1、引言

音響世界已進人數字化，唯有整個音響系統(tǒng)的心臟——功放，它長期徘徊在數字化的門外。眾多知名半導體制造商都將目光聚焦在此，研制數字功放。這里簡要介紹數字功放原理與結構，并給出基于TI系列音頻IC的高保真數字功放的設計思路與方法。

2、數字功放原理與結構

2．1 數字功放的原理

數字功放的基本原理：使用脈沖信號PWM驅動高速功率開關，其中PWM信號的低頻部分包含調制信號。該信號通過一個低通濾波器，可將調制信號重現負載（音箱）。本質上與傳統(tǒng)模擬功放放大模擬信號的差異在于：數字功放直接對數字音頻信號放大，再進行高精度D/A轉換，因此效率高達85％；保真度極佳，THD+N（總諧波失真+噪聲）低于0．05％。

2．2 數字功放結構

圖l為數字功放基本結構，它由PWM調制器、H橋開關放大電路以及低通濾波器組成。PWM調制器將輸入的數字音頻信號轉換成PWM信號，其中∑一△調制方法精度高，穩(wěn)定性好。H橋開關放大電路則控制直流電源的通斷，采用PWM信號電流向負載供電。低通濾波器能濾除開關成分，對輸出波形進行平滑處理，從而得到模擬波形的音頻信號。

3、TI數字音頻系列IC簡介

德州儀器公司（TI）長期致力于數字音頻產品的研發(fā)，并取得突破性的成果。其中以TAS55xx，TAS50xx，TAS30xx，TAS-5lxx系列產品最為成熟，性價比最高。TAS55xx系列是高度集成的數字音頻器，內部集成了PWM調制與DSP音效處理功能，內置8個聲道，通道THD+N低于O．05％；TAS50xx系列為高精度音頻PWM調制器，它只有2個聲道，通道THD+N低于0．0l％，保真度極高；TAS30xx系列是專用的數字音頻DSP，能實現音量、重低音調節(jié)等多種音效：而TAS51xx系列則是專用音頻H橋放大電路。

4、數字音頻功放設計

4．1 設計方案

這里提供2種設計方案，前者是TAS55xx+TAS51xx，可得到8通道數字功放；后者是TAS50xx+TAS30xx+TAS51xx得到2通道數字功放。因為后者設計方案保真度較高，DSP效果更好，成本更低，且所用器件在國內較易買到，以下詳細介紹后一種設計方案。

實際設計采用TAS5015+TAS3002+TAS5100的組合。其中TAS3002自帶A／D和D／A轉換器，使得系統(tǒng)可接收模擬輸入信號，擴展了產品適用范圍。

4．2 工作流程

圖2給出數字功放的具體工作流程，音源來自兩個途徑：①通過高品質CD機得到的S／PDIF信號（一種被高端音響商廣泛使用的數字音頻格式），它通過格式轉換器DIRl703轉換后進入TAS3002；②模擬信號通過話筒等拾音設備被TAS3002獲取。系統(tǒng)內數字音頻信號（以SDATA表示）在TAS3002中經DSP音效處理后，進入PWM調制器TAS5015，轉換成PWM信號。隨后進入TAS5100進行功率放大，經低通濾波器重建模擬信號驅動揚聲器。在放大過程中，如果電路出現異常，TAS5100可自動發(fā)出報警信號重置系統(tǒng)，也可手動重置，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字音頻設備之間的音頻數據傳輸而制定的一種總線標準，該總線音頻設備之間的數據傳輸，廣泛應用于各種多媒體系統(tǒng)。在I2S標準中規(guī)定了硬件接口規(guī)范和數字音頻數據格式。I2S有3個主要信號：①串行時鐘SCLK，也叫位時鐘（BCLK），即對應數字音頻的每一位數據，SCLK都有1個脈沖。SCLK的頻率=2x采樣頻率×采樣位數。②幀時鐘LRCLK，用于切換左右聲道的數據。LRCLK為“l(fā)”表示左聲道正在傳輸數據，為“0”則表示右聲道正在傳輸數據。LRCLK的頻率等于采樣頻率。③串行數據SDATA用二進制補碼表示的音頻數據。有時為了使系統(tǒng)間能夠更好地同步，還需要另外傳輸一個信號MCLK，稱為主時鐘，也叫系統(tǒng)時鐘（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 數字音頻輸入

數字音頻輸入電路如圖3所示。該模塊主要利用TI的數字音頻接口器件DIRl703實現以下功能：①將CD格式的數字音頻信號轉化為PWM調制器TAS5015可識別的串行音頻數據，該數據可直接在I2S總線上傳輸；②產生整個I2S總線的串行時鐘BCLK，幀時鐘LRCLK，以及系統(tǒng)時鐘SCLK。

DIRl703的引腳20輸入的SPDIF一IN信號即為從CD唱機通過光纖或者同軸電纜得到的PCM信號；經過DIRl703處理后輸出SDATA信號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)時鐘SCLK信號256XFS；引腳10（LRCK0）輸出串行時鐘BCLK信號FS；引腳11（BCK0）輸出幀時鐘LRCLK信號64XFS。

4．4．2 數字音頻處理

數字音頻處理采用了TI的數字音頻處理TAS3002。PC機通過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轉化為數字信號輸入或直接接收DIRl703輸出的SDATA信號，并對數字輸入信號進行數字式音量調節(jié)和均衡調節(jié)而無需D／A轉換。然后，它可以直接將處理后的數字信號進行D／A轉換為模擬信號輸出以驅動揚聲器發(fā)聲，更重要的是它也可將處理后的數字信號直接通過I2S總線傳輸給PWM調制器。

如圖4所示，TAS3002的引腳22接收I2S輸入的SDATA信號I2S—DIRl703一OUT，或者通過引腳1和引腳40直接接收模擬信號，經TAS3002數字音效處理后，由引腳26輸出處理后的SDATA信號I2S一TAS3002一OUT。同時，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。

4．4．3 PWM調制

PWM調制是數字功放設計的核心。該模塊采用TI公司的TAS5015PWM調制器。它接收DIRl703或TAS3002通過I2S總線傳輸的數字音頻信號，將之轉化為兩聲道每聲道4路的PWM信號，以便下一步H橋開關放大。它能接收外部控制信號實現靜音和重置，并調節(jié)采樣頻率。它的時鐘與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，引腳32～35輸出左聲道4路PWM信號，引腳26~29輸出右聲道4路PWM信號。

5、結語

在設計過程中最需要注意的IC間通信的同步問題，由于TI的數字音頻IC都采用I2S總線通信方式，所以問題就迎刃而解。該數字功放經調試，效果極佳，性價比高。

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