啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)序
為了優(yōu)化開(kāi)關(guān)機的POP 聲和避免DC Detect 功能的誤觸發(fā)，在系統設計時(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)序可理解為系統供電穩定后由系統主控決定的器件功能使能的先后次序。
對于電源時(shí)序來(lái)說(shuō)，由于多數主芯片的音頻輸出在上電和斷電過(guò)程中不太穩定，理想的上電次序是系統主芯片先于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 取自于系統的主電源，該電源一般在開(kāi)機后最先輸出。隨后再通過(guò)DC/DC 或LDO 降壓給主芯片供電。所以TPA3110 一般在主芯片穩定前已經(jīng)供電并啟動(dòng)。這種設計中，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(guò)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(guò)程的POP 聲較容易解決，但系統掉電時(shí)需要使用掉電檢測電路來(lái)強制將TPA3110 的/SD 快速拉低來(lái)解決掉電POP 聲的問(wèn)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定后才可以將/SD 置高開(kāi)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。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。
輸入級模型
TPA3110 是單電源供電的模擬輸入Class D 功放，這類(lèi)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，簡(jiǎn)化的輸入級模型如圖1 所示。TPA3110 的直流偏置電壓設定在3V。
圖 1. 模擬輸入級等效模型
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(guò)程的時(shí)間長(cháng)短取決于內部偏置電壓源對外部阻抗網(wǎng)絡(luò )的充電速度。
圖 2. 差分輸入偏置電壓建立過(guò)程
TPA3110 差分輸入INN 和INP 的輸入偏置電壓建立的過(guò)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(guò)程的不平衡通常是因為輸入級INN 和INP外部的阻抗不匹配所致。這種情況最容易出現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準的差分輸入接口。在系統設計中，推薦使用差分輸入方式來(lái)接駁主芯片的音頻輸出。使用差分輸入方式可以不僅POP 聲的控制相對簡(jiǎn)單、信號抗干擾能力強，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比如下表所示：
表 1. 差分、單端輸入方式對比表
不過(guò)在實(shí)際應用中，由于多數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(guò)耦合電容連接功放INP 腳。INN 輸入通過(guò)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. 單端輸入模式應用時(shí)需要更加注意音頻信號的走線(xiàn)和地平面的分布，因為單端輸入模式?jīng)]有能力抑制系統中的公模干擾信號。
2. 相比差分信號輸入模式下，單端輸入，需要輸入兩倍的輸入信號電平來(lái)達到相同的輸出功率。
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，盡量不要在輸入級使用復雜的濾波網(wǎng)絡(luò )。不合適的阻抗網(wǎng)絡(luò )不僅會(huì )引起開(kāi)關(guān)機的POP 聲，也有可能引起DC Detection 功能的誤觸發(fā)，導致功放鎖死。若必須在輸入級進(jìn)行濾波或增益設置，請參考使用運放來(lái)進(jìn)行濾波及增益的調節。
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(wèn)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)內部的偏置電壓會(huì )逐步建立，其過(guò)程即為向Zn 和Zp 阻抗網(wǎng)絡(luò )充電的過(guò)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，該差分信號被功放放大之后則形成POP 聲。
TPA3110 功放設計的啟動(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)對輸入阻抗網(wǎng)絡(luò )的充電穩定時(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(lái)POP 聲的問(wèn)題。減小Zn 和Zp 中的電容參數可以縮短輸入級穩定時(shí)間，但減小電容會(huì )使得低頻增益降低，用戶(hù)需酌情考慮。
圖 4. 匹配輸入阻抗
使用運放建立隔離系統
在某些系統中，主芯片的音頻信號輸出不僅需要連接到功放輸入，還要輸出到Line Out（線(xiàn)路輸出），或者其他的芯片進(jìn)行處理。該種情況下輸入級的網(wǎng)絡(luò )比較復雜，單端輸入模式的阻抗匹配不容易實(shí)現。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以使用運放接成一個(gè)簡(jiǎn)單的跟隨器來(lái)建立一個(gè)隔離的阻抗輸
入系統。跟隨器的輸入阻抗很高，對源信號沒(méi)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(lái)建立一個(gè)隔離的輸入阻抗網(wǎng)絡(luò )的電路。需要時(shí)，還可將運放用來(lái)調節信號增益及濾波。
圖 5. 使用運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(guò)程中。遵從匹配輸入級阻抗網(wǎng)絡(luò )的方法即可解決該種POP 聲。
不合理的系統時(shí)序
如 1 節所述，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(guò)程，而且主芯片上電過(guò)程中也有可能輸出不可控的POP 聲。所以在上電過(guò)程中，必須保證功放處于Standby 狀態(tài)下。避免將前級芯片產(chǎn)生的POP 聲放大輸出到喇叭。
POP 聲的最終表現一樣，但根本原因可能有不同，以下是推薦的查找POP 聲原因的調試方法：
1. 隔離功放輸入和主芯片輸出；出現POP 聲后，首先要將主芯片的輸出斷開(kāi)，并將功放輸入電路部分通過(guò)電容交流短路到地。此時(shí)可以控制/SD 腳電平模擬開(kāi)關(guān)機過(guò)程。若POP 聲仍然存在，則說(shuō)明功放啟動(dòng)時(shí)P/N 腳對外部網(wǎng)絡(luò )的充電速度不一致，導致差分輸入存在壓差所致。若POP 消失，則可進(jìn)行下一步驗證。
2. 確認功放無(wú)輸入情況下開(kāi)關(guān)無(wú)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)系統正常的開(kāi)關(guān)機驗證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。部分系統中電源并未完全關(guān)閉，系統有待機模式時(shí)可用待機芯片的I/O 口進(jìn)行時(shí)序的控制，若系統的開(kāi)關(guān)機是電源硬關(guān)斷模式則需要進(jìn)行系統電源時(shí)序的優(yōu)化。部分情況下，需要添加上電/掉電檢測電路來(lái)控制POP聲。
2 掉電檢測電路
在使用硬件開(kāi)關(guān)直接關(guān)閉主電源的系統中，掉電時(shí)的POP 聲控制較為困難。因為該類(lèi)系統無(wú)法提前預知系統掉電，無(wú)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(lái)解決該問(wèn)題。該電路可在系統電壓跌落初期提供控制信號，使用該控制信號拉低/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(guò)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(zhù)PVCC 的跌落降低，直到跌落到Q1 三極管打開(kāi)后，C1 的電壓將通過(guò)Q1送給Q2 的基極，Q2 導通，/SD 被拉低。根據上述原理，可由以下計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
掉電檢測電路在應用時(shí)需要注意調整R1 和R2 的數值，選擇合適的掉電保護點(diǎn)。避免電源的紋波觸發(fā)掉電保護電路導致誤觸發(fā)靜音。電路中給出了Active High 和Active Low 兩種邏輯供用戶(hù)選擇�？梢愿鶕Ψ潘璧倪壿嬜孕羞x用。
總結
本文結合實(shí)際應用介紹了TPA3110 功放的基本功能，并詳細分析了該類(lèi)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，詳細的產(chǎn)品資料請參看：http://www.webuyspringsrealestate.com/products_3642.htm |
