第五章 5.1 聲道音頻放大器硬體架構與實現
5.3 功率放大級
對於一個大功率的揚聲器而言，其消耗對於電流有限的FPGA(I/O 3.3V、max 500mA)而言會造成損壞，因此必須藉由高速功率放大級作為驅動。在六聲道中總 共使用兩種功率放大級：(1)德州儀器(TI)推出的 TAS5121 數位音訊放大器[31]；
(2)P/N Power MOS(TOREX XP152A12C0MR /XP151A13A0MR)組成之全橋放大 器[32][33]。
5.3.1 硬體介紹：(1)TI TAS5121；(2) TOREX P/N Power MOS
(1) Stereo Digital Amplifier Power Stage TAS5121：
特性．負載為4Ω時，輸入功率100-W RMS 之 THD+N 低於 10%
．負載為4Ω時，輸入功率80-W RMS 之 THD+N 低於 0.2%
．負載為4Ω時，輸入功率1W 時之 THD+N 為 0.05%
．負載為4Ω時，功率效率超過90%
．36-Pin PSOP3 IC 封裝
．內部有Gate Driver
．3.3-V 數位介面
應用．DVD 接收器．網路音樂裝置．迷你元件系統
圖5.3.1 TI TAS5121 接腳圖
(2) P/N Power MOS(TOREX XP152A12C0MR /XP151A13A0MR)：
特性．DMOS 架構
．低導通阻抗：0.3Ω(P-Channel)、0.1Ω(N-Channel)
．極高速開關
．內建閘極保護二極體
．SOT – 23 IC 封裝
．3.3-V 數位介面
應用．筆記型電腦．可攜式電話．Li-ion 鋰電系統
圖5.3.2 TOREX XP152A12C0MR/XP151A13A0MR 接腳圖
5.3.2 功率放大級實作
(1) TAS5121：
TAS5121 為全橋式，內部已經含蓋了 Gate Driver，所以輸入部分可直接使用 FPGA 的 3.3V I/O 埠，參考[31]，將周邊電路完成即可。此晶片需要三種直流電 壓源DVDD、GVDD、PVDD。
‧DVDD：數位調節器(Regulator)輸入。其電壓值可在 3V~3.6V 間，通常為 3.3V。
此電壓會從晶片內部自行由GVDD 電壓產生，以便利實現。
‧GVDD：提供邏輯調節器(Logic Regulators)與 gate-drive 電路。其電壓值可在 10.8V~13.2V 間，通常為 12V。
‧PVDD：(半橋)Half-Bridge 電壓供應。其電壓值可在 0V~32V 間。此部分決定 放大器功率與效率，PVDD 大小與輸出功率的關係如下圖 5.3.3(a)，輸出功率以及 系統效率的關係圖如(b)。在實作上採用 PVDD 為 12V，而選用負載為4Ω的揚聲 器。
輸出功率 VS H-Bridge電壓
PVDD(V)
Output Power(W)
Efficiency VS 總輸出功率
Total Output Power(W)
Efficiency(%)
(a) (b)
圖5.3.3 (a)輸出功率與 PVDD 電壓(b)效率與輸出功率
此外TAS5121 還有幾項特性：(1)內部有數位邏輯產生 dead-time；(2)晶片的 輸出準位時間至少需要100ns，而 Σ－Δ 調變脈波寬度最小為 1
3.072MHz ≈ 326ns，
速度符合。(3)有RESET訊號作為位準觸發(Level Trigger)，外接電路上用來吸收突波
的電容必須充電完成始得正常操作。由圖5.3.4 可以得知在電壓輸入 1ms 後電容才充電
完成，至此方可將RESET 準位設為高準位(High)，讓訊號輸入；同理，訊號結束前 1ms
即必須拉低RESET 準位至低準位(Low)，以避免資料流失，造成失真。上述 RESET 腳
位為利用FPGA 來控制。
圖5.3.4 功率放大器啟動程序
而當發生過熱、過載、電壓不足，晶片會送出錯誤控制訊號，在排除問題之後必 須由外部給予RESET 低準位訊號使晶片恢復工作。
(2) P/NMOS H-Bridge
TOREX XP152A12C0MR /XP151A13A0MR 的 DC 輸入/出範圍及規格如圖 5.3.5。
圖5.3.5 P/NMOS 絕對最大額定
3.3V 3.3V
V+
V-XP152A12C0MR
XP151A13A0MR
圖5.3.6 P/NMOS H-Bridge 功率放大級
依照全橋的架構組合如圖5.3.6，此架構設計的電源為單一電源，即為 CMOS 的電源供應 VDD 與 GND，電壓範圍為 0~20V，在此為配合 FPGA 輸出埠 3.3V
規格與適當功率，將電源定為 3.3V。此兩部分皆可以使用四元切換機制補償
P/NMOS 不匹配。
第六章 效能量測與比較
本章主要是量測放大器系統平台，於6.1 節量測 FPGA 調變級邏輯輸出的效 能與計算，以及放大級三元與四元切換的類比輸出效能比較；而 6.2 節則量測兩 種全橋放大器的輸出效率。關於調變級與放大級請參閱圖6.1。
PC USB
Controller
Sigma-Delta Modulator
TOREX P/NMOS H-Bridge
TI TAS-5121
H-Bridge Ternary to
Quaternary Converter
調變級 放大級
圖6.1 放大器平台訊號示意圖