Cyfrowy wzmacniacz mocy stereo z interfejsem I2S

Wzmacniacz został zbudowany na bazie układu SSM3582 firmy Analog Devices, który integruje w sobie dwukanałową końcówkę mocy 2×15 W, pracującą w klasie D ze sprawnością sięgającą 90%, przetwornik DAC (24 bit/192 kHz), regulator głośności, limiter, rozbudowany układ sterownia i kontroli poprzez magistralę I2C. Dodatkowo układ zawiera pomocniczy stabilizator LDO dla zasilania wbudowanych bloków bezpośrednio z napięcia zasilającego końcówkę mocy oraz posiada wbudowany układ resetu po włączeniu zasilania. Dla ułatwienia aplikacji układu, nie jest wymagany sygnał zegarowy MCLK dla interfejsu I2S/TDM. Układ zamknięty jest w obudowie LFCSP40 o wymiarach 6×6 mm z padem termicznym.

W większości aplikacji nie wymaga zastosowania radiatora. Struktura wewnętrzna układu została pokazana na rysunku 1.

Rysunek 1. Struktura wewnętrzna układu SSM3528

Budowa i działanie

Schemat układu wzmacniacza został pokazany na rysunku 2. Aplikacja nie odbiega od noty katalogowej Analog Devices, proponowanej dla wzmacniacza stereo. Sygnał wejściowy w standardzie I2S/TDM doprowadzony jest do złącza I2S zgodnego z Pmod lub I2SO zgodnego z AudioDSP, a stąd do interfejsu wejściowego układu U1 typu SSM3582.

Rysunek 2. Schemat wzmacniacza

Zasilanie końcówki mocy doprowadzone jest do złącza śrubowego PWR, układ pracuje poprawnie przy zasilaniu napięciem 4,5...16 V, należy tylko pamiętać o wydajności źródła dostosowanej do zakładanej mocy wzmacniacza. Do zasilania wewnętrznych bloków układu służy wbudowany stabilizator AVDD LDO, aktywowany wyprowadzeniem AVDD_EN oraz stabilizator DVDD LDO, aktywowany sygnałem DVDD_EN. Kondensatory C9...C11 odsprzęgają zasilania AVDD, DVDD układu U1. Kondensatory CE1, CE2, C1...C4 zapewniają filtrację i odsprzęganie zasilania stopnia mocy.

Kondensatory C5...C8 są elementami obwodu bootstrap stopnia mocy. Wzmocniony sygnał wyjściowy, po filtracji w obwodzie z elementami FB1...FB4, C12...C15, doprowadzony jest do złącz śrubowych OUTL, OUTR.

Parametryzacja i kontrola pracy układu odbywa się poprzez interfejs I2C. W przypadku współpracy z systemami Pmod, interfejs I2C należy doprowadzić do dodatkowych pinów 1, 2 złącza I2S, w przypadku AudioDSP nie są wymagane dodatkowe połączenia, gdyż interfejs I2C dostępny jest domyślnie na złączu I2SO (moduł podłączmy z prawej strony zestawu). Złącze TDM umożliwia kaskadowe łączenie modułów jeżeli realizujemy wzmacniacz wielokanałowy np. w konfiguracji 2.1/5.1. Połączenia pomiędzy poszczególnymi modułami wykonane są taśmą 1:1 ze złączami micromatch 6 pin. Zasilanie do złącza PWR należy doprowadzić niezależnie do każdego modułu wzmacniacza. Układ uzupełniają zworki ADR, SDA, SCL umożliwiające konfigurację interfejsu I2C. Wszystkie piny wejściowe akceptują napięcie z zakresu 1,8...5,5 V, należy pamiętać o zewnętrznym podwieszeniu magistrali I2C do dodatniego zasilania części cyfrowej.

Praca układu SSM3582 może być kontrolowana poprzez magistralę I2C, ale układ może działać także w trybie samodzielnym z konfiguracja sprzętową i ograniczoną funkcjonalnością. W trybie I2C, zworki ADR służą do ustawienia adresu bazowego SSM3582 na magistrali I2C. Adresację pokazano w tabeli 1. Wyróżniono adresy 0x10...0x13 możliwe do bezpośredniego ustawienia przy pomocy zworek ADR na płytce. Aby połączyć magistralę I2C do układu U1 konieczne jest założenie zworek SDA, SCL w pozycji 3–4. W ograniczonym funkcjonalnie trybie samodzielnym położenie zworek, w zależności od konfiguracji, pokazano w tabeli 2.

Montaż i uruchomienie

Wzmacniacz zmontowany jest na dwustronnej płytce drukowanej, której schemat wraz z rozmieszczeniem elementów został pokazany na rysunku 3. Przed montażem należy ustalić rodzaj używanego złącza: I2SO czy I2S. Montaż nie wymaga szczegółowego opisu a układ zmontowany ze sprawdzonych elementów nie wymaga uruchamiania.

Rysunek 3. Schemat płytki PCB wraz z rozmieszczeniem elementów

Sprawdzenie działania wzmacniacza można wykonać przy pomocy zestawu AudioDSP oraz Raspberry Pi. Układ sprawdzany będzie w trybie sterowania poprzez interfejs I2C, w tym celu należy ustawić zworki ADR w położeniu GND, a zworki SCL i SDA w środkowym położeniu (zwarte piny 3–4). Po zainstalowaniu płytki z lewej strony zestawu AudioDSP, połączeniu magistrali I2C do Raspberry Pi poprzez złącze I2C, należy jeszcze podłączyć programator USBi, głośniki i zasilanie modułu, np z zasilacza laboratoryjnego.

Teraz możemy uruchomić środowisko SigmaStudio w celu konfiguracji układu. Do celów testowych przygotowałem projekt Test_SSM3582.dspproj, który należy otworzyć. Konfigurację sprzętową pokazano na rysunku 4.

Rysunek 4. Konfiguracja zestawu AudioDSP i SSM3582

Rysunek 5. Projekt testowy Test_SSM3582.dspproj

Schemat projektu pokazano na rysunku 5. AudioDSP służy jako źródło sygnału o regulowanym poziomie, z interfejsem I2S. Do wejścia analogowego należy doprowadzić sygnał audio, cyfrowy interfejs wyjściowy skonfigurowany jest jako master I2S stereo. Sterowanie układem SSM3582 odbywa się poprzez interfejs I2C w zakładkach konfiguracji sprzętowej. Pierwsza z nich Chip/SAI/DAC Control określa konfigurację interfejsu audio, poziomy sygnału i wzmocnienia układu (rysunek 6).

Rysunek 6. Konfiguracja układu SSM3582

Rysunek 7. Konfiguracja limitera

Druga zakładka Limiter Control określa parametry i sposób pracy wbudowanego limitera, który jest szczególnie przydatny przy pracy z baterii. Pozwala ograniczyć poziom sygnału wyjściowego, gdy napięcie zasilania zmniejsza swoją wartość redukując nieprzyjemne efekty przy przesterowaniu końcówki mocy (rysunek 7). Trzecia zakładka Fault/Status pozwala monitorować stan pracy układu m.in. temperaturę struktury, wartość napięcia zasilania oraz zadziałania zabezpieczeń (rysunek 8).

Rysunek 8. Status układu SSM3582

Zmieniając wartość zasilania i ustawienia limitera można sprawdzić skuteczność działania układu. Uwaga – przy wyłączaniu limitera, należy zmniejszyć poziom sygnału, aby nie uszkodzić głośników.

Przy pomocy komputerka Raspberry, dołączonego poprzez I2C, przy pomocy skryptu i kilku poleceń systemowych możemy przejąć kontrolę nad SSM3582. W pierwszej kolejności sprawdzamy obecność układu na magistrali poleceniem i2cdetect -y 1. Układ SSM3582 widoczny jest pod adresem 0x10. Pozostałe adresy 0x50 i 0x51 są adresami programatora USBi i pamięci EEPROM płytki Audio DSP, nie należy pod nie zapisywać, gdyż może to uszkodzić firmware programatora.

Rysunek 9. Detekcja układu SSM3582 na magistrali I2C

Dla konfiguracji układu przygotowałem krótki skrypt pokazany na listingu 1. Skrypt należy uruchomić poleceniem ./ssm3582.sh po nadaniu atrybutu wykonalności sudo chmod +x ssm3582.sh, po uprzednim wyłączeniu zasilania wzmacniacza. Jeżeli Raspberry jest także źródłem sygnału I2S każdorazowo należy skonfigurować częstotliwość próbkowania modyfikując rejestr pod adresem 0x06, zgodnie z kartą katalogową układu i dopasowując zapisaną jego wartość do częstotliwości próbkowania odtwarzanego pliku dźwiękowego. Regulację głośności można sprawdzić poleceniem i2cset -y 1 0x10 0x07 0x55, zmieniając wartość 0x55 na 0xAA powinno być słyszalne przyciszenie wzmacniacza. Szczegółową mapę rejestrów SSM3582 pokazuje tabela 3.

Poleceniem i2cget -y 1 0x10 0x1A można sprawdzić wartość napięcia zasilania układu, posiłkując się wzorem:

Uzas = 3,8 V + 12,4 V × (Odczytana wartość rejestru 0x1A dziesiętnie) / 255

W modelu odczytano wartość 0x2B (43D), co odpowiada napięciu 5,9 V pochodzącemu z akumulatora żelowego 6 V.

Dokładny opis zawartości rejestrów znajduje jest w karcie katalogowej SSM3582. Polecam korzystanie z najnowszych wersji, natomiast w przypadku problemów warto zajrzeć na forum ez.analog.com Przykładowy projekt ułatwiający uruchomienie znajduje się w materiałach dodatkowych do projektu.

Adam Tatuś
adam.tatus@ep.com.pl