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(shè)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(biāo)。
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(xué)之父”的美國計算機科學(xué)家和互聯(lián)網(wǎng)先驅(qū)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(zhuǎn)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(xué)巴爾的摩分校的研究員Jeffrey Yau總結(jié)了最近對聲音和觸覺之間關(guān)系進行的實驗的結(jié)果�！拔覀冇枚渎�，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(jié)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(shè)計解決方案中，我們考慮了高端AR / VR設(shè)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(biāo)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(wù)，即使在一個寬敞的房間內(nèi)，以提供最佳音質(zhì)也不是一件小事。令人難以置信的是，AR/VR 設(shè)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(shè)計的艱巨任務(wù)，實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于選擇合適的音頻放大器以滿足設(shè)計規(guī)范。在可穿戴頭戴式安裝的框架內(nèi)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(yīng)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(yīng)用一樣，高保真音質(zhì)（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(guān)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(dǎo)通時間。如果導(dǎo)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(dǎo)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(qū)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(yán)格范圍內(nèi)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(shè)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(fù)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(qū)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(qū)動）。
圖5.八個揚聲器由一個 TDM 輸入驅(qū)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(shè)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(shè)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(shè)置。
| Gain_Slot |
我2S/左對齊增益 （dB） |
| 連接到接地 |
12 |
| 無關(guān) |
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(shè)置的應(yīng)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(fù)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(zhì)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(zhuǎn)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(yīng)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(dǎo)通時間（比類似的D類放大器快4倍），因此即使與LRA觸覺驅(qū)動器一起使用，它也可以在這種低功耗待機模式下等待。應(yīng)該注意的是，EN引腳通過將IC置于僅吸收15nA電流的關(guān)斷模式，可以實現(xiàn)額外的節(jié)能效果。
總結(jié)
AR/VR設(shè)備的設(shè)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(yīng)用的理想選擇。除了AR / VR應(yīng)用，它還適用于平板電腦，筆記本電腦，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和智能揚聲器。 |
