如何通過即插即用數(shù)字輸入D類放大器實現(xiàn)卓越的音頻性能

本文介紹一系列即插即用D類放大器，通過消除通常對I的需求來簡化系統(tǒng)設(shè)計2C 編程、低抖動采樣時鐘、邏輯電平轉(zhuǎn)換器、精心設(shè)計的電路板設(shè)計或 EMI 濾波。它將解釋如何在提供高性能音頻的同時節(jié)省板載空間、成本和精力。

介紹

新一代即插即用數(shù)字輸入D類音頻放大器的音頻性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的模擬D類放大器。更重要的是，數(shù)字輸入D類放大器具有降低功耗、復(fù)雜性、噪聲和系統(tǒng)成本等額外優(yōu)勢。

電子產(chǎn)品供應(yīng)商通常使用高效、無濾波器、模擬輸入 D 類放大器來管理手機、平板電腦、家庭監(jiān)控和智能揚聲器中便攜式音頻揚聲器的功率要求。這些 D 類放大器允許直接連接到電池，從而最大限度地減少損耗并減少元件數(shù)量。這些放大器還實現(xiàn)了>80 dB PSRR性能，這對于避免217 Hz解調(diào)GSM信號發(fā)出嗡嗡聲非常重要。

模擬輸入D類放大器通常需要應(yīng)用處理器上的DAC和線路驅(qū)動器放大器（圖1），這會增加揚聲器輸出的芯片成本、功耗和噪聲。這些D類放大器還需要仔細(xì)的電路板設(shè)計，以避免由于信號耦合到模擬板路徑而退化。

圖1.帶有模擬輸入 D 類揚聲器放大器的傳統(tǒng)系統(tǒng)。應(yīng)用處理器上的DAC和線路驅(qū)動器放大器會增加揚聲器輸出的芯片成本、功耗和噪聲。

數(shù)字輸入D類音頻放大器不受大多數(shù)電路板設(shè)計問題的影響。單通道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)計的DAC和線路驅(qū)動器放大器。因此，空間和系統(tǒng)成本下降，設(shè)計更簡單。

簡化的系統(tǒng)設(shè)計

大多數(shù)數(shù)字輸入放大器接受脈沖編碼調(diào)制 （PCM） 或 I2S 數(shù)據(jù)，需要三根電線：BCLK、LRCLK 和 DIN。PCM 數(shù)據(jù)格式不需要調(diào)制器或應(yīng)用處理器上的數(shù)據(jù)上采樣（圖 2）。PCM輸入放大器的一些較舊實現(xiàn)方案還需要一個干凈的主時鐘（MCLK）來獲得無抖動的采樣時鐘。較新的PCM輸入放大器，如MAX98357、MAX98360和MAX98365不再需要MCLK輸入，因此引腳數(shù)、功耗和電路板復(fù)雜性都降低了。

圖2.具有PCM輸入D類揚聲器放大器的系統(tǒng)使用三根線，但不需要調(diào)制器或應(yīng)用處理器上數(shù)據(jù)的上采樣。

較舊的數(shù)字輸入放大器提供可調(diào)的采樣速率和/或位深度，在某些情況下，需要對放大器進行復(fù)雜的編程。新一代數(shù)字輸入放大器可自動檢測各種采樣速率和位深度，無需任何編程即可自行配置。

在多通道實現(xiàn)中，數(shù)字輸入D類音頻放大器減少了電路板上外部電容和布線線路的數(shù)量。PCM 輸入只需要 BCLK、LRCLK 和 DIN 線路即可提供立體聲或 8 通道 TDM 數(shù)據(jù)。相比之下，立體聲模擬輸入D類放大器通常需要兩個差分輸入信號（四根線）與交流耦合電容進行布線（見圖1和圖2）。

大多數(shù)數(shù)字輸入放大器需要低數(shù)字電源電壓（1.8 V）和高揚聲器電源電壓（2.5 V至5.5 V）。現(xiàn)在，使用MAX98357和MAX98360等單電源D類放大器可以簡化電路板設(shè)計和元件數(shù)量。MAX98365可以采用3.0 V至5.5 V單電源供電，或者采用1.8 V至5.5 V電源供電，另一電源采用3.0 V至14.0 V電源供電。數(shù)字輸入邏輯電壓與這些器件上的電源電壓無關(guān)。輸入邏輯范圍為1.2 V至5.5 V，無需邏輯電平轉(zhuǎn)換器。

抖動容限和時鐘生成

數(shù)字輸入D類音頻放大器通常對時鐘抖動提出了新的挑戰(zhàn)。為了獲得良好的音頻質(zhì)量，大多數(shù)數(shù)字輸入放大器在BCLK或MCLK上需要相當(dāng)?shù)偷亩秳铀健?shù)據(jù)手冊中通常未引用抖動容限;引用抖動容限時，典型規(guī)格為~200 ps的均方根抖動。高水平的時鐘抖動通常會降低放大器的動態(tài)范圍或滿量程THD + N性能。

在許多系統(tǒng)中，應(yīng)用處理器的基準(zhǔn)振蕩器不是BCLK的方便倍數(shù)，因此為放大器提供低抖動時鐘并不容易。例如，13 MHz是GSM電話常用的晶體頻率，27 MHz通常用于視頻解決方案。這些參考頻率都不是 44.1 kSPS 或 48 kSPS 音頻采樣率的方便倍數(shù)。因此，這些系統(tǒng)通常會實現(xiàn)復(fù)雜的小數(shù)N分頻PLL來創(chuàng)建音頻時鐘。在某些情況下，該解決方案需要單獨的音頻參考振蕩器，這會增加復(fù)雜性和物料清單 （BOM）。

另一種優(yōu)選的解決方案是數(shù)字輸入放大器，它可以容忍高時鐘抖動而不會降低音頻性能。這種放大器將降低系統(tǒng)復(fù)雜性。在最簡單的情況下，可以使用周期跳躍時鐘來生成BCLK，但這會產(chǎn)生非常高的抖動。如果周期跳過 13 MHz 參考時鐘以產(chǎn)生 6.144 MHz BCLK （48 kSPS × 128 OSR），則峰值抖動將為 38.4 ns，均方根抖動將為 22.2 ns（圖 3）。這表示抖動比大多數(shù)DAC可以容忍的要高兩個數(shù)量級。

然而，這些新的D類音頻放大器在這種時鐘抖動下仍能產(chǎn)生>103 dB的動態(tài)范圍性能。可以在應(yīng)用處理器上使用少量數(shù)字門創(chuàng)建周期跳躍時鐘。新器件不需要PLL解決方案中需要的振蕩器或環(huán)路濾波器。參見圖 4。

圖3.來自周期跳過的 12 MHz 時鐘的 288.25 MHz MCLK。

圖4.小數(shù)N分頻PLL與周期跳躍時鐘實現(xiàn)。

抖動容限測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，MAX98357、MAX98360和MAX98365的動態(tài)范圍不會隨著周期跳躍的抖動時鐘而降低。這些器件在抖動時鐘下的性能比120 dB DAC高出20 dB以上。有關(guān)Σ-Δ型DAC抖動容限的更多詳細(xì)信息，請參閱配套文章。1

圖5.動態(tài)范圍下降，11.5 ns rms周期跳躍時鐘抖動。

結(jié)論

數(shù)字輸入無濾波器D類音頻放大器允許簡單的板級實現(xiàn)，無需I級2C，無MCLK，無電平轉(zhuǎn)換，無EMI濾波。它們提供高效率、低 EMI 和高輸出功率。MAX98357和MAX98360采用WLP或QFN封裝，可產(chǎn)生3.2 W輸出功率。MAX98365采用WLP封裝，可產(chǎn)生17.6 W輸出功率。

審核編輯：郭婷