D 类放大器使环绕声在 AR/VR 耳机中成为现实

“屏幕是一个窗口，人们通过它可以看到一个虚拟世界。挑战在于让这个世界看起来真实、行动真实、听起来真实、感觉真实。” 被广泛认为是“计算机图形学之父”的美国计算机科学家和互联网先驱 Ivan Sutherland 的话简洁地陈述了创造真正身临其境的增强或虚拟现实 (AR/VR) 体验的挑战（图 1）。

虽然很多努力都集中在创造令人惊叹的视觉全景上，但现在注意力开始转向进一步增强 AR/VR 冒险的音频和触觉组件。事实上，约翰霍普金斯大学巴尔的摩分校的研究员 Jeffrey Yau 总结了最近对声音和触觉之间的关系进行的实验结果。“我们用耳朵听到声音，用皮肤感觉，但我们的大脑可能会以特定方式结合这些信息。来自两种感官的频率信息似乎总是结合在一起的。”

对于开发人员来说，这可能意味着未来对 AR/VR 的音频和触觉方面的改进将协同进行，而不是独立和并行进行。

在本文中，我们考虑了高端 AR/VR 设备制造商希望提供的音频体验类型，以及在可穿戴头戴式设备的有限空间限制内实现这一目标所面临的挑战。我们讨论了触觉反馈对 AR/VR 音频体验的重要性，然后提出了一种高效、即插即用的数字 D 类放大器，该放大器可以轻松扩展以在狭小的空间内实现所需的音频和触觉体验- 高效的解决方案。

近场环绕声

环绕声被定义为一个立体声系统，涉及三个或更多扬声器围绕听众，以提供更逼真的现代影院效果。它使用 7.1 配置（3 个左、3 个右、一个中置声道和一个低音炮）来创造更加逼真的环绕声体验。将八个扬声器（加上一个放大器）放置在不同的位置，即使是在一个比例很大的房间内，以提供最佳音质的任务并非易事。令人难以置信的是，AR/VR 设备制造商现在正寻求在可穿戴头戴式设备中重现同样的近场环绕体验（图 2）

这听起来不太可能，但他们也在寻找使用触觉摇杆创建音频同步混响的方法，从而为佩戴者提供更令人满意的感官体验。任何到过电影院看电影或到礼堂听过古典管弦乐队的人都知道，声音只是体验的一部分。观众感受到的同步振动极大地增强了整体体验。

头戴式 3D 音频

面对在头戴式设备中创建沉浸式 3D 音频设计的艰巨任务，实现这一目标的关键在于选择合适的音频放大器来满足设计规范。在可穿戴头戴式设备的框架内互连多达 8 个扬声器需要使用音频 IC，该 IC 不仅采用小型封装，而且还允许简单的电路板布线。

放大器应尽可能高效（90% 或更高），并能够在尽可能低的电源电压下工作。这有助于最大限度地降低功耗，从而延长耳机的电池寿命。与所有现代音频应用一样，高保真音质（高 PSRR、低噪音和宽动态范围）几乎无法重述。

放大器的另一个关键规格是其电磁 (EMI) 性能。由于多条走线跨越电路板的不同长度，因此音频放大器必须抑制不需要的信号频率，这些信号频率在传递到扬声器时可能会变得明显。

好像满足音频要求还不够苛刻，放大器还必须满足同步连接到触觉摇杆所需的快速开启时间。如果开启时间超过几毫秒，则触觉电路必须始终保持清醒，即使在不使用时也是如此，这会浪费电力。通过使用具有快速开启时间的放大器，触觉电路仅在需要时才激活。

典型但并非微不足道的解决方案

满足高效率要求需要使用 D 类音频放大器。它们以不同的形式提供，以不同的电源电压和不同的效率水平运行。图 3显示了连接到音频处理单元的八个 I 2 S 输入 D 类扬声器放大器通常需要四个独立的 I 2 S 端口。

图 3：由四个 I2S 端口驱动的八个扬声器示意图（图片：Maxim Integrated）

容纳四个多线 I 2 S 通道需要更大的电路板（这在 AR/VR 耳机的狭小范围内可能难以实现）并增加功耗，同时恶化电磁兼容性 (EMC) 性能。

更简单更小的解决方案

图 4所示的MAX98360 数字 D 类放大器通过使用更简单、更小的解决方案解决了之前考虑的设计要求的所有方面。

图 4：MAX98360 数字 D 类放大器（图片：Maxim Integrated）

使用此放大器的一个主要优点是它支持 8 通道时分复用 (TDM) 数据。这意味着可以使用来自 APU的单个 TDM 端口（图 5 ）驱动八个不同的扬声器信号。与之前的解决方案相比，这大大简化了电路板布线，并有助于保持所有音频信号同相（因为它们是从单个数字音频输入端口驱动的）。

图 5：由一个 TDM 输入驱动的八个扬声器（图片：Maxim Integrated）

电路板设计进一步简化，因为该 IC 无需额外的 D 类滤波即可实现出色的 EMI 性能，如图6所示（使用 12 英寸带状线负载测量）。

图 6：MAX98360 的 EMI 性能（图片：Maxim Integrated）

该 IC 具有另一个显着优势，可帮助最小化电路板尺寸/成本。它采用微型 1.9 mm 2 WLP 封装，采用巧妙的引脚布局，无需昂贵的电路板通孔。如图7所示，GAIN_SLOT 引脚（位于封装中心）可以方便地连接到 V DD或 GND（直接或使用电阻）或不连接以提供 I 2 S/左对齐增益设置如表 1 所示。

图 7：将 GAIN_SLOT 连接到 VDD 或 GND 以获得所需的增益设置（图片：Maxim Integrated）

表1 ：MAX98360 的 I2S/左对齐增益设置（图片：Maxim Integrated）

对于需要可变增益设置的应用，GAIN_SLOT 引脚只需使用具有 2 mil 间隙的微小 2 mil 走线即可轻松布线，如图 8 所示。

图 8：不使用过孔布线 GAIN_SLOT 引脚。（图片：美信集成）

与较旧的 D 类放大器不同，该 IC 使用自动采样率和位深度配置来消除对复杂 I 2 C 编程的需要，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 2 S、左对齐和 8 通道 TDM 数据格式。它接受 8 kHz、16 kHz、32 kHz、44.1 kHz、48 kHz、88.2 kHz 和 96 kHz 采样率，数据字可以是 16 位、24 位或 32 位 I 2 S 和左对齐模式和 16 位或 32 位 TDM 模式。其 1 0µV RMS输出噪声、80 dB PSRR 和 110 dB 动态范围规格保证了高质量音频。

该 IC 在2.5 V 至 5.5 V 的宽范围内仅使用一个电源电压工作。在寻求延长电池寿命时，以高达 92% 的效率运行是一项重要优势。它可以接受低至 1.2 V 的输入逻辑电压电平（这意味着不需要电平转换器），但它足够强大，可以承受高达 5.5 V 的电压。

该 IC 的另一个有用特性是，如果 DAIx 引脚保持低电平，它会自动进入 1.5 µA 超低功耗待机模式。在无主机 GPIO 可用于控制 EN 引脚的应用中，这可用于显着降低功耗。另一个优势是因为它具有非常快的 1 ms 开启时间（比类似的 D 类放大器快 4 倍），即使与 LRA 触觉驱动器一起使用，它也可以在这种低功耗待机模式下等待。应该注意的是，通过将 IC 置于仅消耗 15 nA 电流的关断模式，EN 引脚可以实现额外的节能。

概括

AR/VR 设备的设计者不断突破真实与虚拟之间的界限。他们可以做到这一点的一种方法是提供卓越的音频和触觉体验。多声道音频系统曾经是电影院或家庭影院的专属，现在被包含在高端 AR/VR 耳机中。在本文中，我们讨论了使这成为可能的音频放大器的要求。除 AR/VR 应用外，D 类数字音频放大器还适用于平板电脑、笔记本电脑、物联网设备和智能扬声器。

关于作者：

Matt Felder 是 Maxim Integrated 音频团队的高级模拟设计师。他拥有 Texas A&M 的 BSEE 和 UT Austin 的 MSEE，并拥有 45 项已授权专利。

Gregory Mow 是 Maxim Integrated 的音频解决方案业务经理。他拥有加州大学圣地亚哥分校的电气工程学士学位

Michael Jackson 在 Maxim Integrated 担任首席技术作家一职。他拥有都柏林城市大学的电子工程硕士学位

审核编辑 黄昊宇