如何使用即插即用的数字D类放大器

轻松实现出色的音频性能

Matt Felder,杰出工程师

摘要

本文介绍即插即用的D类音频放大器系列产品,这类放大器 简化了系统设计,因此无需额外的I2 C编程、低抖动的采样 时钟、逻辑电平转换器、特殊的电路板布局设计或EMI滤波器。本文将解释如何在节省电路板空间、降低成本和减少 工作量的同时实现高性能的音频输出。

简介

新一代即插即用的数字D类音频放大器的性能远远优于传统的 模拟D类放大器。更重要的是,数字输入D类放大器还具有低功 耗、低复杂性、低噪声和低成本的优势。

电子产品生产商通常使用不带滤波器的高效率模拟D类放大器来 满足手机、平板电脑、家用监控和智能音箱中的便携扬声器的功率需求。这些D类放大器可直接连接到电池,以尽可能地降低 损耗并减少组件数量。这些放大器还可实现大于80 dB的电源抑 制比,这对于避免GSM通讯的217 Hz干扰来说非常重要。

模拟D类放大器一般需要在处理器侧使用DAC和线路驱动放大器 (图1),这会增加芯片成本和功耗,并导致扬声器的输出噪 声。这种D类放大器还要求良好的电路板布局设计,以避免信号 耦合到模拟电路而导致性能下降。

数字D类音频放大器则不需要特殊的电路板布局设计。这些单通 道D类放大器可以放置在电路板上的较远位置,以最大限度地减 少电池和扬声器负载之间的走线。这些放大器不需要模拟D类放 大器所必需的的DAC和线路驱动放大器, 可以降低尺寸和成本, 设计更为简单。

简化系统设计

大多数数字放大器接收脉冲编码调制(PCM)或I2S数据输入时,需 要三根连接线: BCLK 、LRCLK和DIN 。PCM格式的输入不需要在处理 器侧使用调制器或对数据进行上采样(图2)。较早的PCM输入 的放大器需要干净的主时钟(MCLK)以生成无抖动的采样时钟,而 较新的PCM输入的放大器,如MAX98357 、MAX98360和MAX98365等, 则不再需要MCLK输入,因此引脚数、功耗和电路复杂度都大大 降低。

较早的数字放大器提供可调的采样速率和/或位深度,因此在某 些情况下需要对放大器进行复杂的编程。新一代的数字放大器 则可以自动检测各种采样速率和位深度,支持自动配置,无需 任何编程。

在多通道的实现方案中,数字D类音频放大器可以减少电路板上 的外围电容和布线。 PCM输入只需要BCLK 、LRCLK和DIN三根连接线 就可以输出立体声或8通道的TDM数据。而相比之下,模拟D类放 大器一般需要两个差分输入信号共四根连接线,还需要额外的交流耦合电容(见图1和图2)。

大多数数字放大器同时需要较低的数字电源电压(1.8 V)和较高的 扬声器电源电压(2.5 V至5.5 V) 。但是使用MAX98357和MAX98360 等单电源供电的D 类放大器可以简化电路设计并减少元件数 量。 MAX98365可以采用3.0 V至5.5 V的单电源供电,也可以采用1.8 V 至5.5 V和3.0 V至14.0 V的双电源供电。数字输入的逻辑电平独立 于器件的电源电压,输入逻辑电平可以是1.2 V至5.5 V之间的任何 值,无需逻辑电平转换器。

图1. 使用模拟D类放大器的常规系统。处理器侧的DAC和线路驱动放大器会增加成本、功耗和扬声器输出噪声。


图2. PCM输入的数字D类放大器的系统只需要使用三根连接线,而且处理器侧不需要调制器或对数据进行上采样。

抖动容差和时钟发生

数字D类音频放大器通常面临时钟抖动的新挑战。为了获得良好 的音频质量,大部分数字输入放大器要求相当低的BCLK或MCLK 的时钟抖动。数据手册通常不会具体给出抖动容差的数值,如 果给出,典型值约为200 ps的均方根抖动。较高的时钟抖动通常会降低放大器的动态范围或满量程THD+N性能。

在许多系统中,处理器的基准振荡器频率不是BCLK的简单倍 数,因此为放大器提供低抖动的时钟并不容易。例如, 13 MHz 是GSM电话的常见晶振频率、 27 MHz则通常用于视频解决方案, 这些基准频率都不是44.1 kSPS或48 kSPS的音频采样速率的简单倍数。因此,系统通常采用复杂的小数N分频锁相环来生成音频专 用的时钟。在某些情况下,该解决方案需要单独的音频基准振荡器,这会增加系统复杂性和物料成本。

另一种更好的解决方案是使用能容忍高时钟抖动而不降低音频 性能的数字放大器。这种放大器可降低系统的复杂性。在最简单的情况下,可以使用跳周期时钟来产生BCLK,但这会产生 异常高的抖动。如果跳过13 MHz的基准时钟周期产生6.144 MHz的 BCLK (48 kSPS × 128 OSR),则峰值抖动可达38.4 ns,均方根抖动可达 22.2 ns  (图3),这比大多数DAC所能承受的抖动还要高出两个数 量级。

图3. 来自于25 MHz时钟跳周期生成的12.288 MHz MCLK

然而,新型的D类音频放大器即使在这样的时钟抖动下仍具备大 于103 dB的动态范围性能。跳周期时钟可通过处理器上的逻辑门 电路来生成。新器件不需要锁相环解决方案必需的振荡器或环 路滤波器。参见图4。

图4. 小数N分频锁相环与跳周期时钟实现

抖动容差测试结果

测试结果表明,使用跳周期时钟时, MA X98357 、MA X98360 和 MAX98365的动态范围不会降低。此时,器件的动态范围性能比 120 dB的DAC还高出20 dB 。2~A型DAC抖动容差的更多详细数据可参 见参考文章1。

图5. 动态范围下降,跳周期时钟抖动为11.5 ns rms

结语

数字无滤波D类音频放大器支持简单的电路实现,无需额外的I2C 编程、 MCLK输入、电平转换器和EMI滤波器,具有高效率、低EMI 和高输出功率的特色。 MAX98357和MAX98360采用WLP或QFN封装,输 出功率可达3.2 W 。MAX98365采用WLP封装,输出功率可达17.6 W。

参考资料

1 Matt Felder 、Patrick Gallagher和Brian Donoghue。“分析音频DAC抖动灵敏度。, EDN网络, 2012年9月。

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