摘要

耗電大的顯示器并不是給電池供電的便攜式、可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)設備連接的最有效 媒介。因此, 低功耗音頻正迅速成為一種更受歡迎的替代方案。在此設計解決方 案中, 此文回顧了 D 類(lèi)數字音頻放大器并討論了當前一些解決方案的局限性,  然后介紹了一種巧妙封裝的 IC , 該 IC  只需最少的配置即可快速為這些應用提供 高質(zhì)量音頻。

介紹

"Video Killed the Radio star" ——o979  年 Buggles  樂(lè )隊的熱門(mén)唱片講述了音頻 娛樂(lè )的消亡, 當時(shí)音頻通過(guò)無(wú)線(xiàn) AM/FM 收音機接收器提供 (圖 1) , 而視頻 (以 電視的形式) 開(kāi)始占據優(yōu)勢。那時(shí), 樂(lè )隊無(wú)法想象一個(gè)便攜式電子設備可以讓我們立即播放任何電影, 或者讓我們用接近電影制片廠(chǎng)質(zhì)量的視頻記錄我們的日常 生活。然而, 高質(zhì)量的視頻需伴隨著(zhù)同樣高質(zhì)量的音頻時(shí)才能得到最好的欣賞, 可以說(shuō)在這中間的幾年里, 用戶(hù)的音頻體驗被忽視了, 這是不可原諒的。音頻已 成為可穿戴設備、AR/VR  和緊湊型物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品等便攜式電子設備上可實(shí)現無(wú)數 復雜功能的"弱關(guān)系"。用戶(hù)已經(jīng)習慣于對來(lái)自這些設備的音頻沒(méi)有太高的期望�！爱吘�, 它只是一款手機,”這是一句被反復重復的口頭禪, 而且已經(jīng)變得太熟悉了。

圖 1.無(wú)線(xiàn)電接收器。

然而, 隨著(zhù)可穿戴設備和物聯(lián)網(wǎng)設備的激增, 一個(gè)可喜的變化正在發(fā)生。用戶(hù)和設計師都意識到大而耗電的屏幕不適用于電池供電的移動(dòng)設備。因此, 語(yǔ)音和音 頻正迅速成為控制和接收來(lái)自這些設備信息的首選媒體。用戶(hù)需要比目前更好的 音頻體驗。是的, 設計師很容易將責任歸咎于便攜式設備的緊湊外形因素限制了 揚聲器的尺寸。然而, 在許多情況下, 導致音頻質(zhì)量差的不是揚聲器, 而是驅動(dòng) 它的放大器。在此設計解決方案中, 我們研究了集成和配置在許多便攜式電子設備的數字 D 類(lèi)放大器的一些困難。然后, 我們展示了一款微型、低功耗、D  類(lèi) 數字音頻放大器, 它可以無(wú)縫集成, 為用戶(hù)提供無(wú)與倫比的感官體驗, 這樣做證 明了音頻復興的合理性, 它已成為便攜式電子設備接口的首選媒介。

數字 D 類(lèi)放大器

由于其高效率和出色的 EM1 性能, 無(wú)濾波器、數字輸入 D  類(lèi)放大器已成為消費 電子設備中驅動(dòng)揚聲器的公認標準。這是因為它們不受與其模擬對應物相關(guān)的電路板設計問(wèn)題的影響, 尤其是信號完整性。單通道數字 D 類(lèi)放大器可以放置在 電路板上的遠程位置, 以最大限度地減少大電流電池和揚聲器負載連接的布線(xiàn)。

這些放大器不需要模擬輸入 D 類(lèi)設計所需的 DAc 和線(xiàn)路驅動(dòng)器。因此, 空間和 系統成本下降, 設計變得更簡(jiǎn)單。許多 D 類(lèi)放大器接受脈沖編碼調制 PCM(  或 I 1  s  數據, 這需要三根線(xiàn): BCLK 、LRCLK 和 DIN  (圖 1) 。PCM  數據格式不需要 對調制器或應用處理器上的數據上采樣來(lái)提供立體聲數據。

圖 2. 使用三根線(xiàn)的 PCM  輸入 D 類(lèi)。

然而, 數字輸入放大器的某些傳統實(shí)現方式存在一些缺點(diǎn)。其中一個(gè)限制是需要 一個(gè)單獨的、干凈的主時(shí)鐘( MCLK)  來(lái)導出無(wú)抖動(dòng)的采樣時(shí)鐘。其他放大器提供 可調采樣率和/或位深度, 但這可能需要復雜的編程。此外, 大多數數字輸入放 大器需要兩個(gè)電源電壓——低數字電源電壓 (1.8V)  和高揚聲器電源電壓 (2.5V  至 5.5V()。與它們的使用相關(guān)的另一個(gè)問(wèn)題是 EMI。對于高質(zhì)量音頻應用, 許多 D 類(lèi)放大器需要額外的濾波來(lái)限制 EMI 的影響, 從而進(jìn)一步增加電路板尺寸/成 本。當選擇連接到觸覺(jué)驅動(dòng)器的放大器時(shí), 快速的連接時(shí)間 (少于幾毫秒) 是重 要的, 否則該部分必須保持永久通電, 導致便攜式設備的電池更快地耗盡。

更簡(jiǎn)單和小巧

圖 2  中所示的 IC  解決了這些設計問(wèn)題的所有方面, 并具有更簡(jiǎn)單和小巧以及 更低功耗解決方案的附加優(yōu)勢。

圖 3. MAX98360 數字 D 類(lèi)放大器。

與舊的 D 類(lèi)放大器不同, 該IC使用自動(dòng)采樣率和位深度配置, 無(wú)需復雜的編程 并提供簡(jiǎn)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I 1  s 、左對齊和 8 通道時(shí)分復用( TDM)  數據格式。它接受 8kHz 、16kHz 、32kHz、 44.1kHz、48kHz、88.2kHz  和 96kHz 采樣率, 數據在 I 1 s  和左對齊模式下可以是16 位、24 位或32 位, 以及 TDM 模式下的 16 位或 32位。其 10μV RMS 輸出噪聲、 80dB PSRR 和 110dB 動(dòng)態(tài)范圍規格保證了高質(zhì)量音頻, 這對揚聲器靠近耳朵的設 備 (例如 AR/VR  和可穿戴設備) 以及在安靜的環(huán)境中使用的設備 (睡眠輔助設 備) 尤為重要

與其他 D 類(lèi)放大器相比, 該放大器具有多項功率優(yōu)勢。它可以?xún)H使用一種電源 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(zhù)不需要電平轉換器) , 但足夠穩健可承受高達 5.5V  的輸入電壓。它還以高 達 92%  的效率運行, 減少了電池消耗。

另一個(gè)有益的特性是, 如果 DAIn 引腳保持低電平, IC  會(huì )自動(dòng)進(jìn)入超低功耗模式, 在該模式下消耗 1.5μA  的微小待機電流。這極大地降低了功耗, 并且在沒(méi)有可用于控制 EN 引腳的主機 GPIO 的應用中極為有益。然而, 需要注意的是, 通過(guò) 將 IC 置于關(guān)斷模式, EN 引腳可用于實(shí)現額外的省電效果, 在該模式下它僅消耗 15nA 的電流。

方便的是, 它還有非�？斓� 1ms 啟動(dòng)時(shí)間 (比類(lèi)似的 D 類(lèi)放大器快 4 倍) , 這 允許它在超低功耗 1.5μA  待機模式下等待, 即使在連接到 LRA  觸覺(jué)驅動(dòng)器時(shí)也 是如此。

該 IC  具有其他一些顯著(zhù)優(yōu)勢, 有助于最大限度地減小電路板尺寸/成本。首先, 它采用微型 1.9mm1 9 針WLP , 具有巧妙的針腳布局, 旨在消除對昂貴的電路板 過(guò)孔的需求。如圖 4  所示, GA1N  sLpT 引腳 (位于封裝的中央) 可以方便地連 接到 V DD 或 GND  (直接連接或使用電阻) 或懸空, 以提供如表1 所示的 I 1  s/左 對齊增益設置。

圖 4.  將 GAIN_SLOT 連接到 V_DD 或 GND 以獲得所需的增益設置。

表 1. MAX98360  的 I2S/左對齊增益設置。

其次, 該部件無(wú)需額外的 D 類(lèi)濾波即可實(shí)現圖5 所示的卓越 EMI  性能。因為它 只需要一個(gè)外部旁路電容器, 所以整體解決方案尺寸僅為 3.69mm² 。

圖 5.  使用12英寸的 MAX98360 EMI 性能。帶狀線(xiàn)負載。

總結

隨著(zhù)音頻接口迅速成為電池供電的可穿戴設備、物聯(lián)網(wǎng)設備和其他類(lèi)型的小型便 攜式電子設備的普遍特征, 設計人員正在尋找更簡(jiǎn)單、更具成本效益的方法來(lái)為 他們的設備添加高質(zhì)量音頻。在此設計解決方案中, 我們回顧了將某些 D 類(lèi)放 大器集成到空間受限應用中的困難。我們可以得出結論, 新型靈活的低功耗數字 輸入 D 類(lèi)音頻放大器為將音頻集成到任何類(lèi)型的電子設備中的任務(wù)產(chǎn)生了 "即 插即用"的簡(jiǎn)便性, 使其成為便攜式設備、可穿戴設備和物聯(lián)網(wǎng)設備的理想選擇。除了采用 9 引腳 WLP  封裝外, MAX98360 還提供 10引腳 FC2QFN 封裝。