NS4168
I2S 数字输入、防失真、2.5W单声道D类音频功放

NS4168 用户手册 V0.9

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2015 年 03 月

1

NS4168
I2S 数字输入、防失真、2.5W单声道D类音频功放修改历史
日期版本作者修改说明

2

NS4168
I2S 数字输入、防失真、2.5W单声道D类音频功放目录1

功能说明 ........................................................................................................................................................... 52

主要特性 ........................................................................................................................................................... 53

应用领域 ........................................................................................................................................................... 54典型应用电路.................................................................................................................................................... 55

极限参数 ........................................................................................................................................................... 66

电气特性 ........................................................................................................................................................... 67

芯片管脚描述.................................................................................................................................................... 77.1
7.2

NS4168 封装管脚分配图 ................................................................................................................. 7NS4168 引脚功能描述 ..................................................................................................................... 88NS4168 典型参考特性...................................................................................................................................... 89NS4168 应用说明.............................................................................................................................................. 99.1
9.29.2.1
9.2.2
9.3
9.3.1
9.3.2
9.4
9.5
9.6
9.7
9.8

芯片基本结构描述 ........................................................................................................................... 9
I2S数字输入串行音频接口.............................................................................................................. 9I2S数字音频格式.............................................................................................................................. 9左右通道设置 ................................................................................................................................. 10输入声道选择与输入高通滤波器设置.......................................................................................... 10输入声道选择 ................................................................................................................................. 10输入高通滤波器设置 ..................................................................................................................... 10
防失真(NCN)功能 .......................................................................................................................... 12电源滤波电容选择 ......................................................................................................................... 13
保护电路 ......................................................................................................................................... 13
layout建议 ....................................................................................................................................... 13
测试电路 ......................................................................................................................................... 14

10 芯片的封装 ..................................................................................................................................................... 15

3

NS4168
I2S 数字输入、防失真、2.5W单声道D类音频功放图目录图 1 NS4168 典型应用电路 ............................................................................................................................. 6
图 2 NS4168 封装管脚分配图(top view) ......................................................................................................... 7
图 3 NS4168 原理框图 ..................................................................................................................................... 9
图 4 I2S数字音频格式...................................................................................................................................... 9
图 5 I2S数字音频时序图................................................................................................................................ 10图 6 NS4168 输入高通滤波器频响曲线........................................................................................................ 11图 7 一线脉冲时序图 ..................................................................................................................................... 12图 8 假设不受电源电压限制时的音频输出信号.......................................................................................... 12图 9 普通工作模式下的音频输出信号 ......................................................................................................... 12
图 10 防失真工作模式下的音频输出信号 ................................................................................................. 13
图 11 输出端加磁珠应用图 ......................................................................................................................... 13
图 12 NS4168 测试电路 ............................................................................................................................... 14
图 13 eSOP-8 封装尺寸图 ............................................................................................................................ 15表目录

表 1 芯片最大物理极限值 ............................................................................................................................... 6
表 2 NS4168 电气特性 ..................................................................................................................................... 6
表 3 NS4168 管脚描述 ..................................................................................................................................... 8
表 4 时序参数表 ............................................................................................................................................. 10
表 5 声道选择设置 ......................................................................................................................................... 10
表 6 一线脉冲波形与高通滤波器对应关系 ................................................................................................. 114

NS4168
I2S 数字输入、防失真、2.5W单声道D类音频功放1功能说明

NS4168 是一款支持 I2S 数字音频信号输入，输出具有防失真功能，2.5W 单声道 D 类音频功率放大器。NS4168 特别适用于对功耗敏感而产生干扰的环境。比如蓝牙音响，WiFi 音响，平板电脑等。在这些应用环境中，系统噪声能够破坏发送至放大器的小模拟信号，而 I2S 标准是以数字的方式发送至音频放大器，从而显著降低噪声源对所传输音频的影响；另外还可以避免了 MCU 主控芯片内置音频解码 DAC 所带来的噪声，最终获得较高的信噪比以及较小失真度；无需使用输入耦合电容，通过 CTRL 管脚检测一线脉冲选择内部输入高通滤波器的转折点以匹配不同喇叭。layout 时无需精心考虑音频功放的布局以及走线，外围更简洁，调试更方便。
NS4168 其独特的防失真功能可以有效防止输入信号过载、电池电压下降导致的输出信号失真，同时可以有效保护在大功率输出时扬声器不被损坏。
NS4168 采用高效率、低噪声调制方案，无需外部 LC 输出滤波器。闭环多级调制器设计保留了纯数
字放大器高效率的优势，同时又具有极佳的 PSRR 和音频性能。与其它 D 类架构相比，采用扩频脉冲密度调制可提供更低的电磁辐射。NS4168 在 5V 的工作电压时，能够向 4Ω 负载提供 2.5W 的输出功率。
NS4168 为单声道音频功放。左右声道选择通过 CTRL 管脚电平设置。立体声产品可选用两个芯片，非常灵活。
NS4168 内置过流保护、过热保护及欠压保护功能，有效地保护芯片在异常工作状况下不被损坏。
提供 eSOP8 封装，额定的工作温度范围为-40℃至 85℃。

2主要特性



3应用领域

4I2S 串行数字音频输入接口支持宽范围采样速率：8kHz~96kHz
自动采样率检测，自适应功能内置数字高通滤波器，一线脉冲设置其转折点
左右声道可选，通过 CTRL 管脚电平设置防失真 NCN 功能，
无需滤波器的 Class D 放大器
输出功率：2.5W(VDD=5V, RL=4Ω)
工作电压范围：3.0V～5.5V
0.2%THD（VDD=5V, RL=4Ω, Po=1W）
80%的效率(VDD=5V, RL=4Ω, Po=2.5W)
优异的“上电，掉电”噪声抑制过流保护、过热保护、欠压保护eSOP8 封装蓝牙音响WiFi 音响
其他便携音响

典型应用电路5NS4168
I2S 数字输入、防失真、2.5W单声道D类音频功放

VDD
100uF +1056VDD

1 CTRLVON 5NS4168
2 LRCLK
3 BCLK
48

VOP

SDATA
GND
7

图1 NS4168 典型应用电路

5极限参数参数电源电压CTRL

表1 芯片最大物理极限值最小值最大值单位
2.85.5V-0.3VDD

V

LRCLK-0.3

VDD

V

BCLK-0.3

VDD

VSDATA-0.3

VDD

V

耐 ESD 电压4000

V150oC推荐工作温度-4085oC

推荐工作电压

35.25

结温说明热阻JC(eSOP8)
JA(eSOP8)
焊接温度

2080
220oo

C/W
C/Wo
C

15 秒内

注：在极限值之外或任何其他条件下，芯片的工作性能不予保证。

6电气特性限定条件：（TA＝25℃,VDD=5.0V）
表2 NS4168 电气特性
符号

参数

VDD

电源电压IDD电源静态电流

ISD

关断漏电流

测试条件

最小值标准值3
VDD =5.0V，
VIN＝0V，No load
VCTRL =0V

最大值单位

5. 25

V

13mA

1µA

6NS4168
I2S 数字输入、防失真、2.5W单声道D类音频功放VOS输出失调电压

PSRR

电源抑制比

CMRRfSWη

共模抑制比
调制频率效率VCTRL10217Hz20KHz-70
43080

VDD =3V to 5.25V
Po=2.5W,RL =4Ω,

CTRL 阀值

右声道输入

1.5

VDD

左声道输入

0.9

1.15

Shutdown 低功耗关断
THI
TLO

CTRL 一线脉冲高电平时间
CTRL 一线脉冲低电平时间mVdBdBdB
kHz%
V

0.4
112us

112us

TOFF

CTRL 关断时间tAT

Attack time

VDD =3.6V

10mstRL

Release time

VDD =3.6V

1.1s

VDD =3.6V

1.2W

VDD =5V

2.5

W

0.2

%

85dB-10dB

PO

740-80-72

100us输出功率

THD+N

总失真度+噪声

SNR

信噪比

AMAX

最大衰减增益f=1kHzRL=4Ω，PO=1.0W
RL＝4Ω,Po＝2.0W

芯片管脚描述7.1 NS4168 封装管脚分配图

图2 NS4168 封装管脚分配图(top view)

7NS4168
I2S 数字输入、防失真、2.5W单声道D类音频功放7.2 NS4168 引脚功能描述

符号
CTRL
LRCLK
BCLK
SDATA
VoN
VDD
GND
VoP

表3 NS4168 管脚描述
管脚号描述
1控制管脚(详细见后文)
2
I2S 左右声道帧时钟
3I2S 位时钟
4I2S 串行数据5输出负端6
电源输入7电源地
8输出正端NS4168 典型参考特性

8EFFICIENCY vs OUTPUT POWER(4Ω)

OUTPUT POWER vs SUPPLY VOLTAGE(4Ω)

902.680

2.31.7
f=1kHz1.4

Efficiency(%)

Output power(W)

70

260
50

VDD=5V
VDD=3.6V

4030

1.1
200.8

1000.533.4

3.8
4.2
4.6
Supply Voltage(V)05

THD vs OUTPUT POWER(4Ω/ClassD)

THD vs FREQUENCY(4Ω)

11
VDD=5.0V
VDD=3.6V

0.1

Thd(%)

10Thd(%)

100.010.01

0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7
Output Power(W)VDD=5.0V/Po=1.5W
VDD=5.0V/Po=0.25W
VDD=3.6V/Po=0.5W
VDD=3.6V/Po=0.25W

0.1

0.01
0.1
1Output Power(W)1010100

1000
10000
Frequency(Hz)1000008

NS4168
I2S 数字输入、防失真、2.5W单声道D类音频功放

NS4168 应用说明99.1

芯片基本结构描述

NS4168 是一款支持 I2S 数字音频信号输入，输出具有防失真功能，2.5W 单声道 D 类音频功率放大器，桥式输出。其原理框图如下：

图3 NS4168 原理框图9.2

I2S数字输入串行音频接口

9.2.1 I2S数字音频格式NS4168 支持 I2S 数字音频信号输入。标准 I2S 有 3 个主要信号：串行时钟 BCLK， 帧时钟 LRCLK，
串行数据 SDATA。串行时钟 BCLK 也叫位时钟，即对应数字音频的每一位数据。帧时钟 LRCLK 用于切换左右声道的数据。LRCLK 为“1”表示正在传输的是右声道的数据，为“0”则表示正在传输的是左声道的数据，LRCLK 的频率等于采样频率。串行数据 SDATA 就是用二进制补码表示的音频数据。I2S 数字音频格式如下图：

图4 I2S 数字音频格式9NS4168
I2S 数字输入、防失真、2.5W单声道D类音频功放t BIHt BP

BCLKt BILt LIHt LISLRCLKt SIS
SDATAMSBt SIH

图5 I2S 数字音频时序图

表4 时序参数表
参数

tBIL
tBIH
tLIS
tLIH
tSIS
tSIH

最小值404010101010

单位
nsnsnsnsnsns

描述
BCLK 低电平脉冲宽度
BCLK 高电平脉冲宽度
LRCLK 或 SDATA 边沿到 BCLK 上升沿的建立时间
BCLK 上升沿到 LRCLK 或 SDATA 边沿的保持时间
SDATA 到 BCLK 上升沿的建立时间
BCLK 上升沿到 SDATA 的保持时间

9.2.2
左右通道设置NS4168 为一单声道功放，而标准 I2S 协议是可以传输左右两声道信号。NS4168 通过 pin1（CTRL）
管脚的电平设置来选择左声道或者右声道信号。详细见下文相关章节。

9.3

输入声道选择与输入高通滤波器设置

NS4168 输入声道选择与输入高通滤波器转折点的设置都是通过 CTRL 管脚实现。
输入声道选择
NS4168 输入声道选择通过 CTRL 管脚的电平设置。CTRL 管脚电压为 0.9V~1.15V 时，选择左声道；
CTRL 管脚电压为 1.5 V~VDD 时，选择右声道。如下表所示：

9.3.1

表5 声道选择设置
CTRL 管脚电压
0.9V~1.15V
1.5 V~VDD

声道
左声道
右声道

输入高通滤波器设置
NS4168 输入有一高通滤波器，滤波器的转折频率通过 CTRL 管脚一线脉冲设置，总共有 11 种可选，分别为 HPF1~HPF11。如下图所示(VDD=5V)：
9.3.2

10NS4168I2S 数字输入、防失真、2.5W单声道D类音频功放+0
HPF1
HPF2 -5
HPF3-10

HPF4-15
HPF5 -20

HPF6 -25
dB-30
V HPF7-35
HPF8-40
HPF9

HPF10-45-50-55

HPF11-60
2050

100200500

1k2k5k10k20k

Hz图6 NS4168 输入高通滤波器频响曲线对应一线脉冲个数和波形如下表：
表6 一线脉冲波形与高通滤波器对应关系
CTRL 管脚一线脉冲波形

一线脉冲上升沿个数对应高通滤波器

滤波器-3dB 转折点(典型值)12

HPF120Hz

1

HPF228Hz

3

HPF340Hz

4

HPF465Hz

5

HPF5120Hz

6

HPF6240Hz

7

HPF7458Hz

8

HPF8910Hz

11NS4168
I2S 数字输入、防失真、2.5W单声道D类音频功放9

HPF9

1.82kHz10HPF103.5kHz

11HPF116.6kHz

加在 CTRL 管脚的一线脉冲高电平宽度（THI）要求 1us<THI<12us。低电平宽度（TLO）要求1us<TLO<12us。进入 SHUTDOWN 模式低电平保持时间（TOFF）要求 TOFF>100us。时序图如下：

图7 一线脉冲时序图

9.4

防失真(NCN)功能NS4168 有防失真功能。防失真功能可有效防止输入信号过载、电池电压下降导致的输出信号失真，同时可以有效保护在大功率输出时扬声器不被损坏。其原理是：放大器自动检测输出削顶失真，自动调整放大器的增益，达到防失真效果。如下图所示：图8 假设不受电源电压限制时的音频输出信号

图9 普通工作模式下的音频输出信号

12NS4168
I2S 数字输入、防失真、2.5W单声道D类音频功放图10 防失真工作模式下的音频输出信号9.5

电源滤波电容选择

在放大器的应用中，电源的旁路设计很重要，特别是对应用方案的噪声性能及电源电 压抑制性能。设计中要求滤波电容尽量靠近芯片电源脚。典型的电容为 100uF 的电容并上 1uF 的陶瓷电容。

9.6

保护电路

当芯片发生输出引脚与电源或地短路，或者输出之间的短路故障时，过流保护电路会关断芯片以防止芯片被损坏。短路故障消除后，NS4168 自动恢复工作。当芯片温度过高时，芯片也会被关断。 温度下降后，NS4168 继续正常工作。当电源电压过低时，芯片同样会被关断，电源电压恢复后，芯片会再次启动。

9.7

layout建议NS4168 属于 D 类放大器，layout 时应该考虑 EMI 干扰。应用时从以下几个方面可以最大限度降低EMI 干扰：
1. 功放输出到喇叭的走线，连线尽量短，尽量宽，而且输出布线，连线尽可能远离敏感信号线和电路。
2. 功放电源脚的退耦电容尽可能靠近芯片引脚。电源线，地线最好采用星形接法。
3. 由于空间限制等原因应用环境比较恶劣时在输出端加磁珠和电容可以有效抑制 EMI 干扰。使用时磁珠和电容尽可能靠近芯片引脚。以下是 NS4168 输出端加了磁珠和电容之后的应用设计参考电路：图11 输出端加磁珠应用图

13NS4168
I2S 数字输入、防失真、2.5W单声道D类音频功放

9.8

测试电路

NS4168 测试电路如下图，测量 D 类模式功放时， 低通滤波器(Low PASS Filter)是必须的。可以用两个 33uH 的电感串联在负载电阻两端以等效扬声器。如果只采用纯电阻代替扬声器负载，所测到的结果会比扬声器做负载时结果差，包括功率，效率，失真度等指标。

NS4168 Demo Board

AP System One
Generator

LRCLKVO1

Low PASS
Filter(AUX-0025)

BCLK
SDATA

Load
AP System
One
Analyzer

VO2PowerSupply

图12 NS4168 测试电路

14

NS4168
I2S 数字输入、防失真、2.5W单声道D类音频功放10 芯片的封装

图13 eSOP-8 封装尺寸图

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