通過近場(chǎng)環(huán)繞聲增強(qiáng)您的增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)

包羅萬(wàn)象的環(huán)繞聲的快感是現(xiàn)代電影體驗(yàn)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(yàn)帶出電影院并進(jìn)入可穿戴頭戴式安裝（也稱為近場(chǎng)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(lái)實(shí)現(xiàn)這一雄心勃勃的目標(biāo)。

介紹

“屏幕是一個(gè)窗口，人們通過它可以看到一個(gè)虛擬世界。挑戰(zhàn)在于讓那個(gè)世界看起來(lái)真實(shí)，行動(dòng)真實(shí)，聽起來(lái)真實(shí)，感覺真實(shí)。被廣泛認(rèn)為是“計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父”的美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家和互聯(lián)網(wǎng)先驅(qū)伊萬(wàn)·薩瑟蘭（Ivan Sutherland）的話簡(jiǎn)潔地闡述了創(chuàng)建真正身臨其境的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)或虛擬現(xiàn)實(shí)（AR / VR）體驗(yàn)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(jìn)一步增強(qiáng)AR / VR冒險(xiǎn)的音頻和觸覺組件上。事實(shí)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(duì)聲音和觸覺之間關(guān)系進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果?！拔覀冇枚渎?，用皮膚感覺，但我們的大腦可能會(huì)以特定的方式組合這些信息。來(lái)自兩種感官的頻率信息似乎總是結(jié)合在一起。對(duì)于開發(fā)人員來(lái)說，這可能意味著AR / VR音頻和觸覺方面的未來(lái)改進(jìn)將同時(shí)進(jìn)行，而不是獨(dú)立和并行。

在這個(gè)設(shè)計(jì)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(yàn)類型，以及在可穿戴頭戴式的有限空間限制下實(shí)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(duì)AR/VR音頻體驗(yàn)的重要性，該放大器可以輕松擴(kuò)展，以在節(jié)省空間的小型解決方案中實(shí)現(xiàn)所需的音頻和觸覺體驗(yàn)。

近場(chǎng)環(huán)繞聲

環(huán)繞聲被定義為一種立體聲系統(tǒng)，涉及三個(gè)或更多揚(yáng)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(gè)左、3 個(gè)右、一個(gè)中置聲道和一個(gè)低音炮）來(lái)創(chuàng)建更逼真的環(huán)繞聲體驗(yàn)。將八個(gè)揚(yáng)聲器（加上一個(gè)放大器）放置在不同位置的任務(wù)，即使在一個(gè)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(jī)中重現(xiàn)相同的近場(chǎng)環(huán)繞體驗(yàn)。

盡管這聽起來(lái)不太可能，但他們也在尋找使用觸覺搖桿來(lái)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(yàn)。任何去電影院看電影或去禮堂聽古典管弦樂隊(duì)的人都會(huì)知道，聲音只是體驗(yàn)的一部分。觀眾感受到的重合振動(dòng)大大增強(qiáng)了整體體驗(yàn)。

頭戴式 3D 音頻

面對(duì)在頭戴式安裝中創(chuàng)建沉浸式3D音頻設(shè)計(jì)的艱巨任務(wù)，實(shí)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(jì)規(guī)范。在可穿戴頭戴式安裝的框架內(nèi)互連多達(dá)八個(gè)揚(yáng)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(zhǎng)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、低噪聲和寬動(dòng)態(tài)范圍）幾乎無(wú)法再說。

放大器的另一個(gè)關(guān)鍵規(guī)格是其EMI性能。由于多條走線遍歷不同長(zhǎng)度，音頻放大器必須抑制不需要的信號(hào)頻率，如果傳遞到揚(yáng)聲器，這些頻率可能會(huì)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(shí)間。如果導(dǎo)通時(shí)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(shí)也是如此，這會(huì)浪費(fèi)功率。通過使用具有快速導(dǎo)通時(shí)間的放大器，觸覺電路僅在需要時(shí)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(gè) I2連接到音頻處理單元的 S 輸入 D 類揚(yáng)聲器放大器通常需要四個(gè)獨(dú)立的 I2S 端口。

圖3.由四個(gè) I 驅(qū)動(dòng)的八個(gè)揚(yáng)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(huì)增加功耗，同時(shí)降低電磁兼容性（EMC）性能。

更簡(jiǎn)單、更小的解決方案

圖4所示的IC通過使用更簡(jiǎn)單、更小的解決方案解決了以前考慮的設(shè)計(jì)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(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它支持8通道時(shí)分復(fù)用（TDM）數(shù)據(jù)。這意味著可以使用來(lái)自 APU 的單個(gè) TDM 端口（圖 5）驅(qū)動(dòng)八個(gè)不同的揚(yáng)聲器信號(hào)。與以前的解決方案相比，這大大簡(jiǎn)化了電路板布線，并有助于保持所有音頻信號(hào)同相（因?yàn)樗鼈冇蓡蝹€(gè)數(shù)字音頻輸入端口驅(qū)動(dòng)）。

圖5.八個(gè)揚(yáng)聲器由一個(gè) TDM 輸入驅(qū)動(dòng)。

該IC無(wú)需額外的D類濾波即可實(shí)現(xiàn)出色的EMI性能，因此進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電路板設(shè)計(jì)，如圖6所示（使用12英寸帶狀線負(fù)載測(cè)量）。

圖6.MAX98360的EMI性能。

該 IC 還有另一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)，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(duì)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(duì)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。

對(duì)于需要可變?cè)鲆嬖O(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(dòng)采樣速率和位深度配置，無(wú)需復(fù)雜的I放大器。2C編程，提供簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(dòng)態(tài)范圍規(guī)格。

該 IC 僅采用一個(gè)電源電壓工作，工作溫度范圍為 2.5V 至 5.5V。在尋求延長(zhǎng)電池壽命時(shí)，以高達(dá) 92% 的效率運(yùn)行是一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。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(jiān)固，可以承受高達(dá)5.5V的電壓。該IC的另一個(gè)有用特性是，如果DAIx引腳保持低電平，它會(huì)自動(dòng)進(jìn)入1.5μA超低功耗待機(jī)模式。這可用于在無(wú)主機(jī)GPIO可用于控制EN引腳的應(yīng)用中大幅降低功耗。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于它具有非?？斓?ms導(dǎo)通時(shí)間（比類似的D類放大器快4倍），因此即使與LRA觸覺驅(qū)動(dòng)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，EN引腳通過將IC置于僅吸收15nA電流的關(guān)斷模式，可以實(shí)現(xiàn)額外的節(jié)能效果。

總結(jié)

AR/VR設(shè)備的設(shè)計(jì)師繼續(xù)突破真實(shí)和虛擬之間的界限。他們做到這一點(diǎn)的一種方法是提供卓越的音頻和觸覺體驗(yàn)。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(jī)中。在本文中，我們討論了音頻放大器的要求，以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。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(yáng)聲器。

審核編輯：郭婷