摘要
耗電大的顯示器并不是給電池供電的便攜式、可穿戴和物聯網設備連接的最有效 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 高質量音頻。
介紹
"Video Killed the Radio star" ——o979 年 Buggles 樂隊的熱門唱片講述了音頻 娛樂的消亡, 當時音頻通過無線 AM/FM 收音機接收器提供 (圖 1) , 而視頻 (以 電視的形式) 開始占據優勢。那時, 樂隊無法想象一個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質量的視頻記錄我們的日常 生活。然而, 高質量的視頻需伴隨著同樣高質量的音頻時才能得到最好的欣賞, 可以說在這中間的幾年里, 用戶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 和緊湊型物聯網產品等便攜式電子設備上可實現無數 復雜功能的"弱關系"。用戶已經習慣于對來自這些設備的音頻沒有太高的期望。“畢竟, 它只是一款手機,”這是一句被反復重復的口頭禪, 而且已經變得太熟悉了。
圖 1.無線電接收器。
然而, 隨著可穿戴設備和物聯網設備的激增, 一個可喜的變化正在發生。用戶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設備。因此, 語音和音 頻正迅速成為控制和接收來自這些設備信息的首選媒體。用戶需要比目前更好的 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, 導致音頻質量差的不是揚聲器, 而是驅動 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 類放大器的一些困難。然后, 我們展示了一款微型、低功耗、D 類 數字音頻放大器, 它可以無縫集成, 為用戶提供無與倫比的感官體驗, 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 類放大器
由于其高效率和出色的 EM1 性能, 無濾波器、數字輸入 D 類放大器已成為消費 電子設備中驅動揚聲器的公認標準。這是因為它們不受與其模擬對應物相關的電路板設計問題的影響, 尤其是信號完整性。單通道數字 D 類放大器可以放置在 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。
這些放大器不需要模擬輸入 D 類設計所需的 DAc 和線路驅動器。因此, 空間和 系統成本下降, 設計變得更簡單。許多 D 類放大器接受脈沖編碼調制 PCM( 或 I 1 s 數據, 這需要三根線: 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提供立體聲數據。
圖 2. 使用三根線的 PCM 輸入 D 類。
然而, 數字輸入放大器的某些傳統實現方式存在一些缺點。其中一個限制是需要 一個單獨的、干凈的主時鐘( MCLK) 來導出無抖動的采樣時鐘。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()。與它們的使用相關的另一個問題是 EMI。對于高質量音頻應用, 許多 D 類放大器需要額外的濾波來限制 EMI 的影響, 從而進一步增加電路板尺寸/成 本。當選擇連接到觸覺驅動器的放大器時, 快速的連接時間 (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。
更簡單和小巧
圖 2 中所示的 IC 解決了這些設計問題的所有方面, 并具有更簡單和小巧以及 更低功耗解決方案的附加優勢。
圖 3. MAX98360 數字 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I 1 s 、左對齊和 8 通道時分復用( 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 動態范圍規格保證了高質量音頻, 這對揚聲器靠近耳朵的設 備 (例如 AR/VR 和可穿戴設備) 以及在安靜的環境中使用的設備 (睡眠輔助設 備) 尤為重要
與其他 D 類放大器相比, 該放大器具有多項功率優勢。它可以僅使用一種電源 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。
另一個有益的特性是, 如果 DAIn 引腳保持低電平, IC 會自動進入超低功耗模式, 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 將 IC 置于關斷模式, EN 引腳可用于實現額外的省電效果, 在該模式下它僅消耗 15nA 的電流。
方便的是, 它還有非常快的 1ms 啟動時間 (比類似的 D 類放大器快 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 觸覺驅動器時也 是如此。
該 IC 具有其他一些顯著優勢, 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 VDD 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, 該部件無需額外的 D 類濾波即可實現圖5 所示的卓越 EMI 性能。因為它 只需要一個外部旁路電容器, 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。帶狀線負載。
總結
隨著音頻接口迅速成為電池供電的可穿戴設備、物聯網設備和其他類型的小型便 攜式電子設備的普遍特征, 設計人員正在尋找更簡單、更具成本效益的方法來為 他們的設備添加高質量音頻。在此設計解決方案中, 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 類音頻放大器為將音頻集成到任何類型的電子設備中的任務產生了 "即 插即用"的簡便性, 使其成為便攜式設備、可穿戴設備和物聯網設備的理想選擇。除了采用 9 引腳 WLP 封裝外, MAX98360 還提供 10引腳 FC2QFN 封裝。 |
