.3V左右，以此獲得DREG內(nèi)部數(shù)字中心電壓。LDR為門驅(qū)動，為減小無功損耗，可短路GREG和GVDD，以旁路LDR直接連接12.0V電源。在散熱條件較差的應(yīng)用場合，采取這種方式較為有利。旁路LDR以后，在GVDD為30V輸入時可降低功耗1W左右。PVDD -X是H橋接的電源腳。有兩個電源腳處理每個半橋的電流強度。推薦的工作條件為：數(shù)字電源DVDD為3～3.6V，典型值為3.3V（相對于DGND，推薦DVDD通過一個100Ω電阻同DREG腳連接）；提供內(nèi)部門電路驅(qū)動和邏輯穩(wěn)壓的GVDD為16～30.5V，典型值為29.5V（相對于GND）；半橋電源PVDD X為0～30.5V，典型值為29.5V。結(jié)溫0～125 ℃。

2.解調(diào)濾波器的設(shè)計

解調(diào)濾波器的設(shè)計對功率放大的性能影響極大。為了保證過流保護電路（OC）正常動作、并滿足器件的THD+N技術(shù)規(guī)范，在選擇輸出濾波器的電感時必須考慮以下條件：其規(guī)律是在峰值電流即最大輸出功率時，應(yīng)使電感量保持穩(wěn)定。當(dāng)輸出電流為15A時電感量應(yīng)該保持5μH不變。做到了這一點，就不會因為輸出濾波器電感的飽和而引起過流狀態(tài)時TAS5111 的信號失真。

另一個要考慮的參數(shù)是電感器的無功電流損耗。通過測量規(guī)定電感器的耗散能量目標值應(yīng)小于0.05。通常，在大多數(shù)應(yīng)用場合，10μH的電感器已經(jīng)足夠。雖然輸出負載電阻的變化對放大器的頻響稍有影響，但是，除非對頻響的控制非常嚴格，就沒有必要偏離10μH。濾波器電容的選擇比較簡單，一般采用0.47μF、耐壓為所加輸出級電壓（PVDD）的兩倍就可以了。為了使不平衡的紋波損耗引起的EMI的影響最小化，在每一個電感的輸出端和地之間加接一個0.1μF 50V 的SMD電容。

3.散熱設(shè)計

TAS5111帶有散熱墊塊，直接用導(dǎo)熱膠粘貼在表面。如果散熱墊塊設(shè)計得當(dāng)，芯片散發(fā)的熱量會連續(xù)不斷散發(fā)到空氣中，就可達到熱平衡。由于這種芯片的效率很高，散熱墊塊的體積比普通的線性放大器或類似性能的其它同類器件要小得多。

4. "喀嚦"聲和爆破聲的消除

當(dāng)從斷開狀態(tài)向接通狀態(tài)過渡時，往往在揚聲器中產(chǎn)生可以聽到的"喀嚦"聲，例如，當(dāng)系統(tǒng)啟動，按壓了RESET LH鍵時。為了保證系統(tǒng)正常工作，在使用TAS5111時，請按照以下的設(shè)計規(guī)則：

1. PWM AP/MX信號和它們相應(yīng)的VALID X信號間相應(yīng)的時間長度不能因插入延遲而變形。因為這種變形狀況的增加，將加大音頻"喀嚦"聲的音頻幅度電平。

2. 由于每個揚聲器輸出和GND接地之間存在無源下拉電阻，輸出級在工作前處于高阻抗狀態(tài)，因此輸出級必須在輸出濾波電容完全放電之后進行開啟。

影響"喀嚦"聲的其它因素：

1. 從"喀嚦"聲的頻譜來看，它似乎是跟隨揚聲器的阻抗和頻率曲線而來的。阻抗越高，"喀嚦"聲能量越大。

2. 低音單元和高音單元之間的分頻濾波器可能對音頻頻帶具有較高的阻抗，可能的話應(yīng)盡量避免。