Микросхема MAX98357A/MAX98357B это простой в использовании, недорогой цифровой усилитель Class D, работающий по входу с модуляцией pulse-code modulation (PCM). Он предоставляет параметры, аналогичные лидерам рынка усилителей Class AB, с эффективностью усилителей Class D. Цифровой интерфейс I2S автоматически распознает до 35 различных схем тактирования PCM и TDM, что устраняет необходимость программирования через I2C. Функционирование дополнительно упрощается, так как не нужен внешний сигнал MCLK, который обычно используется для PCM-обмена данными. Возможно простое подключение - только источник питания, сигналы LRCLK, BCLK, и усилитель будет воспроизводить цифровой звук. Новая схема контактов позволяет клиентам использовать экономичный корпус WLP без необходимости дорогостоящих переходных отверстий (дополнительную информацию см. в апноуте [2]).

Цифровой аудиоинтерфейс отличается высокой гибкостью: MAX98357A поддерживает I2S данные, а MAX98357B - данные с выравниванием по левому краю (left-justified data). Обе микросхемы поддерживают 8-канальные мультиплексированные с временным разделением каналов (TDM) данные. Цифровой аудиоинтерфейс поддерживает заданную частоту дискретизации между 8 и 96 кГц для всех поддерживаемых форматов данных. Микросхемы могут быть сконфигурированы для создания левого канала, правого канала или (left/2 + right/2) выходного сигнала из входных стереофонических данных. Микросхемы работают с использованием 16/24/32-битовых данных для режимов I2S и выравнивания по левому краю, а также 16-битовых или 32-битовых данных с использованием режима TDM. IC устраняют необходимость во внешнем сигнале MCLK, который обычно используется для PCM-обмена данными. Это уменьшает помехи (EMI) и возможные проблемы с соединением плат, а также уменьшает размер и количество контактов интегральных схем.

Микросхемы MAX98357A/MAX98357B также характеризуются очень высоким допуском широкополосного джиттера на сигналах BCLK и LRCLK (типовое значение 12 нс), чем обеспечивается надежная работа звуковой системы.

Технологии active emissions-limiting, edge-rate limiting и схема управления перерегулированием (overshoot control) значительно снижают EMI. Бесфильтровая схема модуляции с расширенным спектром исключает необходимость фильтрации выходного сигнала в традиционных устройствах класса D и уменьшает количество компонентов в конечном решении.

Микросхемы доступны в корпусах 9-pin WLP (1.345 мм x 1.435 мм x 0.64 мм) и 16-pin TQFN (3 мм x 3 мм x 0.75 мм), и они могут работать в диапазоне температур -40°C .. +85°C.

Основные функции:

● Работа от одного источника питания (2.5V .. 5.5V)
● Выходная мощность P_OUT = 3.2 ватт на нагрузке R_L = 4 Ом при питании 5V
● Ток покоя 2.4 мА
● КПД 92% (R_L = 8 Ом, P_OUT = 1 ватт)
● Шум на выходе 22.8μV_RMS (A_V = 15dB)
● Низкий коэффициент искажений 0.013% THD+N на частоте 1 кГц
● Не требуется тактовый сигнал MCLK
● Частоты дискретизации звука от 8 до 96 кГц
● Поддеживаются режимы выхода Left, Right или (Left/2 + Right/2)
● Продвинутая технология управления скоростью перепада на выходе позволяет устранить необходимость выходных фильтров (Edge Rate Control Enables Filterless Class D Outputs)
● 77dB PSRR на частоте 1 кГц
● Low RF Susceptibility Rejects TDMA Noise from GSM Radios
● Extensive Click-and-Pop Reduction Circuitry
● Надежная защита от короткого замыкания и перегрева
● Размеры корпусов, экономящие место на печатной плате: 1.345mm x 1.435mm WLP (шаг выводов 0.4mm) и 3mm x 3mm TQFN
● Рекомендуемое решение по разводке с одним развязывающим конденсатором займет место 4.32 mm²

Возможные области применения:

● Устройства, питающиеся от одной Li-ion ячейки или от 5V
● Умные колонки
● Ноутбуки, планшеты, смартфоны, камеры
● IoT-устройства
● Игровые устройства со звуковой и тактильной обратной связью для интерфейса пользователя

[Особенности подключения и работы]

- Связка с микроконтроллерами: идеально подходит для плат ESP32, Arduino и Raspberry Pi, часто используется для сборки интернет-радио или голосовых ассистентов.

- Выводы подключения: основные линии — BCLK (битовый клок), LRC (синхронизация каналов) и DIN (данные).

- Смешивание каналов: по умолчанию стереовход (левый и правый каналы) смешивается в пропорции 50/50 для моно-выхода. Конфигурацию можно изменить пайкой резисторов для вывода только левого (L) или только правого (R) канала.

Упрощенная блок-схема:

Цоколевка выводов корпусов WLP и TQFN:

Назначение выводов:

[Подробное функциональное описание]

MAX98357A/MAX98357B это цифровые усилители мощности звука PCM input Class D. MAX98357A принимает стандартные данные I2S через сигналы DIN, BCLK и LRCLK, а MAX98357B принимает на тех же входах данные, выровненные влево (left-justified data). Обе версии также принимают данные TDM 16-bit или 32-bit, количество слотов до 8. Цифровые интерфейсы звука не нуждаются во внешнем сигнале MCLK, который обычно требуется для передачи данных I2S.

~SD_MODE. Этот вход обслуживает две задачи одновременно:

1. Shutdown (выключение) — если подать низкий уровень (GND), чип переходит в режим пониженного энергопотребления (менее 0.6 мкА). Выходной каскад переводится в высокоимпедансное состояние.

2. Выбор канала (Channel Select) — если оставить вывод высоким, он определяет, какой аудиоканал (левый, правый или их смесь) будет воспроизводиться.

Цифровой интерфейс звука MAX98357A/MAX98357B (digital audio interface, DAI) включает в себя подавление низких частот и постоянной составляющей (DC blocker) со спадом -3 dB на частоте 3.7 Гц.

Модели MAX98357A/MAX98357B отличаются низким током покоя, технологией подавлением щелчков на выходе и отличным RF-иммунитетом. Интегральные микросхемы обеспечивают производительность аудио класса AB и эффективность класса D при минимальном занимаемом пространстве на печатной плате. Усилитель класса D имеет модуляцию spread-spectrum (модуляция с расширением спектра) со схемой управления граничной скоростью и перерегулированием, которая предлагает значительные улучшения в плане RF-излучения выходным каскадом усилителя. Усилитель оснащен функцией подавления щелчков, которая уменьшает слышимые переходные процессы при запуске и выключении. Усилитель также включает в себя защиту от термической перегрузки и короткого замыкания выхода.

Режимы цифрового audio-интерфейса. Цифровой звуковой интерфейс поддерживает частоты дискретизации от 8 до 96 кГц, разрядность выборок 16, 24, 32 бита для данных I2S обычного формата и с левым выравниванием, а также для формата TDM с количеством тайм-слотов до 8, разрядностью 16-bit или 32-bit. Когда у сигнала LRCLK скважность 50%, формат определяется типом применяемой микросхемы (MAX98357A/MAX98357B). Когда используется импульс кадра для LRCLK, формат данных автоматически конфигурируется в режиме TDM. Импульс кадра показывает начало первого тайм-слота.

MCLK не нужен. MAX98357A/MAX98357B устраняют необходимость во внешнем сигнале тактов MCLK, который обычно используется для PCM-обмена данными. Этот факт уменьшает помехи и возможные проблемы развязки на печатной плате, также уменьшается необходимое место на печатной плате и необходимое количество выводов для подключения.

Допуск на джиттер BCLK (таблица 1). Микросхемы MAX98357A/MAX98357B обладают устойчивостью цифрового аудиоинтерфейса чипа к джиттеру (дрожанию) тактовых сигналов — BCLK (Bit Clock) и LRCLK (Left/Right Clock). Это показатель того, насколько «неровными» могут быть тактовые импульсы, прежде чем чип начнёт ошибаться в приёме данных.

Таблица 1. Допуск на джиттер.

0.5 нс для RMS джиттера ниже 40 кГц - это допуск на НЧ дрожание. Такой джиттер вызван медленными процессами: температурным дрейфом, фазовыми шумами PLL, нестабильностью генератора. Он «размазан» во времени и проявляется как медленная рассинхронизация. Допуск здесь очень жёсткий (0.5 нс), потому что низкочастотный джиттер напрямую влияет на качество звука — вносит искажения в восстанавливаемый сигнал.

12 нс для широкополосного RMS джиттера — это допуск на высокочастотное дрожание. Такой джиттер вызван быстрыми процессами: перекрёстными помехами, шумами питания, отражениями в линиях, электромагнитными наводками. Он «размазан» по широкому спектру. Допуск здесь значительно мягче (12 нс), потому что высокочастотный джиттер в основном «усредняется» на тактовых фронтах и меньше влияет на точность выборки данных.

Eказанные допуски по джиттеру действуют при условии, что динамический диапазон остаётся выше 98 dB. То есть чип гарантирует, что даже при джиттере в пределах этих значений он не теряет разрешающую способность и не вносит заметных шумов в сигнал. Динамический диапазон > 98 dB означает, что соотношение между самым громким и самым тихим воспроизводимым сигналом превышает 98 dB — очень высокий показатель для аудио.

Полярность BCLK (таблица 2). В режиме работы I2S/left-justified поступающие данные всегда вдвигаются по фронту нарастания уровня BCLK. В режиме TDM микросхема MAX98357A вдвигает последовательные данные по фронту BCLK, в то время как MAX98357B вдвигает данные по спаду BCLK.

Таблица 2. Полярность BCLK.

Полярность LRCLK (таблица 3). LRCLK определяет, какие данные в настоящий момент считываются цифровым интерфейсом звука - данные левого канала или данные правого канала. MAX98357A указывает слово левого канала при низком уровне LRCLK, а MAX98357B указывает слово левого канала при высоком уровне LRCLK.

Таблица 3. Полярность LRCLK.

LRCLK поддерживает только частоты 8, 16, 32, 44.1, 48, 88.2 и 96 кГц, частоты 11.025, 12, 22.05 и 24 кГц не поддерживаются. Не снимайте LRCLK, когда присутствует BCLK, иначе это может привести к непредсказуемому поведению, включая большое постоянное выходное напряжение.

Standby Mode. Микросхемы автоматически входят в режим приостановки (standby mode), когда снимается BCLK (BCLK перестает переключаться). В standby-режиме динамик Class D выключается, и выходы переходят в состояние высокого сопротивления, чем гарантируется отсутствие в нагрузке нежелательного тока. Standby-режим уменьшает потребление энергии для обычного режима работы (340 мкА), однако не достигает потребления режима полного выключения (full shutdown 0.6 мкА). Standby-режим может использоваться для уменьшения потребления энергии, когда нет свободных выводов GPIO микроконтроллера, чтобы перевести уровень SD_MODE в лог. 0.

Цифровые фильтры DAC. Цифро-аналоговый преобразователь (digital-analog converter, DAC, ЦАП) обладает функцией цифровой фильтрации, которая конфигурируется автоматически в зависимости от того, какой звук воспроизводится - голос или музыка (т. е. зависит от используемой частоты выборок, sample rate). Этот фильтр устраняет эффект наложения спектра (aliasing) и любой другой высокочастотный шум, который иначе мог появиться на выходе. В таблице 4 показаны автоматически выбираемые настройки цифрового фильтра.

Таблица 4. Настройки цифрового фильтра.

~SD_MODE и функция выключения (shutdown). В микросхемах реализован режим низкого энергопотребления, или режим выключения (low-power shutdown mode), с током потребления меньше 0.6 мкА (типовое значение). В состоянии shutdown все внутренние блоки выключены, включая установку выходов драйвера на высокое сопротивление. Переведите уровень ~SD_MODE в лог. 0, чтобы активировать shutdown.

Также состояние ~SD_MODE определяет, какой звуковой канал отправляется на выход усилителя (см. таблицу 5 далее).

Переведите ~SD_MODE в высокий уровень, чтобы выбрать слово левого канала в stereo входных данных. Подключение ~SD_MODE к высокому уровню через резистор достаточно малого номинала (RSMALL) выберет правое слово в stereo входных данных. Подключение ~SD_MODE к высокому уровню через резистор достаточно большого номинала (RLARGE) выберет левое и правое слово в stereo входных данных (left/2 + right/2). Значения RLARGE и RSMALL определяются по напряжению V_DDIO (напряжение логики интерфейса управления), и их номиналы определяются по формулам:

R_SMALL (кОм) = 94.0 x V_DDIO - 100
R_LARGE (кОм) = 222.2 x V_DDIO - 100

Когда устройства конфигурируются в режиме левого канала (на ~SD_MODE напрямую подан высокий логический уровень интерфейса управления), следует избегать нарушения ограничений Absolute Maximum Ratings для ~SD_MODE (см. соответствующую таблицу врезки "Параметры MAX98357A/MAX98357B" выше). Обеспечение условий, когда V_DD всегда больше, чем V_DDIO - один из способов предотвращения нарушения Absolute Maximum Ratings для ~SD_MODE. Если это невозможно в реальном приложении (например если V_DD < 3.0V и V_DDIO = 3.3V), то необходимо добавить небольшой резистор (~ 2 кОм) последовательно с ~SD_MODE, чтобы ограничить входящий ток для вывода ~SD_MODE. Это не является проблемой при использовании режимов правого канала или (левый/2 + правый/2).

На рис. 4 и рис. 5 показано, как подключить внешний резистор к ~SD_MODE, когда используется драйвер с открытым стоком (open-drain) или двухтактный драйвер (push-pull).

Рис. 4. Резистор ~SD_MODE, подключаемый с использованием драйвера с открытым стоком (Open-Drain Driver).

Рис. 5. Резистор ~SD_MODE, подключаемый с использованием двухтактного драйвера (Push-Pull Driver).

Startup. За исключением режима BCLK = 256 кГц, единственной необходимой последовательностью для запуска является то, что LRCLK должен запуститься в течение 1/2 LRCLK периода запуска BCLK.

Когда используется режим BCLK = 256 кГц, накладываются дополнительные требования для правильного включения:

1) BCLK и LRCLK не должны прикладываться до того, как микросхема разрешена.

2) BCLK и LRCLK должны стартовать с лог. 0, с переходом в лог. 1.

3) После того, как V_DD станет > 2.3V И уровень SD_MODE лог. 1, должно пройти 10 мкс ожидания до запуска сигналов BCLK и LRCLK.

4) LRCLK должен запуститься как минимум на 1/2 BCLK позже запуска BCLK.

5) LRCLK должен запуститься не более чем 1/2 LRCLK после запуска BCLK.

6) LRCLK должен завершить полный цикл; не должно быть не завершенных циклов (no partial LRCLK cycles).

7) Будучи запущенными, BCLK и LRCLK должны оставаться на частотах переключения 256 кГц и 8 кГц соответственно, и их работа не должна прерываться во время работы устройства. Если нужно остановить BCLK и LRCLK, SD_MODE должен быть сначала переведен в уровень 0V. Последующие запуски с BCLK = 256 кГц и LRCLK = 8 кГц должны следовать шагам 1-6.

Рис. 6 показывает пример, когда V_DD достигает максимума UVLO до применения ~SD_MODE. В этом примере присутствует 10 мкс ожидание после прикладывания SD_MODE.

Рис. 6. Требуемая последовательность startup, когда используется BCLK = 256 кГц.

Режимы I2S и Left Justified. MAX98357A следует стандартному таймингу I2S, позволяя задержку на 2 цикл BCLK после перепада LRCLK до начала нового слова данных (рис. 7 и рис. 8). MAX98357B следует спецификации тайминга левого выравнивания данных (left justified), когда перепады LRCLK выравниваются с началом нового слова данных (рис. 9 и рис. 10). LRCLK поддерживает только частоты 8, 16, 32, 44.1, 48, 88.2 и 96 кГц, частоты 11.025, 12, 22.05 и 24 кГц не поддерживаются. Не снимайте LRCLK, когда присутствует BCLK, иначе это может привести к непредсказуемому поведению, включая большое постоянное выходное напряжение.

Рис. 7. Тайминг цифрового аудиоинтерфейса MAX98357A, режим I2S, 16-bit разрешающей способности.

Рис. 8. Тайминг цифрового аудиоинтерфейса MAX98357A, режим I2S, 16-bit разрешающей способности.

Рис. 9. Тайминг цифрового аудиоинтерфейса MAX98357B, режим Left-Justified, 16-bit разрешающей способности.

Рис. 10. Тайминг цифрового аудиоинтерфейса MAX98357B, режим Left-Justified, 32-bit разрешающей способности.

Режим выхода цифрового аудиоинтерфейса выбирается по напряжению на выводе ~SD_MODE. Таблица 5 показывает, как выбираются доступные режимы. Пороги B0–B2 показаны выше во врезке "Параметры MAX98357A/MAX98357B", см. секцию "Пороговые напряжения внутреннего компаратора на входе ~SD_MODE". Значения pullup-резисторов ~SD_MODE, т. е. RSMALL и RLARGE, зависят от уровня напряжения V_DDIO. См. в таблице 6 пример для значений pullup-резисторов.

Таблица 5. Управление ~SD_MODE.

Таблица 6. Примеры значений pull-up резисторов ~SD_MODE.

Режим TDM. Этот режим определяется автоматически по короткому синхроимпульсу канала на LRCLK. Схема частотного детектора определяет ширину бита. В режиме TDM микросхемы MAX98357A/MAX98357B имеют фиксированное усиление 12dB. GAIN_SLOT и SD_MODE используются для выбора, какой из 8 каналов данных TDM будет использоваться. Таблица 7 показывает подключение GAIN_SLOT и SD_MODE для выбора канала. Для MAX98357A данные достоверны по фронту нарастания BCLK. Для MAX98357B данные достоверны по спаду уровня BCLK.

Таблица 7. Выбор канала в режиме TDM.

Рис. 11, 12, 13 и 14 иллюстрируют работу TDM, когда для LRCLK используется синхроимпульс кадра. В режиме TDM здесь должно быть 128 (16-bit режим) или 256 (32-bit режим) периодов BCLK на кадр. В режиме TDM микросхемы принимают только данные с форматом 16-bit или 32-bit, и может быть выбран любой из 8 слотов TDM.

Рис. 11. Тайминг MAX98357A TDM 16-Bit DAI.

Рис. 12. Тайминг MAX98357A TDM 32-Bit DAI.

Рис. 13. Тайминг MAX98357B TDM 16-Bit DAI.

Рис. 14. Тайминг MAX98357B TDM 32-Bit DAI.

Class D Speaker Amplifier. Усилитель класса D для динамиков, без фильтров на выходе дает лучшую эффективность по сравнению с усилителями класса AB. Это достигается за счет ключевого режима работы транзисторов выходного каскада в классе D. Любые потери мощности выходного каскада класса D происходят только из-за потерь на сопротивлении открытого канала MOSFET (эти потери вычисляются по формуле I²R) и дополнительного незначительного тока утечки в режиме тишины.

Выходной каскад без фильтров, с низким EMI. Традиционные усилители Class D требуют использования на выходе внешних LC-фильтров или экранирования, чтобы удовлетворять регуляторным требованиям стандарта EN55022B по электромагнитным излучениям (electromagnetic-interference, EMI). Активная схема ограничения излучения путём управления скоростью фронтов и модуляция с расширением спектра от компании Maxim снижают электромагнитные помехи, сохраняя КПД до 92%.

Режим модуляции с расширением спектра от Maxim выравнивает широкополосные спектральные компоненты, а запатентованные методы гарантируют, что изменение периода переключения от цикла к циклу не ухудшает воспроизведение звука и КПД. Модулятор расширения спектра MAX98357A/MAX98357B случайно меняет частоту переключения на ±20 кГц около средней частоты (300 кГц). Выше 10 МГц широкополосный спектр с точки зрения EMI выглядит как шум (рис. 15).

Рис. 15. EMI с кабелем динамика 12 дюймов без фильтра на выходе.

Ограничение тока динамика. Если выходной ток усилителя превышает предельное значение (обычно 2.8A), то микросхема запрещает выходы примерно на 100 мкс. По окончанию этой задержки работа выходов восстанавливаются. Если состояние перегрузки сохраняется, то микросхема продолжает запрещать и разрешать работу выхода, пока чрезмерная нагрузка на выходе не будет устранена.

Выбор усиления. Микросхемы MAX98357A/MAX98357B предоставляют 5 вариантов программируемого усиления, выбор осуществляется с помощью входа GAIN_SLOT, и это работает только в режимах I2S/left justified. Усиление отсчитывается от полного диапазона выхода ЦАП, который составляет 2.1 dBV (Таблица 8).

Таблица 8. Выбор усиления.

В режиме TDM усиление автоматически устанавливается в фиксированное значение 12dB. При условии, что желаемый размах выходного сигнала не ограничен напряжением питания, выходной уровень микросхемы можно рассчитать по уровню цифрового входного сигнала и выбранному усилению усилителя согласно следующему уравнению:

Уровень сигнала на выходе (dBV) = уровень сигнала на входе (dBFS) + 2.1dB + выбранное усиление (dB)

В данной формуле принято соглашение, что цифровой сигнал 0dBFS соответствует аналоговому уровню 0dBV (1.0V RMS) до усиления.

Подавление переходных процессов (Click-and-Pop Suppression). В микросхемах усилителя встроена продвинутая технология подавления щелчков от Maxim. При включении схема подавления щелчков и хлопков снижает слышимые переходные процессы внутри устройства, плавно увеличивая входной сигнал от состояния "mute" до 0dB. При переходе в режим shutdown дифференциальные выходы динамика одновременно падают до GND.

Комплексное подавление щелчков и хлопков в MAX98357 не зависит от порядка подачи и снятия питания. Подача тактирования DAI перед или после изменения SD_MODE работает в плане подавления щелчков одинаково.

У MAX98357 при входе в shutdown действительно нет плавного снижения громкости (ramp-down). Его реакция на shutdown — мгновенное отключение выхода, а не плавное "съезжание" от 0dB к mute, как при старте. Но это не означает, что появится раздражающий "хлопок" — чип использует другой механизм подавления шума при выключении. Для оптимального подавления щелчков и хлопков плавно сведите цифровые данные на входе SDIN к нулю перед отключением питания MAX98357.

[Информация по применению]

Рис. 16. Работа в режиме левого канала PCM с усилением 6dB.

Примечание (*): левый канал, когда на GPIO лог. 1. MAX98357A/MAX98357B выключается, когда на GPIO лог. 0.

Рис. 17. Работа в режиме левого канала PCM с усилением 12dB.

Примечание (*): левый канал, когда на GPIO лог. 1. MAX98357A/MAX98357B выключается, когда на GPIO лог. 0.

Рис. 18. Работа в режиме правого канала PCM с усилением 6dB.

Примечания:

(*): левый канал, когда на GPIO лог. 1. MAX98357A/MAX98357B выключается, когда на GPIO лог. 0.
(**) при 69.8 кОм подразумевается, что V_GPIO = 1.8V.

Рис. 19. Работа в режиме левого и правого канала (Left/2 + Right/2) PCM с усилением 6dB.

Примечания:

(*): левый канал, когда на GPIO лог. 1. MAX98357A/MAX98357B выключается, когда на GPIO лог. 0.
(**) при 300 кОм подразумевается, что V_GPIO = 1.8V.

Рис. 20. Стерео PCM с двумя микросхемами.

Примечания:

(*): левый канал, когда на GPIO лог. 1. MAX98357A/MAX98357B выключается, когда на GPIO лог. 0.
(**) при 69.8 кОм подразумевается, что V_GPIO = 1.8V.

Рис. 21. 4-канальная работа TDM (с фиксированным усилением 12dB).

Примечание (*): когда на GPIO лог. 1, микросхемы выводят звук каналов 0 .. 3.

Функциональная диаграмма микросхем:

Безфильтровый Class D. Традиционные усилители класса D требуют на выходе наличие фильтра для восстановления звукового сигнала. Из-за фильтра увеличивается стоимость, размеры усилителя, уменьшается эффективность и ухудшаются параметры THD+N. Специальная технология модуляции у микросхем MAX98357A/MAX98357B позволяет исключить фильтр на выходе. Используется индуктивность катушки динамика, а также объединенная механическая фильтрация громкоговорителя и уха человека, в результате чего из прямоугольного высокочастотного прямоугольного выходного сигнала восстанавливается звуковой компонент. Поскольку частота переключения выходного каскада находится за пределами воспроизведения большинства громкоговорителей, перемещение катушки динамика на этой частоте получается очень незначительным. Используйте динамики с последовательной индуктивностью больше 10 мкГн. Типовые динамики 8 Ом обладают последовательной индуктивностью в диапазоне от 20 до 100 мкГн.

Вход питания. Микросхема может получать питание V_DD в диапазоне от 2.5V до 5.5V. Используйте блокирующие конденсаторы емкостью 0.1 мкФ и 10 мкФ между V_DD и GND. В некоторых приложениях достаточно одного общего конденсатора 10 мкФ по питанию. Добавьте дополнительную повышенную ёмкость у микросхем, если между V_DD и источником питания используются длинные дорожки разводки питания.

Разводка и заземление. Правильная разводка печатной платы и организация заземления очень важны для достижения оптимальной производительности. Хорошее заземление улучшает параметры звука и предотвращает проникновение шума переключения в аудиосигнал.

Используйте толстые, низкоомные выходные проводники. С уменьшением сопротивления нагрузки растет ток потребления и ток на выходе. При повышенном токе на выходе на сопротивлении проводников теряется мощность, которая не попадает в нагрузку. Например, если 2 ватта передается на динамик с сопротивлением 4 Ом через проводники с общим сопротивленем 100 мОм, то до динамика доходят только 1.904 ватт. Если общее сопротивление выходной цепи 10 мОм, то до динамика доходит 1.951 ватт. Широкие проводники выхода, питания и земли также улучшают рассеивание мощности на микросхемах усилителя. Паразитная емкость выходных проводников приводит к увеличению тока покоя пропорционально формуле V_DD x 300 кГц x CPARASITIC.

Например, при V_DD = 5V и общей паразитной емкости 100 пФ (по 50 пФ на каждом выходном проводнике), увеличение тока тишины составит 5 x 300 кГц x 100 пФ = 150 мкА.

Микросхемы изначально спроектированы с отличной устойчивостью к радиочастотным помехам. Для наилучшей производительности добавьте заливку медью цепи GND вокруг всех сигнальных дорожек на верхнем или нижнем слое печатной платы.

Усиления 6dB, 9dB и 12dB выбираются без использования переходного отверстия (via) и без вывода центрального шарика (bump) из WLP-корпуса. Это упрощает разводку печатной платы и удешевляет её производство. Ниже приведен пример разводки для установки усиления 12dB. Центральный шарик закорочен на соседний шарик вывода GND. См. апноут [2] для дополнительной информации.

Рис. 22. Подключение для усиления 12dB без переходного отверстия на корпусе WLP.

Рис. 23. Пример разводки, сконфигурированной для вывода звука левого канала и усиления 12dB.

Рис. 24. Размеры шариков корпуса WLP микросхем MAX98357A/MAX98357B.

Информацию о покупке, размерам посадочных мест корпусов см. в оригинальном даташите [1].

[Программирование MAX98357A]

Ниже показан пример программирования микроконтроллера ESP32-C3 с использованием драйверов и библиотек тулчейна ESP-IDF v6.0.3. Важное изменение: в ESP-IDF v6.0 старый драйвер driver/i2s.h полностью удален, и код для MAX98357A необходимо писать с использованием нового API driver/i2s_std.h.

Ключевые изменения в ESP-IDF v6.0

При программировании MAX98357A на ESP-IDF v6.0 необходимо обратить внимание на следующие моменты:

- Старый драйвер удален: #include "driver/i2s.h" больше не работает, его необходимо заменить на #include "driver/i2s_std.h".

- Новый API на основе каналов: новая версия драйвера больше не управляет напрямую контроллером I2S, а управляет отдельными каналами через i2s_chan_handle_t. Вам потребуется сначала вызвать i2s_new_channel(), чтобы запросить канал TX, и только затем выполнять конфигурацию.

- Изменения в зависимостях компонентов: если в CMakeLists.txt все еще используется старая зависимость `REQUIRES driver`, то компиляция не пройдет. Необходимо заменить на `REQUIRES esp_driver_i2s`.

Аппаратное подключение (ESP32-C3)

Для ESP32-C3 можно выбрать любые доступные выводы GPIO в качестве сигналов I2S, так как ESP32-C3 обладает функцией матрицы переключения GPIO, и сигналы I2S не привязаны жестко к определенным выводам.

Справочная таблица подключения (на основе общих примеров):

Базовый пример кода

Ниже приведен минималистичный код app_main.c, использующий новый API для воспроизведения синусоидальной волны через MAX98357A:

#include < stdio.h>
#include < math.h>
#include "driver/i2s_std.h"
#include "driver/gpio.h"

// Определение выводов подключения MAX98357A
#define I2S_BCLK_GPIO   GPIO_NUM_5
#define I2S_WS_GPIO     GPIO_NUM_6
#define I2S_DOUT_GPIO   GPIO_NUM_7

// Дескриптор канала I2S
static i2s_chan_handle_t tx_handle;void app_main(void)
{
    // 1. Конфигурация контроллера I2S (включая запрос канала TX)
    i2s_chan_config_t chan_cfg = I2S_CHANNEL_DEFAULT_CONFIG(I2S_NUM_AUTO, I2S_ROLE_MASTER);
    // При необходимости можно настроить размер DMA-буфера
    // chan_cfg.dma_desc_num = 8;
    // chan_cfg.dma_frame_num = 240;

    ESP_ERROR_CHECK(i2s_new_channel(&chan_cfg, &tx_handle, NULL));

    // 2. Конфигурация стандартного режима I2S
    i2s_std_config_t std_cfg = {
        // Конфигурация тактового сигнала: 44100 Гц
        .clk_cfg = I2S_STD_CLK_DEFAULT_CONFIG(44100),
        // Конфигурация слота: 16 бит, стерео, формат Philips
        .slot_cfg = I2S_STD_PHILIPS_SLOT_DEFAULT_CONFIG(I2S_DATA_BIT_WIDTH_16BIT, I2S_SLOT_MODE_STEREO),
        // Конфигурация выводов GPIO
        .gpio_cfg = {
            .mclk = I2S_GPIO_UNUSED,
            .bclk = I2S_BCLK_GPIO,
            .ws   = I2S_WS_GPIO,
            .dout = I2S_DOUT_GPIO,
            .din  = I2S_GPIO_UNUSED,
            .invert_flags = {
                .mclk_inv = false,
                .bclk_inv = false,
                .ws_inv   = false,
            },
        },
    };
    // Примечание: для MAX98357A иногда может потребоваться формат MSB, если Philips работает некорректно.
    // В этом случае измените на: .slot_cfg = I2S_STD_MSB_SLOT_DEFAULT_CONFIG(...)

    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_init_std_mode(tx_handle, &std_cfg));

    // 3. Запуск канала TX
    ESP_ERROR_CHECK(i2s_channel_enable(tx_handle));

    // 4. Циклическая отправка простых данных синусоидальной волны
    size_t bytes_written = 0;
    const int sample_rate = 44100;
    const float frequency = 440.0f; // A4
    const float amplitude = 0.3f;   // Предотвращение искажений
    static int16_t buf[1024];       // Буфер

    while (1) {
        for (int i = 0; i < 1024; i += 2) {
            // Генерация синусоидальной волны (левый и правый каналы одинаковы)
            float t = (float)(i / 2) / sample_rate;
            int16_t sample = (int16_t)(amplitude * 32767 * sinf(2 * M_PI * frequency * t));
            buf[i] = sample;     // Левый канал
            buf[i + 1] = sample; // Правый канал
        }

        // Запись данных с ожиданием завершения в течение 100 мс
        i2s_channel_write(tx_handle, buf, sizeof(buf), &bytes_written, 100 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}

Ключевые моменты конфигурации для MAX98357A

При использовании MAX98357A в ESP-IDF v6.0 необходимо обратить внимание на следующие моменты:

1. Формат данных: MAX98357A поддерживает форматы Philips и MSB. Стандартный формат Philips обычно работает нормально, но если при воспроизведении звук искажен, попробуйте переключиться на формат MSB (I2S_STD_MSB_SLOT_DEFAULT_CONFIG).

2. Обработка стерео/моно: MAX98357A может выводить сигнал левого канала, правого канала или их комбинации в зависимости от конфигурации вывода SD. При генерации данных обычно рекомендуется заполнять левый и правый каналы одинаковыми данными (stereo duplication) для обеспечения стабильного звука.

3. Подавление шума при включении/выключении: во время переключения питания или старта/останова канала I2S могут возникать щелчки. В критичных приложениях можно перед запуском записать короткий фрагмент данных нулевой амплитуды для "предварительного прогрева".

Изменения в файлах конфигурации проекта

Чтобы код скомпилировался, необходимо изменить зависимости в main/CMakeLists.txt:

Старая версия (невозможна в v6.0):

idf_component_register(SRCS "main.c" REQUIRES driver)

Новая версия:

idf_component_register(SRCS "main.c" REQUIRES esp_driver_i2s)

Если также используется `gpio`, добавьте `esp_driver_gpio`.

[Ссылки]

1. MAX98357A/MAX98357B Tiny, Low-Cost, PCM Class D Amplifier with Class AB Performance site:analog.com.
2. Application Note 6643: Optimize Cost, Size, and Performance with MAX98357 WLP site:analog.com.