即插即用 D 类放大器 让可穿戴和物联网音频更轻松

摘要

耗电大的显示器并不是给电池供电的便携式、可穿戴和物联网设备连接的最有效 媒介。因此, 低功耗音频正迅速成为一种更受欢迎的替代方案。在此设计解决方 案中, 此文回顾了 D 类数字音频放大器并讨论了当前一些解决方案的局限性,  然后介绍了一种巧妙封装的 IC , 该 IC  只需最少的配置即可快速为这些应用提供 高质量音频。

介绍

"Video Killed the Radio star" ——o979  年 Buggles  乐队的热门唱片讲述了音频 娱乐的消亡, 当时音频通过无线 AM/FM 收音机接收器提供 (图 1) , 而视频 (以 电视的形式) 开始占据优势。那时, 乐队无法想象一个便携式电子设备可以让我们立即播放任何电影, 或者让我们用接近电影制片厂质量的视频记录我们的日常 生活。然而, 高质量的视频需伴随着同样高质量的音频时才能得到最好的欣赏, 可以说在这中间的几年里, 用户的音频体验被忽视了, 这是不可原谅的。音频已 成为可穿戴设备、AR/VR  和紧凑型物联网产品等便携式电子设备上可实现无数 复杂功能的"弱关系"。用户已经习惯于对来自这些设备的音频没有太高的期望。“毕竟, 它只是一款手机,”这是一句被反复重复的口头禅, 而且已经变得太熟悉了。

图 1.无线电接收器。

然而, 随着可穿戴设备和物联网设备的激增, 一个可喜的变化正在发生。用户和设计师都意识到大而耗电的屏幕不适用于电池供电的移动设备。因此, 语音和音 频正迅速成为控制和接收来自这些设备信息的首选媒体。用户需要比目前更好的 音频体验。是的, 设计师很容易将责任归咎于便携式设备的紧凑外形因素限制了 扬声器的尺寸。然而, 在许多情况下, 导致音频质量差的不是扬声器, 而是驱动 它的放大器。在此设计解决方案中, 我们研究了集成和配置在许多便携式电子设备的数字 D 类放大器的一些困难。然后, 我们展示了一款微型、低功耗、D  类 数字音频放大器, 它可以无缝集成, 为用户提供无与伦比的感官体验, 这样做证 明了音频复兴的合理性, 它已成为便携式电子设备接口的首选媒介。

数字 D 类放大器

由于其高效率和出色的 EM1 性能, 无滤波器、数字输入 D  类放大器已成为消费 电子设备中驱动扬声器的公认标准。这是因为它们不受与其模拟对应物相关的电路板设计问题的影响, 尤其是信号完整性。单通道数字 D 类放大器可以放置在 电路板上的远程位置, 以最大限度地减少大电流电池和扬声器负载连接的布线。

这些放大器不需要模拟输入 D 类设计所需的 DAc 和线路驱动器。因此, 空间和 系统成本下降, 设计变得更简单。许多 D 类放大器接受脉冲编码调制 PCM(  或 I 1  s  数据, 这需要三根线: BCLK 、LRCLK 和 DIN  (图 1) 。PCM  数据格式不需要 对调制器或应用处理器上的数据上采样来提供立体声数据。

图 2. 使用三根线的 PCM  输入 D 类。

然而, 数字输入放大器的某些传统实现方式存在一些缺点。其中一个限制是需要 一个单独的、干净的主时钟( MCLK)  来导出无抖动的采样时钟。其他放大器提供 可调采样率和/或位深度, 但这可能需要复杂的编程。此外, 大多数数字输入放 大器需要两个电源电压——低数字电源电压 (1.8V)  和高扬声器电源电压 (2.5V  至 5.5V()。与它们的使用相关的另一个问题是 EMI。对于高质量音频应用, 许多 D 类放大器需要额外的滤波来限制 EMI 的影响, 从而进一步增加电路板尺寸/成 本。当选择连接到触觉驱动器的放大器时, 快速的连接时间 (少于几毫秒) 是重 要的, 否则该部分必须保持永久通电, 导致便携式设备的电池更快地耗尽。

更简单和小巧

图 2  中所示的 IC  解决了这些设计问题的所有方面, 并具有更简单和小巧以及 更低功耗解决方案的附加优势。

图 3. MAX98360 数字 D 类放大器。

与旧的 D 类放大器不同, 该IC使用自动采样率和位深度配置, 无需复杂的编程 并提供简单、有效的 "即插即用" 音频解决方案。它具有灵活的音频接口, 支持I 1  s 、左对齐和 8 通道时分复用( TDM)  数据格式。它接受 8kHz 、16kHz 、32kHz、 44.1kHz、48kHz、88.2kHz  和 96kHz 采样率, 数据在 I 1 s  和左对齐模式下可以是16 位、24 位或32 位, 以及 TDM 模式下的 16 位或 32位。其 10μV RMS 输出噪声、 80dB PSRR 和 110dB 动态范围规格保证了高质量音频, 这对扬声器靠近耳朵的设 备 (例如 AR/VR  和可穿戴设备) 以及在安静的环境中使用的设备 (睡眠辅助设 备) 尤为重要

与其他 D 类放大器相比, 该放大器具有多项功率优势。它可以仅使用一种电源 电压 (2.5V  至 5.5V) 工作。它可以接受低至 1.2V  的输入逻辑电压电平 (这意 味着不需要电平转换器) , 但足够稳健可承受高达 5.5V  的输入电压。它还以高 达 92%  的效率运行, 减少了电池消耗。

另一个有益的特性是, 如果 DAIn 引脚保持低电平, IC  会自动进入超低功耗模式, 在该模式下消耗 1.5μA  的微小待机电流。这极大地降低了功耗, 并且在没有可用于控制 EN 引脚的主机 GPIO 的应用中极为有益。然而, 需要注意的是, 通过 将 IC 置于关断模式, EN 引脚可用于实现额外的省电效果, 在该模式下它仅消耗 15nA 的电流。

方便的是, 它还有非常快的 1ms 启动时间 (比类似的 D 类放大器快 4 倍) , 这 允许它在超低功耗 1.5μA  待机模式下等待, 即使在连接到 LRA  触觉驱动器时也 是如此。

该 IC  具有其他一些显著优势, 有助于最大限度地减小电路板尺寸/成本。首先, 它采用微型 1.9mm1 9 针WLP , 具有巧妙的针脚布局, 旨在消除对昂贵的电路板 过孔的需求。如图 4  所示, GA1N  sLpT 引脚 (位于封装的中央) 可以方便地连 接到 V DD 或 GND  (直接连接或使用电阻) 或悬空, 以提供如表1 所示的 I 1  s/左 对齐增益设置。

图 4.  将 GAIN_SLOT 连接到 V_DD 或 GND 以获得所需的增益设置。

表 1. MAX98360  的 I2S/左对齐增益设置。

其次, 该部件无需额外的 D 类滤波即可实现图5 所示的卓越 EMI  性能。因为它 只需要一个外部旁路电容器, 所以整体解决方案尺寸仅为 3.69mm² 。

图 5.  使用12英寸的 MAX98360 EMI 性能。带状线负载。

总结

随着音频接口迅速成为电池供电的可穿戴设备、物联网设备和其他类型的小型便 携式电子设备的普遍特征, 设计人员正在寻找更简单、更具成本效益的方法来为 他们的设备添加高质量音频。在此设计解决方案中, 我们回顾了将某些 D 类放 大器集成到空间受限应用中的困难。我们可以得出结论, 新型灵活的低功耗数字 输入 D 类音频放大器为将音频集成到任何类型的电子设备中的任务产生了 "即 插即用"的简便性, 使其成为便携式设备、可穿戴设备和物联网设备的理想选择。除了采用 9 引脚 WLP  封装外, MAX98360 还提供 10引脚 FC2QFN 封装。

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