包羅萬象的環(huán)繞聲的快感是現(xiàn)代電影體驗的刺激之一。令人難以置信的是，AR / VR設備制造商正在尋找將這種體驗帶出電影院并進入可穿戴頭戴式安裝（也稱為近場環(huán)繞聲）范圍的方法。在本文中，我們將先介紹常見音頻放大器解決方案的局限性，然后再介紹一款易于使用（即插即用）的微型D類放大器，并展示如何使用它來實現(xiàn)這一雄心勃勃的目標。
介紹
“屏幕是一個窗口，人們通過它可以看到一個虛擬世界。挑戰(zhàn)在于讓那個世界看起來真實，行動真實，聽起來真實，感覺真實。被廣泛認為是“計算機圖形學之父”的美國計算機科學家和互聯(lián)網(wǎng)先驅伊萬·薩瑟蘭（Ivan Sutherland）的話簡潔地闡述了創(chuàng)建真正身臨其境的增強現(xiàn)實或虛擬現(xiàn)實（AR / VR）體驗的挑戰(zhàn)。雖然很多努力都集中在創(chuàng)造令人驚嘆的視覺全景上，但現(xiàn)在注意力開始轉移到進一步增強AR / VR冒險的音頻和觸覺組件上。事實上，約翰·霍普金斯大學巴爾的摩分校的研究員Jeffrey Yau總結了最近對聲音和觸覺之間關系進行的實驗的結果。“我們用耳朵聽，用皮膚感覺，但我們的大腦可能會以特定的方式組合這些信息。來自兩種感官的頻率信息似乎總是結合在一起。對于開發(fā)人員來說，這可能意味著AR / VR音頻和觸覺方面的未來改進將同時進行，而不是獨立和并行。
在這個設計解決方案中，我們考慮了高端AR / VR設備制造商希望提供的音頻體驗類型，以及在可穿戴頭戴式的有限空間限制下實現(xiàn)這一目標的挑戰(zhàn)。在提出一種高效、即插即用的數(shù)字D類放大器之前，我們討論了觸覺反饋對AR/VR音頻體驗的重要性，該放大器可以輕松擴展，以在節(jié)省空間的小型解決方案中實現(xiàn)所需的音頻和觸覺體驗。
近場環(huán)繞聲
環(huán)繞聲被定義為一種立體聲系統(tǒng)，涉及三個或更多揚聲器圍繞聽眾，以提供更逼真的現(xiàn)代電影院效果。它使用 7.1 配置（3 個左、3 個右、一個中置聲道和一個低音炮）來創(chuàng)建更逼真的環(huán)繞聲體驗。將八個揚聲器（加上一個放大器）放置在不同位置的任務，即使在一個寬敞的房間內，以提供最佳音質也不是一件小事。令人難以置信的是，AR/VR 設備制造商現(xiàn)在正尋求在可穿戴頭戴式耳機中重現(xiàn)相同的近場環(huán)繞體驗。
盡管這聽起來不太可能，但他們也在尋找使用觸覺搖桿來創(chuàng)建音頻同步混響的方法，從而為佩戴者提供更令人滿意的感官體驗。任何去電影院看電影或去禮堂聽古典管弦樂隊的人都會知道，聲音只是體驗的一部分。觀眾感受到的重合振動大大增強了整體體驗。
頭戴式 3D 音頻
面對在頭戴式安裝中創(chuàng)建沉浸式3D音頻設計的艱巨任務，實現(xiàn)這一目標的關鍵在于選擇合適的音頻放大器以滿足設計規(guī)范。在可穿戴頭戴式安裝的框架內互連多達八個揚聲器需要使用音頻 IC，該 IC 不僅采用微型封裝，而且還允許直接的電路板布線。放大器應盡可能高效（90%或更高），并能夠在盡可能低的電源電壓下工作。這有助于最大限度地降低功耗，從而延長耳機的電池壽命。與所有現(xiàn)代音頻應用一樣，高保真音質（高PSRR、低噪聲和寬動態(tài)范圍）幾乎無法再說。
放大器的另一個關鍵規(guī)格是其EMI性能。由于多條走線遍歷不同長度，音頻放大器必須抑制不需要的信號頻率，如果傳遞到揚聲器，這些頻率可能會變得可感知。似乎滿足音頻要求還不夠苛刻，放大器還必須滿足與觸覺搖桿同步連接所需的快速導通時間。如果導通時間超過幾毫秒，觸覺電路必須始終保持喚醒狀態(tài)，即使在不使用時也是如此，這會浪費功率。通過使用具有快速導通時間的放大器，觸覺電路僅在需要時激活。
典型但并非微不足道的解決方案
為了滿足高效率要求，需要使用D類音頻放大器。這些器件以不同的形式提供，在不同的電源電壓下工作，效率水平也不同。圖 3 顯示了 <> 個 I2連接到音頻處理單元的 S 輸入 D 類揚聲器放大器通常需要四個獨立的 I2S 端口。
圖3.由四個 I 驅動的八個揚聲器的示意圖2S 端口。
可容納四條多線 I2S通道需要更大的電路板（在AR/VR頭顯的嚴格范圍內可能很難），并且會增加功耗，同時降低電磁兼容性（EMC）性能。
更簡單、更小的解決方案
圖4所示的IC通過使用更簡單、更小的解決方案解決了以前考慮的設計要求的所有方面。
圖4.MAX98360數(shù)字D類放大器
使用該放大器的一個主要優(yōu)點是它支持8通道時分復用（TDM）數(shù)據(jù)。這意味著可以使用來自 APU 的單個 TDM 端口（圖 5）驅動八個不同的揚聲器信號。與以前的解決方案相比，這大大簡化了電路板布線，并有助于保持所有音頻信號同相（因為它們由單個數(shù)字音頻輸入端口驅動）。
圖5.八個揚聲器由一個 TDM 輸入驅動。
該IC無需額外的D類濾波即可實現(xiàn)出色的EMI性能，因此進一步簡化了電路板設計，如圖6所示（使用12英寸帶狀線負載測量）。
圖6.MAX98360的EMI性能。
該 IC 還有另一個顯著優(yōu)勢，有助于最大限度地減小電路板尺寸/成本。它采用微小的 1.9 毫米尺寸2WLP 采用巧妙的引腳布局，旨在消除對昂貴的電路板過孔的需求。如圖7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）或保持未連接以提供 I2S/左對齊增益設置如表1所示。
圖7.將GAIN_SLOT連接到VDD或GND以獲得所需的增益設置。
| Gain_Slot |
我2S/左對齊增益 （dB） |
| 連接到接地 |
12 |
| 無關 |
9 |
| 連接到 VDD |
6 |
| 連接到 VDD（通過100kΩ電阻） |
3 |
| 連接到接地（通過 100kΩ 電阻） |
-3 |
對于需要可變增益設置的應用，只需使用2mil的微小走線和2mil間隙即可輕松布線GAIN_SLOT引腳，如圖8所示。
圖8.在不使用過孔的情況下將GAIN_SLOT引腳布線。
與舊的D類放大器不同，該IC使用自動采樣速率和位深度配置，無需復雜的I放大器。2C編程，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I2S、左對齊和 8 通道 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 和左對齊模式以及 TDM 模式下的 16 位或 32 位。10μV 保證了高品質音頻有效值輸出噪聲、80dB PSRR 和 110dB 動態(tài)范圍規(guī)格。
該 IC 僅采用一個電源電壓工作，工作溫度范圍為 2.5V 至 5.5V。在尋求延長電池壽命時，以高達 92% 的效率運行是一個重要優(yōu)勢。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），但它足夠堅固，可以承受高達5.5V的電壓。該IC的另一個有用特性是，如果DAIx引腳保持低電平，它會自動進入1.5μA超低功耗待機模式。這可用于在無主機GPIO可用于控制EN引腳的應用中大幅降低功耗。另一個優(yōu)點是，由于它具有非常快的1ms導通時間（比類似的D類放大器快4倍），因此即使與LRA觸覺驅動器一起使用，它也可以在這種低功耗待機模式下等待。應該注意的是，EN引腳通過將IC置于僅吸收15nA電流的關斷模式，可以實現(xiàn)額外的節(jié)能效果。
總結
AR/VR設備的設計師繼續(xù)突破真實和虛擬之間的界限。他們做到這一點的一種方法是提供卓越的音頻和觸覺體驗。多聲道音頻系統(tǒng)曾經(jīng)是電影院或家庭影院的專利，現(xiàn)在正被包含在高端AR / VR耳機中。在本文中，我們討論了音頻放大器的要求，以實現(xiàn)這一點。我們展示了一款小巧靈活的“即插即用”D類數(shù)字音頻放大器，其物理和電氣規(guī)格使其成為此應用的理想選擇。除了AR / VR應用，它還適用于平板電腦，筆記本電腦，物聯(lián)網(wǎng)設備和智能揚聲器。 |
