“屏幕是一個窗口，人們通過它可以看到一個虛擬世界。挑戰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。” 被廣泛認為是“計算機圖形學之父”的美國計算機科學家和互聯網先驅 Ivan Sutherland 的話簡潔地陳述了創造真正身臨其境的增強或虛擬現實 (AR/VR) 體驗的挑戰（圖 1）。

雖然很多努力都集中在創造令人驚嘆的視覺全景上，但現在注意力開始轉向進一步增強 AR/VR 冒險的音頻和觸覺組件。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的關系進行的實驗結果。“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的。”

對于開發人員來說，這可能意味著未來對 AR/VR 的音頻和觸覺方面的改進將協同進行，而不是獨立和并行進行。

在本文中，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設備的有限空間限制內實現這一目標所面臨的挑戰。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、即插即用的數字 D 類放大器，該放大器可以輕松擴展以在狹小的空間內實現所需的音頻和觸覺體驗- 高效的解決方案。

近場環繞聲

環繞聲被定義為一個立體聲系統，涉及三個或更多揚聲器圍繞聽眾，以提供更逼真的現代影院效果。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）來創造更加逼真的環繞聲體驗。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，以提供最佳音質的任務并非易事。令人難以置信的是，AR/VR 設備制造商現在正尋求在可穿戴頭戴式設備中重現同樣的近場環繞體驗（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了整體體驗。

頭戴式 3D 音頻

面對在頭戴式設備中創建沉浸式 3D 音頻設計的艱巨任務，實現這一目標的關鍵在于選擇合適的音頻放大器來滿足設計規范。在可穿戴頭戴式設備的框架內互連多達 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。與所有現代音頻應用一樣，高保真音質（高 PSRR、低噪音和寬動態范圍）幾乎無法重述。

放大器的另一個關鍵規格是其電磁 (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 耳機的狹小范圍內可能難以實現）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計要求的所有方面。

圖 4：MAX98360 數字 D 類放大器（圖片：Maxim Integrated）

使用此放大器的一個主要優點是它支持 8 通道時分復用 (TDM) 數據。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字音頻輸入端口驅動的）。

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

電路板設計進一步簡化，因為該 IC 無需額外的 D 類濾波即可實現出色的 EMI 性能，如圖6所示（使用 12 英寸帶狀線負載測量）。

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

該 IC 具有另一個顯著優勢，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（圖片：Maxim Integrated）

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

對于需要可變增益設置的應用，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 數據格式。它接受 8 kHz、16 kHz、32 kHz、44.1 kHz、48 kHz、88.2 kHz 和 96 kHz 采樣率，數據字可以是 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 動態范圍規格保證了高質量音頻。

該 IC 在2.5 V 至 5.5 V 的寬范圍內僅使用一個電源電壓工作。在尋求延長電池壽命時，以高達 92% 的效率運行是一項重要優勢。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換器），但它足夠強大，可以承受高達 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，它會自動進入 1.5 μA 超低功耗待機模式。在無主機 GPIO 可用于控制 EN 引腳的應用中，這可用于顯著降低功耗。另一個優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，通過將 IC 置于僅消耗 15 nA 電流的關斷模式，EN 引腳可以實現額外的節能。

概括

AR/VR 設備的設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。多聲道音頻系統曾經是電影院或家庭影院的專屬，現在被包含在高端 AR/VR 耳機中。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 應用外，D 類數字音頻放大器還適用于平板電腦、筆記本電腦、物聯網設備和智能揚聲器。

關于作者：

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

Gregory Mow 是 Maxim Integrated 的音頻解決方案業務經理。他擁有加州大學圣地亞哥分校的電氣工程學士學位

Michael Jackson 在 Maxim Integrated 擔任首席技術作家一職。他擁有都柏林城市大學的電子工程碩士學位

審核編輯 黃昊宇