요약
전력이 많이 소모되는 디스플레이는 배터리로 구동되는 휴대용, 웨어러블, IoT 장치에 연결하는 가장 효율적인 매체가 아니다. 따라서 저전력 오디오는 점점 더 인기 있는 대안이 되고 있다. 본 설계 솔루션에서는 D 클래스 디지털 오디오 앰프를 검토하고 현재 솔루션의 일부 한계를 논의한 후, 이러한 응용에 빠르게 고품질 오디오를 제공하기 위해 최소한의 구성만 필요한 스마트하게 패키징된 IC를 소개한다.
소개
“Video Killed the Radio Star”—The Buggles의 1979년 히트곡은, 비디오(텔레비전 형태)가 시장에 진입했을 때, 오디오 엔터테인먼트가 사라지고 무선 AM/FM 라디오 수신기를 통해 제공되던 시기를 이야기한다(그림 1). 그 당시, 밴드는 휴대용 전자 기기가 우리가 선택한 어떤 영화도 즉시 재생하거나 영화 스튜디오 품질에 가까운 영상으로 우리의 일상을 기록할 수 있는 세상을 상상조차 할 수 없었을 것이다. 그러나, 동일하게 고품질의 오디오가 수반되어야만 고품질의 비디오를 감상할 수 있으며, 이후 수년 동안 사용자들의 오디오 경험은 무시할 수 없는 요소가 되었다. 오디오는 웨어러블, AR/VR, 소형 IoT 제품과 같은 휴대용 전자 기기에서 제공되는 무수한 복잡한 기능의 일부가 되었다. 사용자는 이러한 장치에서 나오는 오디오에 대해 큰 기대를 하지 않게 되었다. “결국, 그냥 휴대폰일 뿐이잖아”라는 말은 자주 반복되며 매우 익숙한 문구가 되었다.
그림 1. 라디오 수신기.
그러나, 웨어러블 기기와 IoT 기기의 급증과 함께, 반가운 변화가 일어나고 있다. 사용자와 설계자 모두, 크고 전력을 많이 소모하는 디스플레이가 배터리로 구동되는 휴대용 기기의 인터페이스에 적합하지 않다는 것을 인식하게 되었다. 따라서, 음성 및 오디오는 이러한 장치를 제어하고, 이러한 장치로부터 정보를 수신하는 데 있어 선호되는 매체로 빠르게 자리 잡고 있다. 사용자는 또한 현재 제공되는 것보다 더 나은 오디오 경험을 요구하고 있다. 그렇다, 설계자들은 휴대용 기기의 컴팩트한 폼팩터가 스피커 크기를 제한한다고 쉽게 탓할 수 있다. 그러나, 많은 경우 오디오 품질이 좋지 않은 것은 스피커 때문이 아니라, 오디오 품질을 구동하는 앰프 때문이다. 본 설계 솔루션에서는, 휴대용 전자 기기에 통합 및 구성하기 위한 디지털 D 클래스 앰프의 여러 어려움을 살펴본다. 그리고, 사용자가 타의 추종을 불허하는 감각적 경험을 얻을 수 있도록 매끄럽게 통합될 수 있는 소형, 저전력, D 클래스 디지털 오디오 앰프를 소개하며, 이를 통해 오디오가 휴대용 전자 제품과 상호작용하는 선호 매체로서 오디오 르네상스를 맞이하고 있음을 증명한다.
디지털 D 클래스 앰프
높은 효율과 우수한 EMI 성능으로 인해, 필터리스 디지털 입력 D 클래스 앰프는 소비자 전자 기기에서 스피커를 구동하는 표준으로 자리 잡았다. 이는 아날로그 대응 제품과 관련된 기판 설계 문제, 특히 신호 무결성의 영향을 받지 않기 때문이다. 모노 디지털 D 클래스 앰프는 기판의 원격 위치에 배치할 수 있어, 고전류 배터리 및 스피커 부하 연결의 배선을 최소화할 수 있다. 이러한 앰프는 아날로그 입력 D 클래스 설계에서 필요한 DAC 및 라인 드라이버가 필요하지 않다. 따라서, 공간과 시스템 비용이 감소하고, 설계가 더 간단해진다. 많은 D 클래스 앰프는 펄스 코드 변조(PCM) 또는 I²S 데이터를 수신하며, 이는 세 개의 라인, 즉 BCLK, LRCLK, DIN이 필요하다(그림 2). PCM 데이터 포맷은 스테레오 데이터를 제공하기 위해 애플리케이션 프로세서에 변조기나 데이터 오버샘플링을 필요로 하지 않는다.
그림 2. 세 개의 라인을 사용하는 PCM 입력 D 클래스
그러나, 디지털 입력 앰프의 일부 기존 구현 방식에는 몇 가지 단점이 있다. 이러한 한계 중 하나는 지터 없는 샘플링 클럭을 생성하기 위해 별도의 깨끗한 마스터 클럭(MCLK)이 필요하다는 것이다. 다른 앰프는 조절 가능한 샘플링 속도 및/또는 비트 깊이를 제공하지만, 이는 복잡한 프로그래밍을 요구할 수 있다. 또한, 대부분의 디지털 입력 앰프는 두 개의 전원 전압을 필요로 한다: 낮은 디지털 전원 전압(1.8V)과 높은 스피커 전원 전압(2.5V ~ 5.5V). 이와 관련된 또 다른 문제는 EMI이다. 고품질 오디오 응용을 위해, 많은 D 클래스 앰프는 EMI 영향을 제한하기 위해 추가 필터링이 필요하며, 이는 기판 크기/비용을 더욱 증가시킨다. 촉각 드라이버에 연결하기 위한 앰프를 선택할 때, 빠른 턴온 타임(수 밀리초 미만)이 매우 중요하며, 그렇지 않으면 해당 부품은 영구적으로 전원이 켜져 있어야 하며, 휴대용 기기의 배터리 소모가 더 빨라진다.
더 간단하고, 더 작게
그림 3에 표시된 IC는 이러한 모든 설계 문제를 해결하며, 더 간단하고, 더 작고, 더 낮은 전력 소모의 솔루션을 제공하는 추가적인 이점을 가지고 있다.
그림 3. MAX98360 디지털 D 클래스 앰프.
기존 D 클래스 앰프와 달리, 이 IC는 자동 샘플링 속도 및 비트 깊이 구성을 사용하여 복잡한 프로그래밍 없이 간단하고 효과적인 ‘플러그 앤 플레이’ 오디오 솔루션을 제공한다. I²S, Left-Justified, 8채널 시분할 다중화(TDM) 데이터 포맷을 지원하는 유연한 오디오 인터페이스를 갖추고 있다. 8kHz, 16kHz, 32kHz, 44.1kHz, 48kHz, 88.2kHz 및 96kHz 샘플링 속도를 수용할 수 있으며, 데이터 워드는 I²S 및 Left-Justified 모드에서 16비트, 24비트 또는 32비트일 수 있고, TDM 모드에서는 16비트 또는 32비트일 수 있다. 10μV RMS 출력 노이즈, 80dB PSRR, 110dB 다이내믹 레인지 스펙은, 귀 근처에 스피커가 위치하는 장치(예: AR/VR 및 웨어러블)나 조용한 환경(수면 보조 기기)에서 사용될 때 고품질 오디오를 보장한다.
다른 D 클래스 앰프와 비교할 때, 이 앰프는 여러 가지 전력상의 이점을 가진다. 단일 전원 전압(2.5V ~ 5.5V)만으로 동작할 수 있다. 입력 로직 전압 레벨은 1.2V까지 낮게 수용할 수 있어(레벨 시프터가 필요 없음), 최대 5.5V의 입력 전압도 견딜 수 있을 만큼 강력하다. 또한 최대 92%의 효율로 동작하여 배터리 소모를 줄인다.
또 다른 유용한 기능은, DAIn 핀이 Low로 유지되면 IC가 자동으로 초저전력 모드로 들어가며, 이 모드에서 1.5μA의 극소 대기 전류만 소비한다. 이는 전력 소모를 크게 줄이며, EN 핀을 제어할 수 있는 호스트 GPIO가 없는 애플리케이션에 특히 유리하다. 그러나, EN 핀을 사용하면 IC를 셧다운 모드로 두어 추가 전력 절감이 가능하며, 이 모드에서는 단지 15nA의 전류만 소비한다.
편리하게도, 이 IC는 매우 빠른 1ms 턴온 타임을 가지고 있어(유사 D 클래스 앰프보다 4배 빠름), 초저전력 1.5μA 대기 모드에서 대기할 수 있으며, LRA 촉각 드라이버에 연결된 경우에도 동일하다.
이 IC에는 기판 크기/비용을 최소화하는 데 도움이 되는 다른 주목할 만한 장점들도 있다. 먼저, 1.9mm² 9핀 WLP 초소형 패키지를 사용하며, 비싼 기판 비아의 필요성을 없애도록 설계된 스마트한 핀 배치를 가지고 있다. 그림 4에 표시된 바와 같이, GAIN_SLOT 핀(패키지 중앙에 위치)은 VDD 또는 GND에 직접 연결하거나(또는 저항을 사용해 연결) 연결하지 않고 둘 수 있으며, 표 1에 나와 있는 바와 같이 I²S/Left-Justified 이득 설정을 제공한다.
그림 4. 원하는 이득 설정을 위해 GAIN_SLOT을 VDD 또는 GND에 연결.
표 1. MAX98360의 I²S/Left-Justified 이득 설정.
둘째, 이 부품은 추가적인 D 클래스 필터 없이도 그림 5에 표시된 우수한 EMI 성능을 구현할 수 있다. 단일 외부 바이패스 커패시터만 필요하므로, 전체 솔루션 크기는 3.69mm²에 불과하다.
그림 5. 12인치 스트립라인 부하에서의 MAX98360 EMI 성능.
요약
오디오 인터페이스가 배터리로 구동되는 웨어러블, IoT 기기 및 기타 유형의 소형 휴대용 전자 기기의 일반적인 기능으로 빠르게 자리 잡음에 따라, 설계자들은 장치에 고품질 오디오를 추가하기 위한 더 간단하고 비용 효율적인 방법을 찾고 있다. 본 설계 솔루션에서는 일부 D 클래스 앰프를 공간 제약이 있는 응용 분야에 통합하는 데 따른 어려움을 검토하였다. 결론적으로, 새로운 유연하고 저전력의 디지털 입력 D 클래스 오디오 앰프는 어떤 유형의 전자 기기에 오디오를 통합하는 작업에 ‘플러그 앤 플레이’의 간단함을 제공하여, 휴대용 기기, 웨어러블 및 IoT 기기에 이상적인 선택이 된다. MAX98360은 9핀 WLP 패키지 외에도 10핀 FC2QFN 패키지로 제공된다.
