通过近场环绕声增强您的增强/虚拟现实体验

包罗万象的环绕声的快感是现代电影体验的刺激之一。令人难以置信的是，AR / VR设备制造商正在寻找将这种体验带出电影院并进入可穿戴头戴式安装（也称为近场环绕声）范围的方法。在本文中，我们将先介绍常见音频放大器解决方案的局限性，然后再介绍一款易于使用（即插即用）的微型D类放大器，并展示如何使用它来实现这一雄心勃勃的目标。

介绍

“屏幕是一个窗口，人们通过它可以看到一个虚拟世界。挑战在于让那个世界看起来真实，行动真实，听起来真实，感觉真实。被广泛认为是“计算机图形学之父”的美国计算机科学家和互联网先驱伊万·萨瑟兰（Ivan Sutherland）的话简洁地阐述了创建真正身临其境的增强现实或虚拟现实（AR / VR）体验的挑战（图1）。虽然很多努力都集中在创造令人惊叹的视觉全景上，但现在注意力开始转移到进一步增强AR / VR冒险的音频和触觉组件上。事实上，约翰·霍普金斯大学巴尔的摩分校的研究员Jeffrey Yau总结了最近对声音和触觉之间关系进行的实验的结果。“我们用耳朵听，用皮肤感觉，但我们的大脑可能会以特定的方式组合这些信息。来自两种感官的频率信息似乎总是结合在一起。对于开发人员来说，这可能意味着AR / VR音频和触觉方面的未来改进将同时进行，而不是独立和并行。

在这个设计解决方案中，我们考虑了高端AR / VR设备制造商希望提供的音频体验类型，以及在可穿戴头戴式的有限空间限制下实现这一目标的挑战。在提出一种高效、即插即用的数字D类放大器之前，我们讨论了触觉反馈对AR/VR音频体验的重要性，该放大器可以轻松扩展，以在节省空间的小型解决方案中实现所需的音频和触觉体验。

近场环绕声

环绕声被定义为一种立体声系统，涉及三个或更多扬声器围绕听众，以提供更逼真的现代电影院效果。它使用 7.1 配置（3 个左、3 个右、一个中置声道和一个低音炮）来创建更逼真的环绕声体验。将八个扬声器（加上一个放大器）放置在不同位置的任务，即使在一个宽敞的房间内，以提供最佳音质也不是一件小事。令人难以置信的是，AR/VR 设备制造商现在正寻求在可穿戴头戴式耳机中重现相同的近场环绕体验。

尽管这听起来不太可能，但他们也在寻找使用触觉摇杆来创建音频同步混响的方法，从而为佩戴者提供更令人满意的感官体验。任何去电影院看电影或去礼堂听古典管弦乐队的人都会知道，声音只是体验的一部分。观众感受到的重合振动大大增强了整体体验。

头戴式 3D 音频

面对在头戴式安装中创建沉浸式3D音频设计的艰巨任务，实现这一目标的关键在于选择合适的音频放大器以满足设计规范。在可穿戴头戴式安装的框架内互连多达八个扬声器需要使用音频 IC，该 IC 不仅采用微型封装，而且还允许直接的电路板布线。放大器应尽可能高效（90%或更高），并能够在尽可能低的电源电压下工作。这有助于最大限度地降低功耗，从而延长耳机的电池寿命。与所有现代音频应用一样，高保真音质（高PSRR、低噪声和宽动态范围）几乎无法再说。

放大器的另一个关键规格是其EMI性能。由于多条走线遍历不同长度，音频放大器必须抑制不需要的信号频率，如果传递到扬声器，这些频率可能会变得可感知。似乎满足音频要求还不够苛刻，放大器还必须满足与触觉摇杆同步连接所需的快速导通时间。如果导通时间超过几毫秒，触觉电路必须始终保持唤醒状态，即使在不使用时也是如此，这会浪费功率。通过使用具有快速导通时间的放大器，触觉电路仅在需要时激活。

典型但并非微不足道的解决方案

为了满足高效率要求，需要使用D类音频放大器。这些器件以不同的形式提供，在不同的电源电压下工作，效率水平也不同。图 3 显示了 <> 个 I2连接到音频处理单元的 S 输入 D 类扬声器放大器通常需要四个独立的 I2S 端口。

图3.由四个 I 驱动的八个扬声器的示意图2S 端口。

可容纳四条多线 I2S通道需要更大的电路板（在AR/VR头显的严格范围内可能很难），并且会增加功耗，同时降低电磁兼容性（EMC）性能。

更简单、更小的解决方案

图4所示的IC通过使用更简单、更小的解决方案解决了以前考虑的设计要求的所有方面。

图4.MAX98360数字D类放大器

使用该放大器的一个主要优点是它支持8通道时分复用（TDM）数据。这意味着可以使用来自 APU 的单个 TDM 端口（图 5）驱动八个不同的扬声器信号。与以前的解决方案相比，这大大简化了电路板布线，并有助于保持所有音频信号同相（因为它们由单个数字音频输入端口驱动）。

图5.八个扬声器由一个 TDM 输入驱动。

该IC无需额外的D类滤波即可实现出色的EMI性能，因此进一步简化了电路板设计，如图6所示（使用12英寸带状线负载测量）。

图6.MAX98360的EMI性能。

该 IC 还有另一个显著优势，有助于最大限度地减小电路板尺寸/成本。它采用微小的 1.9 毫米尺寸2WLP 采用巧妙的引脚布局，旨在消除对昂贵的电路板过孔的需求。如图7所示，GAIN_SLOT引脚（位于封装中心）可以方便地连接到VDD或 GND（直接或使用电阻器）或保持未连接以提供 I2S/左对齐增益设置如表1所示。

图7.将GAIN_SLOT连接到VDD或GND以获得所需的增益设置。

Gain_Slot	我2S/左对齐增益 （dB）
连接到接地	12
无关	9
连接到 VDD	6
连接到 VDD（通过100kΩ电阻）	3
连接到接地（通过 100kΩ 电阻）	-3

对于需要可变增益设置的应用，只需使用2mil的微小走线和2mil间隙即可轻松布线GAIN_SLOT引脚，如图8所示。

图8.在不使用过孔的情况下将GAIN_SLOT引脚布线。

与旧的D类放大器不同，该IC使用自动采样速率和位深度配置，无需复杂的I放大器。2C编程，提供简单有效的“即插即用”音频解决方案。它具有灵活的音频接口，支持I2S、左对齐和 8 通道 TDM 数据格式。它接受 8kHz、16kHz、32kHz、44.1kHz、48kHz、88.2kHz 和 96kHz 采样速率，I中的数据字可以是 16 位、24 位或 32 位2S 和左对齐模式以及 TDM 模式下的 16 位或 32 位。10μV 保证了高品质音频有效值输出噪声、80dB PSRR 和 110dB 动态范围规格。

该 IC 仅采用一个电源电压工作，工作温度范围为 2.5V 至 5.5V。在寻求延长电池寿命时，以高达 92% 的效率运行是一个重要优势。它可以接受低至1.2V的输入逻辑电压电平（这意味着不需要电平转换器），但它足够坚固，可以承受高达5.5V的电压。该IC的另一个有用特性是，如果DAIx引脚保持低电平，它会自动进入1.5μA超低功耗待机模式。这可用于在无主机GPIO可用于控制EN引脚的应用中大幅降低功耗。另一个优点是，由于它具有非常快的1ms导通时间（比类似的D类放大器快4倍），因此即使与LRA触觉驱动器一起使用，它也可以在这种低功耗待机模式下等待。应该注意的是，EN引脚通过将IC置于仅吸收15nA电流的关断模式，可以实现额外的节能效果。

总结

AR/VR设备的设计师继续突破真实和虚拟之间的界限。他们做到这一点的一种方法是提供卓越的音频和触觉体验。多声道音频系统曾经是电影院或家庭影院的专利，现在正被包含在高端AR / VR耳机中。在本文中，我们讨论了音频放大器的要求，以实现这一点。我们展示了一款小巧灵活的“即插即用”D类数字音频放大器，其物理和电气规格使其成为此应用的理想选择。除了AR / VR应用，它还适用于平板电脑，笔记本电脑，物联网设备和智能扬声器。

审核编辑：郭婷