“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)在于讓這個世界看起來真實、行動真實、聽起來真實、感覺真實。” 被廣泛認(rèn)為是“計算機(jī)圖形學(xué)之父”的美國計算機(jī)科學(xué)家和互聯(lián)網(wǎng)先驅(qū) Ivan Sutherland 的話簡潔地陳述了創(chuàng)造真正身臨其境的增強(qiáng)或虛擬現(xiàn)實 (AR/VR) 體驗的挑戰(zhàn)（圖 1）。

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)向進(jìn)一步增強(qiáng) AR/VR 冒險的音頻和觸覺組件。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的關(guān)系進(jìn)行的實驗結(jié)果。“我們用耳朵聽到聲音，用皮膚感覺，但我們的大腦可能會以特定方式結(jié)合這些信息。來自兩種感官的頻率信息似乎總是結(jié)合在一起的。”

對于開發(fā)人員來說，這可能意味著未來對 AR/VR 的音頻和觸覺方面的改進(jìn)將協(xié)同進(jìn)行，而不是獨立和并行進(jìn)行。

在本文中，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設(shè)備的有限空間限制內(nèi)實現(xiàn)這一目標(biāo)所面臨的挑戰(zhàn)。我們討論了觸覺反饋對 AR/VR 音頻體驗的重要性，然后提出了一種高效、即插即用的數(shù)字 D 類放大器，該放大器可以輕松擴(kuò)展以在狹小的空間內(nèi)實現(xiàn)所需的音頻和觸覺體驗- 高效的解決方案。

近場環(huán)繞聲

環(huán)繞聲被定義為一個立體聲系統(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)造更加逼真的環(huán)繞聲體驗。將八個揚聲器（加上一個放大器）放置在不同的位置，即使是在一個比例很大的房間內(nèi)，以提供最佳音質(zhì)的任務(wù)并非易事。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設(shè)備中重現(xiàn)同樣的近場環(huán)繞體驗（圖 2）

這聽起來不太可能，但他們也在尋找使用觸覺搖桿創(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。任何到過電影院看電影或到禮堂聽過古典管弦樂隊的人都知道，聲音只是體驗的一部分。觀眾感受到的同步振動極大地增強(qiáng)了整體體驗。

頭戴式 3D 音頻

面對在頭戴式設(shè)備中創(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來滿足設(shè)計規(guī)范。在可穿戴頭戴式設(shè)備的框架內(nèi)互連多達(dá) 8 個揚聲器需要使用音頻 IC，該 IC 不僅采用小型封裝，而且還允許簡單的電路板布線。

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(jī)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、低噪音和寬動態(tài)范圍）幾乎無法重述。

放大器的另一個關(guān)鍵規(guī)格是其電磁 (EMI) 性能。由于多條走線跨越電路板的不同長度，因此音頻放大器必須抑制不需要的信號頻率，這些信號頻率在傳遞到揚聲器時可能會變得明顯。

好像滿足音頻要求還不夠苛刻，放大器還必須滿足同步連接到觸覺搖桿所需的快速開啟時間。如果開啟時間超過幾毫秒，則觸覺電路必須始終保持清醒，即使在不使用時也是如此，這會浪費電力。通過使用具有快速開啟時間的放大器，觸覺電路僅在需要時才激活。

典型但并非微不足道的解決方案

滿足高效率要求需要使用 D 類音頻放大器。它們以不同的形式提供，以不同的電源電壓和不同的效率水平運行。圖 3顯示了連接到音頻處理單元的八個 I 2 S 輸入 D 類揚聲器放大器通常需要四個獨立的 I 2 S 端口。

圖 3：由四個 I2S 端口驅(qū)動的八個揚聲器示意圖（圖片：Maxim Integrated）

容納四個多線 I 2 S 通道需要更大的電路板（這在 AR/VR 耳機(jī)的狹小范圍內(nèi)可能難以實現(xiàn)）并增加功耗，同時惡化電磁兼容性 (EMC) 性能。

更簡單更小的解決方案

圖 4所示的MAX98360 數(shù)字 D 類放大器通過使用更簡單、更小的解決方案解決了之前考慮的設(shè)計要求的所有方面。

圖 4：MAX98360 數(shù)字 D 類放大器（圖片：Maxim Integrated）

使用此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。與之前的解決方案相比，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（因為它們是從單個數(shù)字音頻輸入端口驅(qū)動的）。

圖 5：由一個 TDM 輸入驅(qū)動的八個揚聲器（圖片：Maxim Integrated）

電路板設(shè)計進(jìn)一步簡化，因為該 IC 無需額外的 D 類濾波即可實現(xiàn)出色的 EMI 性能，如圖6所示（使用 12 英寸帶狀線負(fù)載測量）。

圖 6：MAX98360 的 EMI 性能（圖片：Maxim Integrated）

該 IC 具有另一個顯著優(yōu)勢，可幫助最小化電路板尺寸/成本。它采用微型 1.9 mm 2 WLP 封裝，采用巧妙的引腳布局，無需昂貴的電路板通孔。如圖7所示，GAIN_SLOT 引腳（位于封裝中心）可以方便地連接到 V DD或 GND（直接或使用電阻）或不連接以提供 I 2 S/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（圖片：Maxim Integrated）

表1 ：MAX98360 的 I2S/左對齊增益設(shè)置（圖片：Maxim Integrated）

對于需要可變增益設(shè)置的應(yīng)用，GAIN_SLOT 引腳只需使用具有 2 mil 間隙的微小 2 mil 走線即可輕松布線，如圖 8 所示。

圖 8：不使用過孔布線 GAIN_SLOT 引腳。（圖片：美信集成）

與較舊的 D 類放大器不同，該 IC 使用自動采樣率和位深度配置來消除對復(fù)雜 I 2 C 編程的需要，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 I 2 S、左對齊和 8 通道 TDM 數(shù)據(jù)格式。它接受 8 kHz、16 kHz、32 kHz、44.1 kHz、48 kHz、88.2 kHz 和 96 kHz 采樣率，數(shù)據(jù)字可以是 16 位、24 位或 32 位 I 2 S 和左對齊模式和 16 位或 32 位 TDM 模式。其 1 0μV RMS輸出噪聲、80 dB PSRR 和 110 dB 動態(tài)范圍規(guī)格保證了高質(zhì)量音頻。

該 IC 在2.5 V 至 5.5 V 的寬范圍內(nèi)僅使用一個電源電壓工作。在尋求延長電池壽命時，以高達(dá) 92% 的效率運行是一項重要優(yōu)勢。它可以接受低至 1.2 V 的輸入邏輯電壓電平（這意味著不需要電平轉(zhuǎn)換器），但它足夠強(qiáng)大，可以承受高達(dá) 5.5 V 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(jìn)入 1.5 μA 超低功耗待機(jī)模式。在無主機(jī) GPIO 可用于控制 EN 引腳的應(yīng)用中，這可用于顯著降低功耗。另一個優(yōu)勢是因為它具有非常快的 1 ms 開啟時間（比類似的 D 類放大器快 4 倍），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(jī)模式下等待。應(yīng)該注意的是，通過將 IC 置于僅消耗 15 nA 電流的關(guān)斷模式，EN 引腳可以實現(xiàn)額外的節(jié)能。

概括

AR/VR 設(shè)備的設(shè)計者不斷突破真實與虛擬之間的界限。他們可以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屬，現(xiàn)在被包含在高端 AR/VR 耳機(jī)中。在本文中，我們討論了使這成為可能的音頻放大器的要求。除 AR/VR 應(yīng)用外，D 類數(shù)字音頻放大器還適用于平板電腦、筆記本電腦、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和智能揚聲器。

關(guān)于作者：

Matt Felder 是 Maxim Integrated 音頻團(tuán)隊的高級模擬設(shè)計師。他擁有 Texas A&M 的 BSEE 和 UT Austin 的 MSEE，并擁有 45 項已授權(quán)專利。

Gregory Mow 是 Maxim Integrated 的音頻解決方案業(yè)務(wù)經(jīng)理。他擁有加州大學(xué)圣地亞哥分校的電氣工程學(xué)士學(xué)位

Michael Jackson 在 Maxim Integrated 擔(dān)任首席技術(shù)作家一職。他擁有都柏林城市大學(xué)的電子工程碩士學(xué)位

審核編輯 黃昊宇