Jak u zesilovačů třídy D s digitálním vstupem snadno dosáhnout lepších vlastností

Článek představuje rodinu „plug and play“ zesilovačů třídy D, zjednodušujících návrh systému tím, že již nebude zapotřebí obvyklého programování přes I²C, vzorkovacích hodin s nízkým jitterem, posunů logických úrovní, pečlivého návrhu desky nebo filtrace EMI. Ukazuje, jak dosáhnout špičkového audia, zatímco ušetříte místo na desce a snižujete náklady, včetně nezbytného úsilí.

Pár slov úvodem

Nová generace „plug and play“ audio zesilovačů třídy D s digitálním vstupem dosahuje mnohem lepších audio vlastností, než je tomu v případě klasických analogových zesilovačů stejné třídy. A co víc, zesilovače třídy D s digitálním vstupem přináší další benefity v podobě snížené spotřeby, jednoduššího řešení, nižšího rušení a také menších nákladů.

Vysoce účinné zesilovače třídy D se bez filtrů a s analogovým vstupem v elektronice obvykle používají proto, aby mohli výrobci vyhovět výkonovým požadavkům drobných reproduktorů v mobilních telefonech, tabletech, systémech pro monitorování domácností nebo i chytrých reproduktorech. Umožňují zde přímé spojení s baterií, což minimalizuje ztráty a snižuje počet součástek. Zesilovače rovněž vykazují PSRR přes 80 dB. To je důležité, abychom zabránili slyšitelnému rušení, pokud jde o demodulované signály GSM a frekvenci 217 Hz.

Zesilovače třídy D s analogovým vstupem na straně aplikačního procesoru dle obr. 1 obvykle vyžadují D/A převodník a budič linky, které zvyšují cenu čipu, spotřebu a na výstupu s reproduktorem také hladinu šumu. Neobejdeme se ani bez pečlivého návrhu desky s cílem zamezit degradaci kvůli signálům, které se tam navážou na analogové trasy.

Obr. 1  Obvyklé řešení se zesilovači třídy D, vybavenými analogovým vstupem. D/A převodník s budičem linky na straně aplikačního procesoru zvyšuje cenu čipu, spotřebu a také rušení, které se projeví na výstupu pro reproduktor

Audio zesilovače třídy D s digitálním vstupem jsou vůči většině problémů spojených s návrhem desky imunní. Jednokanálové zesilovače třídy D lze umístit na odlehlých místech desky a minimalizovat přitom vedení vysokých proudů ve spojení s baterií či zátěží v podobě reproduktoru. Takové zesilovače nepotřebují ani D/A převodník nebo linkový budič pro návrhy třídy D s analogovým vstupem. Zastavěná plocha společně se systémovými náklady klesají a řešení se dále zjednodušuje.

Zjednodušený návrh systému

Většina zesilovačů s digitálním vstupem akceptuje pulzně-kódovou modulaci či data I²S vyžadující tři vodiče: BCLK, LRCLK a DIN. Datový formát s PCM u aplikačního procesoru nepotřebuje dle obr. 2 modulátor ani up-sampling. Některé starší zesilovače s PCM vstupem si také žádají čisté hodiny (master, MCLK), aby mohly získat vzorkovací hodiny bez jitteru. Novější zesilovače s PCM vstupem, jako jsou MAX98357 [1], MAX98360 [2] nebo též MAX98365 [3], se již ale bez vstupu MCLK obejdou, takže se nám počet vývodů, výkonová spotřeba, ale i složitost desky společně snižují.

Obr. 2  Systém se zesilovačem třídy D a vstupem PCM používá trojici vodičů. Ve spojení s aplikačním procesorem ale nevyžaduje modulátor ani up-sampling pro data

Starší zesilovače s digitálním vstupem nabízí nastavitelnou rychlost vzorkování a/nebo bitovou hloubku, což v některých případech vyžaduje složité nastavení zesilovače. Novější generace zesilovačů s digitálním vstupem již ale automaticky detekují celou řadu vzorkovacích rychlostí, resp. bitových hloubek a nakonfigurují se samy bez jakéhokoli programování.

V systémech s větším počtem kanálů omezují audio zesilovače třídy D s číslicovým vstupem počet vnějších kondenzátorů a také linek vedených na desce. K zajištění sterea či dat osmikanálového TDM stačí u vstupů PCM jen vodiče BCLK, LRCLK a DIN. Pouze pro srovnání, stereofonní zesilovač třídy D s analogovým vstupem bude zpravidla vyžadovat dva rozdílové vstupní signály, tedy čtyři vodiče společně s kondenzátory pro střídavou vazbu (viz také obr. 1 a 2).

Většina zesilovačů s digitálním vstupem potřebuje nízké napájecí napětí pro číslicovou část (1,8 V) a zároveň i vyšší napájení spojené s činností reproduktoru (2,5 V až 5,5 V). Návrh desky lze nyní zjednodušit a počet součástek dále snížit díky zesilovači třídy D s jedním napájením, jako je MAX98357 a také MAX98360. Obvod MAX98365 dokáže pracovat s jediným napájením 3,0 V až 5,5 V, resp. jedním napájením 1,8 V až 5,5 V a dalším v rozsahu 3,0 V až 14,0 V. Napětí pro vstupní číslicovou logiku přitom nesouvisí s napájecím napětím zmíněných součástek. U vstupní logiky se totiž můžeme pohybovat kdekoli od 1,2 V do 5,5 V, takže se obejdeme bez jakýchkoli posunů logických úrovní.

Odolnost vůči jitteru a generování hodin

S audio zesilovači třídy D vybavenými digitálním vstupem se obvykle pojí nový problém související s jitterem u hodinového signálu. K zajištění rozumné kvality audia bude většina zesilovačů s číslicovým vstupem vyžadovat docela nízké úrovně jitteru pro BCLK či MCLK. Tolerance vůči jitteru se v dokumentaci často ani neuvádí, a pokud ano, jedná se typicky o cca 200 ps (rms). Vysoké úrovně hodinového jitteru zpravidla zhoršují buď dynamický rozsah zesilovače, nebo jeho celkové THD+N.

Výstup referenčního oscilátoru pro aplikační procesor nebývá u řady systémů vhodným násobkem BCLK, takže zajistit pro zesilovač hodiny s nízkým jitterem nebývá jednoduché. Obvyklou frekvencí krystalu je např. při použití v GSM telefonech 13 MHz a pro video systémy pak 27 MHz. Ani jeden z těchto referenčních kmitočtů však nebude pohodlným násobkem vzorkovacích rychlostí 44,1 kSPS či 48 kSPS pro audio. Zmíněné aplikace proto k vytváření hodinového signálu pro audio systém často používají složitou smyčku PLL s N vyjádřeným pomocí zlomku. V některých případech si řešení vyžádá i samostatný referenční oscilátor pro audio, což jen zvyšuje složitost návrhu a prodlužuje rozpisku součástek.

Jiným a ještě lepším řešením však bude zesilovač s digitálním vstupem, který u hodinového signálu snese vysoký jitter, aniž by přitom docházelo k degradaci audio vlastností. S takovým zesilovačem pak bude klesat i složitost systému. V nejjednodušším případě lze při výrobě BCLK použít hodiny s vynecháváním cyklů, což ale znamená mimořádně vysoký jitter. Pokud referenční takt 13 MHz s vynecháváním cyklů použijeme k vytvoření BCLK 6,144 MHz (48 kSPS × 128 OSR), dosahuje jitter 38,4 ns (špička), resp. 22,2 ns (rms), viz také obr. 3. To již ale představuje o dva řády větší magnitudu jitteru, než dokáže většina D/A převodníků tolerovat.

Obr. 3  MCLK 12,288 MHz získaný z 25MHz taktu na základě vynechávání cyklů

Naše nové audio zesilovače třídy D však i s takovou „zátěží“ ze strany jitteru hodinového signálu stále vykazují dynamický rozsah přes 103 dB. Hodiny s vynecháváním cyklů lze na straně aplikačního procesoru vytvořit s malým počtem číslicových hradel. Nové součástky proto nevyžadují oscilátor ani filtr smyčky, tak jako je tomu v případě řešení s PLL – viz obr. 4.

Obr. 4  Smyčka PLL s N vyjádřeným pomocí zlomku vs. implementace s hodinami na základě vynechávání cyklů

Odolnost vůči jitteru a výsledky testů

Testy prokázaly, že dynamický rozsah obvodů MAX98357, MAX98360 a MAX98365 se nezhoršuje díky hodinám zatíženým kvůli vynechávání cyklů jitterem. Takové součástky pak i s hodinami stiženými jitterem předčí 120dB D/A převodníky o více než 20 dB. Více informací na téma odolnosti vůči jitteru u D/A převodníků typu sigma – delta naleznete v souvisejícím článku [4].

Obr. 5  Ke zhoršení dynamického rozsahu v případě jitteru hodinového signálu s vynecháváním cyklů na úrovni 11,5 ns (rms)

Závěr

Audio zesilovače třídy D bez filtrů a s digitálním vstupem umožňují jednoduchý návrh na úrovni desky bez I²C, MCLK, posunu úrovní a také bez filtrace EMI. Nabídnou vysokou účinnost, nízké EMI a vysoký výstupní výkon. Obvody MAX98357 a MAX98360 jsou k dispozici v pouzdrech typu WLP či QFN a mohou dodat výstupní výkon 3,2 W. V případě MAX98365 se pak bude jednat o provedení WLP a 17,6 wattů.

Odkazy:

[1] Obvody MAX98357, https://www.analog.com/en/products/max98357a.html

[2] Obvody MAX98360, https://www.analog.com/en/products/max98360a.html

[3] Obvody MAX98365, https://www.analog.com/en/products/max98365.html

[4] Matt Felder, Patrick Gallagher a Brian Donoghue, Analyzing Audio DAC Jitter Sensitivity, EDN Network, září 2012, http://www.edn.com/design/analog/4397389/Analyzing-audio-DAC-jitter-sensitivity