啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)序
為了優(yōu)化開關(guān)機(jī)的POP 聲和避免DC Detect 功能的誤觸發(fā)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意主芯片和TPA3110 器件的啟動(dòng)時(shí)序。啟動(dòng)時(shí)序分為電源時(shí)序和使能時(shí)序兩種，電源時(shí)序是指系統(tǒng)中各種芯片電源供電或斷電的時(shí)序。而使能時(shí)序可理解為系統(tǒng)供電穩(wěn)定后由系統(tǒng)主控決定的器件功能使能的先后次序。
對(duì)于電源時(shí)序來說，由于多數(shù)主芯片的音頻輸出在上電和斷電過程中不太穩(wěn)定，理想的上電次序是系統(tǒng)主芯片先于TPA3110 上電。然后TPA3110 的PVCC 再供電。斷電的理想時(shí)序正好相反，為TPA3110 的電源先切斷，然后再切斷主控芯片的供電。
但是通常TPA3110 的PVCC 取自于系統(tǒng)的主電源，該電源一般在開機(jī)后最先輸出。隨后再通過DC/DC 或LDO 降壓給主芯片供電。所以TPA3110 一般在主芯片穩(wěn)定前已經(jīng)供電并啟動(dòng)。這種設(shè)計(jì)中，上電時(shí)必須保證TPA311x 的/SD 腳處于拉低狀態(tài)，避免主芯片上電過程中的POP 聲輸出。掉電時(shí)，也需要將TPA3110 置于standby 狀態(tài)，避免主芯片掉電時(shí)的POP 聲輸出。通常上電過程的POP 聲較容易解決，但系統(tǒng)掉電時(shí)需要使用掉電檢測電路來強(qiáng)制將TPA3110 的/SD 快速拉低來解決掉電POP 聲的問題。
使能時(shí)序：由于主芯片音頻模擬輸出的偏置電壓一般在輸出使能后建立，此時(shí)需要保持TPA3110 的/SD 拉低，等待主芯片模擬輸出的偏置電壓穩(wěn)定后才可以將/SD 置高開啟功放。相反，需要關(guān)閉主芯片音頻模擬輸出功能時(shí)，需要先拉低/SD 將功放關(guān)閉后，再關(guān)閉主芯片的模擬輸出信號(hào)。這樣的時(shí)序是為了保證主芯片模擬輸出的偏置電壓掉電時(shí)不會(huì)引起POP 聲。
輸入級(jí)模型
TPA3110 是單電源供電的模擬輸入Class D 功放，這類功放的模擬輸入必須工作在直流偏置（DC BIAS）點(diǎn)上才可以正常傳輸交流音頻信號(hào)，簡化的輸入級(jí)模型如圖1 所示。TPA3110 的直流偏置電壓設(shè)定在3V。
圖 1. 模擬輸入級(jí)等效模型
功放在啟動(dòng)時(shí)，偏置電壓會(huì)從0V 上升到額定的偏置電壓，該過程的時(shí)間長短取決于內(nèi)部偏置電壓源對(duì)外部阻抗網(wǎng)絡(luò)的充電速度。
圖 2. 差分輸入偏置電壓建立過程
TPA3110 差分輸入INN 和INP 的輸入偏置電壓建立的過程如圖2所示，若差分輸入N 和P 端的輸入偏置電壓建立速度不一樣則兩者之差會(huì)形成差分信號(hào)輸入功放并被放大輸出，形成啟動(dòng)時(shí)的POP 聲。差分輸入端偏置電壓建立過程的不平衡通常是因?yàn)檩斎爰?jí)INN 和INP外部的阻抗不匹配所致。這種情況最容易出現(xiàn)在差分輸入用作單端輸入狀態(tài)。
TPA3110 的單端輸入方式
TPA3110 器件的模擬輸入是標(biāo)準(zhǔn)的差分輸入接口。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，推薦使用差分輸入方式來接駁主芯片的音頻輸出。使用差分輸入方式可以不僅POP 聲的控制相對(duì)簡單、信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，而且不會(huì)引起DC Detection 功能的誤動(dòng)作。差分輸入方式和單端輸入方式的對(duì)比如下表所示：
表 1. 差分、單端輸入方式對(duì)比表
不過在實(shí)際應(yīng)用中，由于多數(shù)主芯片的音頻模擬輸出是單端模式， TPA3110 的差分輸入必須配置為單端接法才能使用。如圖3 所示，單端輸入時(shí)，主芯片輸出通過耦合電容連接功放INP 腳。INN 輸入通過電容耦合到地即可。
圖 3. TPA3110 單端輸入接法
使用單端輸入模式時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：
1. 單端輸入模式應(yīng)用時(shí)需要更加注意音頻信號(hào)的走線和地平面的分布，因?yàn)閱味溯斎肽Ｊ經(jīng)]有能力抑制系統(tǒng)中的公模干擾信號(hào)。
2. 相比差分信號(hào)輸入模式下，單端輸入，需要輸入兩倍的輸入信號(hào)電平來達(dá)到相同的輸出功率。
3. 單端輸入模式必須注意P/N 腳電路網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配，盡量不要在輸入級(jí)使用復(fù)雜的濾波網(wǎng)絡(luò)。不合適的阻抗網(wǎng)絡(luò)不僅會(huì)引起開關(guān)機(jī)的POP 聲，也有可能引起DC Detection 功能的誤觸發(fā)，導(dǎo)致功放鎖死。若必須在輸入級(jí)進(jìn)行濾波或增益設(shè)置，請參考使用運(yùn)放來進(jìn)行濾波及增益的調(diào)節(jié)。
輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)的匹配
若使用單端輸入的方式連接TPA3110 ，則必須注意輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)的匹配問題。如圖5 所示，功放的INN 輸入端外部阻抗為Zn，通常Zn 為耦合電容。主芯片輸出阻抗一般很小，可認(rèn)為輸出阻抗為零，則INP 輸入端外部阻抗約為Zp。功放啟動(dòng)時(shí)內(nèi)部的偏置電壓會(huì)逐步建立，其過程即為向Zn 和Zp 阻抗網(wǎng)絡(luò)充電的過程。若Zn 和Zp 阻抗相差太大，INN 和INP 之間就會(huì)形成較大的差分信號(hào)，該差分信號(hào)被功放放大之后則形成POP 聲。
TPA3110 功放設(shè)計(jì)的啟動(dòng)時(shí)間為14mS，該時(shí)間是從/SD 被拉高到功放輸出聲音的時(shí)間。若上述啟動(dòng)時(shí)對(duì)輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)的充電穩(wěn)定時(shí)間少于14mS，則因阻抗不匹配引起的差分輸入也不會(huì)被放大而帶來POP 聲的問題。減小Zn 和Zp 中的電容參數(shù)可以縮短輸入級(jí)穩(wěn)定時(shí)間，但減小電容會(huì)使得低頻增益降低，用戶需酌情考慮。
圖 4. 匹配輸入阻抗
使用運(yùn)放建立隔離系統(tǒng)
在某些系統(tǒng)中，主芯片的音頻信號(hào)輸出不僅需要連接到功放輸入，還要輸出到Line Out（線路輸出），或者其他的芯片進(jìn)行處理。該種情況下輸入級(jí)的網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜，單端輸入模式的阻抗匹配不容易實(shí)現(xiàn)。為了解決這個(gè)問題，可以使用運(yùn)放接成一個(gè)簡單的跟隨器來建立一個(gè)隔離的阻抗輸
入系統(tǒng)。跟隨器的輸入阻抗很高，對(duì)源信號(hào)沒有影響。其輸出阻抗非常低，可良好匹配TPA3110 的輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)。圖 5 給出了使用跟隨器來建立一個(gè)隔離的輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)的電路。需要時(shí)，還可將運(yùn)放用來調(diào)節(jié)信號(hào)增益及濾波。
圖 5. 使用運(yùn)放建立隔離的阻抗網(wǎng)絡(luò)
TPA3110 Pop 聲分析及解決方案
1 POP 的原因及調(diào)試方法
TPA3110 的Pop 聲有兩種可能的原因：輸入阻抗不匹配及不合理的系統(tǒng)時(shí)序
輸入阻抗不匹配：
輸入阻抗不匹配會(huì)引起器件啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)差分輸入端產(chǎn)生電壓差，這種POP 聲是在/SD 電壓變化時(shí)產(chǎn)生的，發(fā)生在TPA3110 輸入端的Bias（偏置電壓）的建立過程中。遵從匹配輸入級(jí)阻抗網(wǎng)絡(luò)的方法即可解決該種POP 聲。
不合理的系統(tǒng)時(shí)序
如 1 節(jié)所述，主芯片啟動(dòng)或關(guān)閉時(shí)，模擬輸出的偏置電壓也需要一個(gè)建立的過程，而且主芯片上電過程中也有可能輸出不可控的POP 聲。所以在上電過程中，必須保證功放處于Standby 狀態(tài)下。避免將前級(jí)芯片產(chǎn)生的POP 聲放大輸出到喇叭。
POP 聲的最終表現(xiàn)一樣，但根本原因可能有不同，以下是推薦的查找POP 聲原因的調(diào)試方法：
1. 隔離功放輸入和主芯片輸出；出現(xiàn)POP 聲后，首先要將主芯片的輸出斷開，并將功放輸入電路部分通過電容交流短路到地。此時(shí)可以控制/SD 腳電平模擬開關(guān)機(jī)過程。若POP 聲仍然存在，則說明功放啟動(dòng)時(shí)P/N 腳對(duì)外部網(wǎng)絡(luò)的充電速度不一致，導(dǎo)致差分輸入存在壓差所致。若POP 消失，則可進(jìn)行下一步驗(yàn)證。
2. 確認(rèn)功放無輸入情況下開關(guān)無POP 聲之后，可使用外部電源給主芯片供電。保持主芯片電源不切斷是為了排除主芯片輸出在掉電時(shí)產(chǎn)生POP 聲的影響。此時(shí)進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)正常的開關(guān)機(jī)驗(yàn)證POP 聲。若POP 聲消除，則可判斷主芯片掉電時(shí)序和功放的掉電時(shí)序不匹配，導(dǎo)致主芯片掉電時(shí)產(chǎn)生的POP 聲被功放放大輸出。部分系統(tǒng)中電源并未完全關(guān)閉，系統(tǒng)有待機(jī)模式時(shí)可用待機(jī)芯片的I/O 口進(jìn)行時(shí)序的控制，若系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)是電源硬關(guān)斷模式則需要進(jìn)行系統(tǒng)電源時(shí)序的優(yōu)化。部分情況下，需要添加上電/掉電檢測電路來控制POP聲。
2 掉電檢測電路
在使用硬件開關(guān)直接關(guān)閉主電源的系統(tǒng)中，掉電時(shí)的POP 聲控制較為困難。因?yàn)樵擃愊到y(tǒng)無法提前預(yù)知系統(tǒng)掉電，無法在掉電之前使用控制器I/O 口靜音或關(guān)閉功放。這時(shí)就必須使用如圖76所示的掉電檢測電路來解決該問題。該電路可在系統(tǒng)電壓跌落初期提供控制信號(hào)，使用該控制信號(hào)拉低/SD 腳即可在掉電初期快速關(guān)閉功放。
掉電檢測電路在正常供電時(shí)PVCC 會(huì)通過二極管D1 和電阻R1 向C1 大電容充電。掉電初期，Q1 的基極電壓將隨著PVCC 的跌落降低，直到跌落到Q1 三極管打開后，C1 的電壓將通過Q1送給Q2 的基極，Q2 導(dǎo)通，/SD 被拉低。根據(jù)上述原理，可由以下計(jì)算出電壓跌落的位置Vdrop：
該例中，PVCC 為12V， Vf 和Veb 為0.7V， 則掉電保護(hù)點(diǎn)約在10.3V 左右，與波形圖8 吻合。
圖 6. 掉電檢測電路
圖 7. 掉電檢測電路示例波形
掉電檢測電路在應(yīng)用時(shí)需要注意調(diào)整R1 和R2 的數(shù)值，選擇合適的掉電保護(hù)點(diǎn)。避免電源的紋波觸發(fā)掉電保護(hù)電路導(dǎo)致誤觸發(fā)靜音。電路中給出了Active High 和Active Low 兩種邏輯供用戶選擇�？梢愿鶕�(jù)功放所需的邏輯自行選用。
總結(jié)
本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用介紹了TPA3110 功放的基本功能，并詳細(xì)分析了該類功放POP 聲產(chǎn)生的原理及解決方案。
我司先力推國產(chǎn)TPA3110，價(jià)格和貨期有一定優(yōu)勢，詳細(xì)的產(chǎn)品資料請參看：http://m.uxxk.cn/products_3642.htm |
