使用 D类放大器轻松实现可穿戴和IOT音频

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摘要 : 耗电的显示器并不是与电池供电的便携式，可穿戴和IoT设备接口的最有效媒介。因此，低功率音频正迅速成为更受欢迎的选择。在此设计解决方案中，我们介绍了D类数字音频放大器，并讨论了一些当前解决方案的局限性，然后提出了一种经过精巧封装的IC，该IC需要最小的配置即可快速为这些应用带来高质量的音频。

介绍“视频杀死了广播之星” — Buggles于1979年创下的唱片记录了音频娱乐的消亡，然后将其提供给无线AM / FM广播接收机，就像视频（以电视为幌子）的兴起一样。那时，乐队无法想象一个便携式电子设备可以让我们立即选择任何已拍摄电影的世界，或者让我们以接近电影制片厂质量的视频记录我们的日常生活的世界。但是，高质量的视频最好与同等质量的音频一起欣赏，并且可以说在过去的几年中，用户的音频体验被不可忽视地忽略了。它已成为便携式电子设备（如可穿戴设备，AR / VR和紧凑型IoT产品）上可用的众多复杂功能的“穷人关系”。用户已经变得不能对来自这些设备的音频寄予厚望。“毕竟，它只是一部手机，”这是一个经常重复的口头禅，人们对此已经非常熟悉。
但是，随着可穿戴设备和物联网设备的激增，正在发生可喜的变化。用户和设计人员都意识到，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的信息的首选媒体。用户还要求比现在提供更好的音频体验。是的，设计人员很容易将责任归咎于便携式设备的紧凑型外形，这些因素限制了扬声器的尺寸。但是，在许多情况下，不是扬声器引起较差的音频质量，而是放大器驱动它。在此设计解决方案中，我们研究了集成和配置用于便携式电子设备的许多数字D类放大器的一些困难。然后，我们提出一个小小的
数字D类放大器
由于其高效和出色的EMI性能，无滤波器，数字输入D类放大器已成为驱动消费电子设备中扬声器的公认规范。这是因为它们不受与模拟同类产品相关的电路板设计问题的困扰，尤其是信号完整性方面的问题。可以将单通道D类数字放大器放置在板上的远程位置，以最大程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 2 S数据，这些数据需要三根导线：BCLK，LRCLK和DIN（图2）。PCM数据格式不需要调制器或应用处理器上的数据上采样即可提供立体声数据。

图2.使用三线的PCM输入D类。
然而，存在一些与数字输入放大器的传统实现相关的缺点。这种局限性之一是需要一个独立的原始主时钟（MCLK）来获得无抖动的采样时钟。其他放大器提供可调的采样率和/或位深度，但这可能需要复杂的编程。而且，大多数数字输入放大器都需要两个电源电压-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以限制EMI的影响，从而进一步增加了电路板的尺寸/成本。选择与触觉驱动器连接的放大器时，快速的开启时间（少于几毫秒）很重要，
更小更小图3所示的IC解决了这些设计问题的所有方面，并具有提供更简单，更小和更低功耗的解决方案的额外优势。

图3. MAX98360数字D类放大器。
与老式D类放大器不同，该IC使用自动采样率和位深度配置，无需进行复杂的编程，并提供了一种简单有效的“即插即用”音频解决方案。它具有灵活的音频接口，支持I 2 S，左对齐和8通道时分多路复用（TDM）数据格式。它接受8kHz，16kHz，32kHz，44.1kHz，48kHz，88.2kHz和96kHz的采样率，数据字在I 2 S和左对齐模式下可以为16位，24位或32位，以及16位或在TDM模式下为32位。10µV RMS保证了高品质音频输出噪声，80dB PSRR和110dB动态范围规范，这对于扬声器靠近耳朵的设备（例如，AR / VR和可穿戴设备）以及在安静环境中使用的设备（睡眠辅助设备）尤其重要。）。
与其他D类放大器相比，该放大器具有多种功率优势。它只能使用一个电源电压（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），但它的鲁棒性足以承受高达5.5V的输入电压。它还以高达92％的效率运行，从而减少了电池消耗。
另一个有益的功能是，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，它会消耗1.5µA的微小待机电流。这样可以大大降低功耗，并且在没有可用主机GPIO来控制EN引脚的应用中极为有益。但是，必须注意的是，通过将IC置于关闭模式，EN引脚仅消耗15nA的电流，即可用于节省更多的功率。
方便地，它还具有非常快的1ms接通时间（比类似的D类放大器快4倍），即使连接到LRA触觉驱动器，它也可以在1.5µA超低功耗待机模式下等待。
该IC还具有其他一些显着优势，有助于最大程度地减小电路板尺寸/成本。首先，它采用1.9mm 2 9引脚微型WLP，其引脚布局巧妙，旨在消除对昂贵的板过孔的需求。如图4所示，可以将GAIN_SLOT引脚（位于封装的中心）方便地连接至V DD或GND（直接或使用电阻器）或不连接，以提供I 2 S /左对齐增益设置如表1所示。

图4.将GAIN_SLOT连接至V DD或GND以进行所需的增益设置。
表1. MAX98360的I 2 S /左调整增益设置。
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GAIN_SLOT	I 2 S /左调整增益（dB）
连接到GND	12
未连接	9
连接到V DD	6
连接到V DD（通过100kΩ电阻）	3
连接到GND（通过100kΩ电阻）	-3

其次，该部分无需额外的D类滤波即可实现图5所示的卓越EMI性能。由于只需要一个外部旁路电容器，因此整体解决方案的尺寸仅为3.69mm 2。

图5.使用12英寸的MAX98360 EMI性能。带状线负载。
概要随着音频接口迅速成为电池供电的可穿戴设备，IoT设备以及其他类型的小型便携式电子设备的普遍功能，设计人员正在寻找更简单，更具成本效益的方法向其设备添加高质量音频。在该设计解决方案中，我们回顾了将某些D类放大器集成到空间受限的应用中的困难。我们可以得出结论，新一代灵活的低功耗D类数字输入音频放大器为将音频集成到任何类型的电子设备中带来了“即插即用”的简便性，使其成为便携式设备和可穿戴设备的理想之选。以及IoT设备。除了采用9引脚WLP封装外，MAX98360还采用10引脚FC2QFN封装。