使用即插即用的D類放大器輕松實現(xiàn)可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)音頻

耗電顯示器不是與電池供電的便攜式、可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接口的最有效媒介。因此，低功耗音頻正迅速成為一種更受歡迎的替代品。在本設(shè)計解決方案中，我們回顧了D類數(shù)字音頻放大器，并討論了一些當(dāng)前解決方案的限制，然后介紹了一種巧妙封裝的IC，該IC需要最少的配置即可快速為這些應(yīng)用帶來高質(zhì)量的音頻。

介紹

“Video Kill the Radio Star”——The Buggles 1979 年的熱門唱片是關(guān)于音頻娛樂消亡的，然后通過無線 AM/FM 無線電接收器提供（圖 1），就像視頻（以電視為幌子）開始崛起一樣。當(dāng)時，樂隊從未想象過一個世界，便攜式電子設(shè)備可以讓我們立即流式傳輸我們選擇的任何電影，或者讓我們用接近電影制片廠質(zhì)量的視頻記錄我們的日常生活。然而，當(dāng)伴隨著同樣高質(zhì)量的音頻時，高質(zhì)量的視頻是最欣賞的，可以說，在隨后的幾年中，用戶的音頻體驗被不可原諒地忽視了。它已成為便攜式電子設(shè)備（如可穿戴設(shè)備，AR / VR和緊湊型物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品）上可用的無數(shù)復(fù)雜功能的“不良關(guān)系”。用戶已經(jīng)習(xí)慣于對來自這些設(shè)備的音頻抱有很高的期望?！爱吘梗皇且粋€手機，”這是一個經(jīng)常重復(fù)的口頭禪，已經(jīng)變得太熟悉了。

然而，隨著可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的激增，一個可喜的變化正在發(fā)生。用戶和設(shè)計人員都意識到，大屏幕、耗電屏幕不適合電池供電的移動設(shè)備。因此，語音和音頻正迅速成為控制和接收來自這些設(shè)備的信息的首選媒介。用戶還要求獲得比目前更好的音頻體驗。是的，設(shè)計人員很容易責(zé)怪便攜式設(shè)備的緊湊外形限制了揚聲器尺寸。但是，在許多情況下，導(dǎo)致音頻質(zhì)量差的不是揚聲器，而是驅(qū)動它的放大器。在此設(shè)計解決方案中，我們研究了集成和配置許多數(shù)字D類放大器以用于便攜式電子設(shè)備的一些困難。然后，我們展示了一款小巧、低功耗、D類數(shù)字音頻放大器，可以無縫集成，為用戶提供無與倫比的感官體驗，并以此證明音頻復(fù)興的合理性，使其成為與便攜式電子設(shè)備接口的首選媒介。

數(shù)字D類放大器

由于其高效率和出色的EMI性能，無濾波器數(shù)字輸入D類放大器已成為消費電子設(shè)備中驅(qū)動揚聲器的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。這是因為它們不受與模擬對應(yīng)物相關(guān)的電路板設(shè)計問題的影響，最具體地說是信號完整性。單通道數(shù)字D類放大器可以放置在電路板上的遠(yuǎn)程位置，以最大限度地減少大電流電池和揚聲器負(fù)載連接的布線。這些放大器不需要模擬輸入D類設(shè)計所需的DAC和線路驅(qū)動器。因此，空間和系統(tǒng)成本下降，設(shè)計變得更加簡單。許多D類放大器接受脈沖編碼調(diào)制（PCM）或I類放大器2需要三根導(dǎo)線的 S 數(shù)據(jù)：BCLK、LRCLK 和 DIN（圖 2）。PCM 數(shù)據(jù)格式不需要調(diào)制器或應(yīng)用處理器上數(shù)據(jù)的上采樣來提供立體聲數(shù)據(jù)。

圖2.PCM 輸入 D 類，使用三根線。

然而，一些傳統(tǒng)的數(shù)字輸入放大器存在一些缺點。其中一個限制是需要一個單獨的、干凈的主時鐘（MCLK）來得出無抖動的采樣時鐘。其他放大器提供可調(diào)采樣速率和/或位深度，但這可能需要復(fù)雜的編程。此外，大多數(shù)數(shù)字輸入放大器需要兩個電源電壓：低數(shù)字電源電壓（1.8V）和高揚聲器電源電壓（2.5V至5.5V）。與其使用相關(guān)的另一個問題是EMI。對于高質(zhì)量音頻應(yīng)用，許多D類放大器需要額外的濾波來限制EMI的影響，從而進(jìn)一步增加電路板尺寸/成本。在選擇放大器連接到觸覺驅(qū)動器時，快速的導(dǎo)通時間（小于幾毫秒）很重要，否則該器件必須保持永久通電狀態(tài)，從而導(dǎo)致便攜式設(shè)備的電池消耗得更快。

更簡單、更小

圖3所示的IC解決了這些設(shè)計問題的所有方面，并具有提供更簡單、更小、更低功耗的解決方案的額外優(yōu)勢。

圖3.MAX98360數(shù)字D類放大器

與舊的D類放大器不同，該IC使用自動采樣率和位深度配置，無需復(fù)雜的編程，并提供簡單有效的“即插即用”音頻解決方案。它具有靈活的音頻接口，支持I2S、左對齊和 8 通道時分復(fù)用 （TDM） 數(shù)據(jù)格式。它接受 8kHz、16kHz、32kHz、44.1kHz、48kHz、88.2kHz 和 96kHz 采樣速率，I中的數(shù)據(jù)字可以是 16 位、24 位或 32 位2S 和左對齊模式以及 TDM 模式下的 16 位或 32 位。10μV 保證了高品質(zhì)音頻有效值輸出噪聲、80dB PSRR 和 110dB 動態(tài)范圍規(guī)格，對于揚聲器靠近耳朵的設(shè)備（例如 AR/VR 和可穿戴設(shè)備）以及在安靜環(huán)境中使用的設(shè)備（睡眠輔助設(shè)備）來說，這些規(guī)格尤其重要。

與其他D類放大器相比，該放大器具有多種功率優(yōu)勢。它只能采用一個電源電壓（2.5V至5.5V）工作。它可以接受低至 1.2V 的輸入邏輯電壓電平（這意味著不需要電平轉(zhuǎn)換器），但它足夠堅固，可以承受高達(dá) 5.5V 的輸入電壓。它還以高達(dá) 92% 的效率運行，從而減少電池消耗。

另一個有益的特性是，如果DAIn引腳保持低電平，IC會自動進(jìn)入超低功耗模式，在該模式下，IC吸收1.5μA的微小待機電流。這大大降低了功耗，在沒有主機 GPIO 可用于控制 EN 引腳的應(yīng)用中非常有益。但是，需要注意的是，EN引腳可用于通過將IC置于關(guān)斷模式來實現(xiàn)額外的節(jié)能效果，在該模式下，IC僅消耗15nA電流。

方便的是，它還具有非?？斓?ms導(dǎo)通時間（比類似的D類放大器快4倍），即使在連接到LRA觸覺驅(qū)動器時，也可以在超低功耗1.5μA待機模式下等待。

該 IC 還具有其他一些顯著優(yōu)勢，有助于最大限度地減小電路板尺寸/成本。首先，它有1.9毫米的微小尺寸。29 引腳 WLP 具有巧妙的引腳布局，旨在消除對昂貴電路板過孔的需求。如圖4所示，GAIN_SLOT引腳（位于封裝中心）可以方便地連接到VDD或 GND（直接或使用電阻器）或保持未連接狀態(tài)，以提供 I2S/左對齊增益設(shè)置如表1所示。

圖4.將GAIN_SLOT連接到 VDD或 GND 用于所需的增益設(shè)置。

其次，該器件無需額外的D類濾波即可實現(xiàn)圖5所示的卓越EMI性能。由于只需要一個外部旁路電容器，因此整體解決方案尺寸僅為3.69mm2.

圖5.MAX98360 EMI性能，采用12in.帶狀線負(fù)載。

總結(jié)

隨著音頻接口迅速成為電池供電的可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和其他類型的小型便攜式電子設(shè)備的普遍功能，設(shè)計人員正在尋找更簡單、更具成本效益的方法來為其設(shè)備添加高質(zhì)量音頻。在此設(shè)計解決方案中，我們回顧了將某些D類放大器集成到空間受限應(yīng)用中的困難。我們可以得出結(jié)論，新一代靈活的低功耗數(shù)字輸入D類音頻放大器為將音頻集成到任何類型的電子設(shè)備中的任務(wù)帶來了“即插即用”的簡單性，使其成為便攜式設(shè)備，可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的理想選擇。MAX98360除采用9引腳WLP封裝外，還提供10引腳FC2QFN封裝。

審核編輯：郭婷