基于TI音頻IC研制高保真數(shù)字功放

2 數(shù)字功放原理與結(jié)構(gòu)
2．1 數(shù)字功放的原理
    數(shù)字功放的基本原理：使用脈沖信號(hào)PWM驅(qū)動(dòng)高速功率開(kāi)關(guān)，其中PWM信號(hào)的低頻部分包含調(diào)制信號(hào)。該信號(hào)通過(guò)一個(gè)低通濾波器，可將調(diào)制信號(hào)重現(xiàn)負(fù)載(音箱)。本質(zhì)上與傳統(tǒng)模擬功放放大模擬信號(hào)的差異在于：數(shù)字功放直接對(duì)數(shù)字音頻信號(hào)放大，再進(jìn)行高精度D/A轉(zhuǎn)換，因此效率高達(dá)85％；保真度極佳，THD+N(總諧波失真+噪聲)低于0．05％。
2．2 數(shù)字功放結(jié)構(gòu)
    圖l為數(shù)字功放基本結(jié)構(gòu)，它由PWM調(diào)制器、H橋開(kāi)關(guān)放大電路以及低通濾波器組成。PWM調(diào)制器將輸入的數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)，其中∑一△調(diào)制方法精度高，穩(wěn)定性好。H橋開(kāi)關(guān)放大電路則控制直流電源的通斷，采用PWM信號(hào)電流向負(fù)載供電。低通濾波器能濾除開(kāi)關(guān)成分，對(duì)輸出波形進(jìn)行平滑處理，從而得到模擬波形的音頻信號(hào)。

3 TI數(shù)字音頻系列IC簡(jiǎn)介
    德州儀器公司(TI)長(zhǎng)期致力于數(shù)字音頻產(chǎn)品的研發(fā)，并取得突破性的成果。其中以TAS55xx，TAS50xx，TAS30xx，TAS-5lxx系列產(chǎn)品最為成熟，性價(jià)比最高。TAS55xx系列是高度集成的數(shù)字音頻器，內(nèi)部集成了PWM調(diào)制與DSP音效處理功能，內(nèi)置8個(gè)聲道，通道THD+N低于O．05％；TAS50xx系列為高精度音頻PWM調(diào)制器，它只有2個(gè)聲道，通道THD+N低于0．0l％，保真度極高；TAS30xx系列是專用的數(shù)字音頻DSP，能實(shí)現(xiàn)音量、重低音調(diào)節(jié)等多種音效：而TAS51xx系列則是專用音頻H橋放大電路。

4 數(shù)字音頻功放設(shè)計(jì)
4．1 設(shè)計(jì)方案
    這里提供2種設(shè)計(jì)方案，前者是TAS55xx+TAS51xx，可得到8通道數(shù)字功放；后者是TAS50xx+TAS30xx+TAS51xx得到2通道數(shù)字功放。因?yàn)楹笳咴O(shè)計(jì)方案保真度較高，DSP效果更好，成本更低，且所用器件在國(guó)內(nèi)較易買(mǎi)到，以下詳細(xì)介紹后一種設(shè)計(jì)方案。
    實(shí)際設(shè)計(jì)采用TAS5015+TAS3002+TAS5100的組合。其中TAS3002自帶A／D和D／A轉(zhuǎn)換器，使得系統(tǒng)可接收模擬輸入信號(hào)，擴(kuò)展了產(chǎn)品適用范圍。
4．2 工作流程
    圖2給出數(shù)字功放的具體工作流程，音源來(lái)自兩個(gè)途徑：①通過(guò)高品質(zhì)CD機(jī)得到的S／PDIF信號(hào)(一種被高端音響商廣泛使用的數(shù)字音頻格式)，它通過(guò)格式轉(zhuǎn)換器DIRl703轉(zhuǎn)換后進(jìn)入TAS3002；②模擬信號(hào)通過(guò)話筒等拾音設(shè)備被TAS3002獲取。系統(tǒng)內(nèi)數(shù)字音頻信號(hào)(以SDATA表示)在TAS3002中經(jīng)DSP音效處理后，進(jìn)入PWM調(diào)制器TAS5015，轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)。隨后進(jìn)入TAS5100進(jìn)行功率放大，經(jīng)低通濾波器重建模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。在放大過(guò)程中，如果電路出現(xiàn)異常，TAS5100可自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)重置系統(tǒng)，也可手動(dòng)重置，避免事故發(fā)生。

4．3 I2S總線
    TI公司的音頻器之間是以I2S(Inter—IC Sound)總線連接。I2S總線是飛利浦公司為數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標(biāo)準(zhǔn)，該總線音頻設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，廣泛應(yīng)用于各種多媒體系統(tǒng)。在I2S標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了硬件接口規(guī)范和數(shù)字音頻數(shù)據(jù)格式。I2S有3個(gè)主要信號(hào)：①串行時(shí)鐘SCLK，也叫位時(shí)鐘(BCLK)，即對(duì)應(yīng)數(shù)字音頻的每一位數(shù)據(jù)，SCLK都有1個(gè)脈沖。SCLK的頻率=2x采樣頻率×采樣位數(shù)。②幀時(shí)鐘LRCLK，用于切換左右聲道的數(shù)據(jù)。LRCLK為“l(fā)”表示左聲道正在傳輸數(shù)據(jù)，為“0”則表示右聲道正在傳輸數(shù)據(jù)。LRCLK的頻率等于采樣頻率。③串行數(shù)據(jù)SDATA用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示的音頻數(shù)據(jù)。有時(shí)為了使系統(tǒng)間能夠更好地同步，還需要另外傳輸一個(gè)信號(hào)MCLK，稱為主時(shí)鐘，也叫系統(tǒng)時(shí)鐘(SysClock)，是采樣頻率的256倍或384倍。
4．4 核心功能模塊電路
4．4．1 數(shù)字音頻輸入
    數(shù)字音頻輸入電路如圖3所示。該模塊主要利用TI的數(shù)字音頻接口器件DIRl703實(shí)現(xiàn)以下功能：①將CD格式的數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為PWM調(diào)制器TAS5015可識(shí)別的串行音頻數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可直接在I2S總線上傳輸；②產(chǎn)生整個(gè)I2S總線的串行時(shí)鐘BCLK，幀時(shí)鐘LRCLK，以及系統(tǒng)時(shí)鐘SCLK。

    DIRl703的引腳20輸入的SPDIF一IN信號(hào)即為從CD唱機(jī)通過(guò)光纖或者同軸電纜得到的PCM信號(hào)；經(jīng)過(guò)DIRl703處理后輸出SDATA信號(hào)I2S—DIR1703一OUT；DIRl703的引腳7、8外接晶體振蕩器X120，而引腳4(SCK0)輸出系統(tǒng)時(shí)鐘SCLK信號(hào)256XFS；引腳10(LRCK0)輸出串行時(shí)鐘BCLK信號(hào)FS；引腳11(BCK0)輸出幀時(shí)鐘LRCLK信號(hào)64XFS。
4．4．2 數(shù)字音頻處理
    數(shù)字音頻處理采用了TI的數(shù)字音頻處理TAS3002。PC機(jī)通過(guò)I2C接口控制TAS3002，從而得到所期望的音效。它可將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入或直接接收DIRl703輸出的SDATA信號(hào)，并對(duì)數(shù)字輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字式音量調(diào)節(jié)和均衡調(diào)節(jié)而無(wú)需D／A轉(zhuǎn)換。然后，它可以直接將處理后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲，更重要的是它也可將處理后的數(shù)字信號(hào)直接通過(guò)I2S總線傳輸給PWM調(diào)制器。
    如圖4所示，TAS3002的引腳22接收I2S輸入的SDATA信號(hào)I2S—DIRl703一OUT，或者通過(guò)引腳1和引腳40直接接收模擬信號(hào)，經(jīng)TAS3002數(shù)字音效處理后，由引腳26輸出處理后的SDATA信號(hào)I2S一TAS3002一OUT。同時(shí)，也在引腳7和引腳39直接給出兩聲道的處理后的模擬信號(hào)。

4．4．3 PWM調(diào)制
    PWM調(diào)制是數(shù)字功放設(shè)計(jì)的核心。該模塊采用TI公司的TAS5015PWM調(diào)制器。它接收DIRl703或TAS3002通過(guò)I2S總線傳輸?shù)臄?shù)字音頻信號(hào)，將之轉(zhuǎn)化為兩聲道每聲道4路的PWM信號(hào)，以便下一步H橋開(kāi)關(guān)放大。它能接收外部控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)靜音和重置，并調(diào)節(jié)采樣頻率。它的時(shí)鐘與I2S總線同步。如圖5所示，引腳17、18、19分別接收I2S總線的SCLK、LRCLK以及SDATA信號(hào)，引腳32～35輸出左聲道4路PWM信號(hào)，引腳26~29輸出右聲道4路PWM信號(hào)。

5 結(jié)語(yǔ)
    在設(shè)計(jì)過(guò)程中最需要注意的IC間通信的同步問(wèn)題，由于TI的數(shù)字音頻IC都采用I2S總線通信方式，所以問(wèn)題就迎刃而解。該數(shù)字功放經(jīng)調(diào)試，效果極佳，性價(jià)比高。