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使用即插即用的D類(lèi)放大器輕松實(shí)現(xiàn)可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)音頻
發(fā)布時(shí)間：2023-01-13 16:10:15 瀏覽：1562次
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(jì)解決方案中，我們回顧了D類(lèi)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(lái)高質(zhì)量的音頻。
介紹
“Video Kill the Radio Star”——The Buggles 1979 年的熱門(mén)唱片是關(guān)于音頻娛樂(lè)消亡的，然后通過(guò)無(wú)線 AM/FM 無(wú)線電接收器提供（圖 1），就像視頻（以電視為幌子）開(kāi)始崛起一樣。當(dāng)時(shí)，樂(lè)隊(duì)從未想象過(guò)一個(gè)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(shí)，高質(zhì)量的視頻是最欣賞的，可以說(shuō)，在隨后的幾年中，用戶(hù)的音頻體驗(yàn)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(wú)數(shù)復(fù)雜功能的“不良關(guān)系”。用戶(hù)已經(jīng)習(xí)慣于對(duì)來(lái)自這些設(shè)備的音頻抱有很高的期望?！爱吘?，它只是一個(gè)手機(jī)，”這是一個(gè)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(gè)可喜的變化正在發(fā)生。用戶(hù)和設(shè)計(jì)人員都意識(shí)到，大屏幕、耗電屏幕不適合電池供電的移動(dòng)設(shè)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(shè)備的信息的首選媒介。用戶(hù)還要求獲得比目前更好的音頻體驗(yàn)。是的，設(shè)計(jì)人員很容易責(zé)怪便攜式設(shè)備的緊湊外形限制了揚(yáng)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(yáng)聲器，而是驅(qū)動(dòng)它的放大器。在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們研究了集成和配置許多數(shù)字D類(lèi)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(lèi)數(shù)字音頻放大器，可以無(wú)縫集成，為用戶(hù)提供無(wú)與倫比的感官體驗(yàn)，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(lèi)放大器
由于其高效率和出色的EMI性能，無(wú)濾波器數(shù)字輸入D類(lèi)放大器已成為消費(fèi)電子設(shè)備中驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)樗鼈儾皇芘c模擬對(duì)應(yīng)物相關(guān)的電路板設(shè)計(jì)問(wèn)題的影響，最具體地說(shuō)是信號(hào)完整性。單通道數(shù)字D類(lèi)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(yáng)聲器負(fù)載連接的布線。這些放大器不需要模擬輸入D類(lèi)設(shè)計(jì)所需的DAC和線路驅(qū)動(dòng)器。因此，空間和系統(tǒng)成本下降，設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單。許多D類(lèi)放大器接受脈沖編碼調(diào)制（PCM）或I類(lèi)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(lái)提供立體聲數(shù)據(jù)。
圖2.PCM 輸入 D 類(lèi)，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(diǎn)。其中一個(gè)限制是需要一個(gè)單獨(dú)的、干凈的主時(shí)鐘（MCLK）來(lái)得出無(wú)抖動(dòng)的采樣時(shí)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(gè)電源電壓：低數(shù)字電源電壓（1.8V）和高揚(yáng)聲器電源電壓（2.5V至5.5V）。與其使用相關(guān)的另一個(gè)問(wèn)題是EMI。對(duì)于高質(zhì)量音頻應(yīng)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。在選擇放大器連接到觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，快速的導(dǎo)通時(shí)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(jiǎn)單、更小
圖3所示的IC解決了這些設(shè)計(jì)問(wèn)題的所有方面，并具有提供更簡(jiǎn)單、更小、更低功耗的解決方案的額外優(yōu)勢(shì)。
圖4.將GAIN_SLOT連接到 VDD或 GND 用于所需的增益設(shè)置。
圖3.MAX98360數(shù)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(fù)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I2S、左對(duì)齊和 8 通道時(shí)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(duì)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(dòng)態(tài)范圍規(guī)格，對(duì)于揚(yáng)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(lái)說(shuō)，這些規(guī)格尤其重要。
與其他D類(lèi)放大器相比，該放大器具有多種功率優(yōu)勢(shì)。它只能采用一個(gè)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(jiān)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(yùn)行，從而減少電池消耗。
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，IC吸收1.5μA的微小待機(jī)電流。這大大降低了功耗，在沒(méi)有主機(jī) 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(guò)將IC置于關(guān)斷模式來(lái)實(shí)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(shí)間（比類(lèi)似的D類(lèi)放大器快4倍），即使在連接到LRA觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，也可以在超低功耗1.5μA待機(jī)模式下等待。
該 IC 還具有其他一些顯著優(yōu)勢(shì)，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(duì)昂貴電路板過(guò)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(duì)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。
GAIN_SLOT | 我2S/左對(duì)齊增益 （dB） |
連接到接地 | 12 |
無(wú)關(guān) | 9 |
連接到 VDD | 6 |
連接到 VDD（通過(guò)100kO電阻） | 3 |
連接到接地（通過(guò) 100kO 電阻） | -3 |
其次，該器件無(wú)需額外的D類(lèi)濾波即可實(shí)現(xiàn)圖5所示的卓越EMI性能。由于只需要一個(gè)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(lèi)型的小型便攜式電子設(shè)備的普遍功能，設(shè)計(jì)人員正在尋找更簡(jiǎn)單、更具成本效益的方法來(lái)為其設(shè)備添加高質(zhì)量音頻。在此設(shè)計(jì)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(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(lèi)音頻放大器為將音頻集成到任何類(lèi)型的電子設(shè)備中的任務(wù)帶來(lái)了“即插即用”的簡(jiǎn)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。
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