高能效音頻延長電池壽命

　　摘要：芯片的復(fù)雜度不斷提升以滿足消費(fèi)電子產(chǎn)品的需求，這需要更低成本、更小尺寸、更低功耗的解決方案。這需要為ADC、DAC、耳機(jī)驅(qū)動器及揚(yáng)聲器驅(qū)動器帶來新的理念，來改善在消費(fèi)電子產(chǎn)品中音頻信號鏈的能源效率。本文講解了在這些領(lǐng)域中各自的一些技術(shù)。

　　歐勝為消費(fèi)性音頻應(yīng)用設(shè)計(jì)混合信號芯片已經(jīng)超過十年。在這期間，芯片的復(fù)雜性從一片芯片上只有單一的立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，增加到了在一片芯片上集成多個數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以及音頻數(shù)字信號處理器(DSP)，以滿足消費(fèi)電子市場永遠(yuǎn)嚴(yán)苛的需求。這因?yàn)楦统杀尽缀纬叽绺?xì)以及更大量的需求而變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

　　渴望一直在增長，或者至少在維持，模擬性能在不斷隨之發(fā)展;但是在這些更小的晶體管上，可承受的最大電壓也在減小。如果電壓減半，必然噪音也需要減半以維持性能，這意味著晶體管電流會達(dá)到原來的四倍，功率消耗會達(dá)到原來的二倍。此外，由于級聯(lián)各種模擬電路級來滿足現(xiàn)代系統(tǒng)更復(fù)雜的功能要求，信噪比(SNR)則進(jìn)一步降低。例如拿兩個100dB的電路，把它們級聯(lián)在一起，最后會得到一個97dB的通路。模擬煩惱變得更糟糕。

　　在數(shù)字領(lǐng)域中，更小的晶體管在更低的電壓下運(yùn)行，擁有更低的柵電容。由于邏輯門的功率消耗與產(chǎn)品的電容和電壓近乎成比例，所以它的整體性能變得更好。

　　提升能源效率及模擬性能的方法是用數(shù)字部分來增強(qiáng)模擬性能。每種硅工藝都可進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和仿真，以探求其最佳平衡點(diǎn)。隨著我們已經(jīng)從0.5µm轉(zhuǎn)到0.35µm、再到0.18µm甚至更小線寬，很明顯級聯(lián)電路級對功率消耗和信噪比的幫助越來越小。這意味著在一塊芯片上，采用模擬混音將多個輸入連接到一個立體聲ADC上，不再比一片帶有多個ADC和數(shù)字混音的芯片具有更高效率。這也同樣適用于DAC。

　　運(yùn)用更多數(shù)字邏輯還有其它優(yōu)勢

　　級聯(lián)電路級變得極為容易，這是因?yàn)樾盘栙|(zhì)量的降低簡化到精確的數(shù)學(xué)精度，而不是模糊的模擬噪聲;數(shù)字混音與布線能更具靈活性;數(shù)字濾波對于音頻更容易實(shí)現(xiàn);未被使用的部分為了更加節(jié)能可以很容易地關(guān)斷;制造成本能夠更低，因?yàn)槭褂脭?shù)字掃描模式而非模擬性能測試而使其能夠更加便宜地被測試(使音頻測試加快是有困難的，因?yàn)槟悴荒芨淖円纛l頻段的頻率)。

　　它不利的一面是：在采樣頻率不同的時候，為來自不同信號源的音頻進(jìn)行數(shù)字混音不能如此的直接完成，而需要有一個采樣速率轉(zhuǎn)換器。但是這種代價隨著幾何尺寸的減小和晶體管變得便宜而降低。另外一點(diǎn)是：整個數(shù)字解決方案也會變得遠(yuǎn)為復(fù)雜，因此會需要更長時間來設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

　　另一方面，當(dāng)有一個殘留的直流電壓通過一個揚(yáng)聲器或耳機(jī)時也會造成功率的浪費(fèi)。揚(yáng)聲器驅(qū)動器在一個橋接式負(fù)載(BTL)配置中直接連到揚(yáng)聲器上，以從較低的電池電壓中得到最大化的功率輸出。一個終端將用與其他反相的模式驅(qū)動以將輸出功率擴(kuò)大四倍。當(dāng)閑置時，由于模擬電路的變化，可能會產(chǎn)生幾個mV的小偏移;但如果它太大的話，其總量對一個8Ω的揚(yáng)聲器來說實(shí)際上是相當(dāng)大的功率浪費(fèi);對其而言，也可以通過精心設(shè)計(jì)來將它降至最小。同樣，當(dāng)揚(yáng)聲器驅(qū)動器不需要時，軟件可以將它關(guān)斷，使空載功率可從幾毫瓦降低到1微瓦。

　　幾年前，一個耳機(jī)驅(qū)動器的閑置輸出要占電源軌一半的電壓，并且會在地與電源軌之間產(chǎn)生一個音頻信號。為了消除直流偏移，要使用一系列的電容器。此元件與耳機(jī)一起最終變得相當(dāng)“笨重”，因?yàn)槎鷻C(jī)的低阻抗需要一個大電容，因此低音頻段可被無衰減地通過——它們一起形成了一個高通濾波器。一種折中的解決方案是在電源電壓的一半處生成一個人為的接地，以消除對電容器的需要，但這需要另一個會浪費(fèi)功率的輸出。因此，歐勝已經(jīng)研發(fā)出一種W類驅(qū)動器，它使用一個智能電荷泵來產(chǎn)生正的和負(fù)的電源。這消除了對大電容的需要，因?yàn)檩敵瞿軌蛟诹愕仉妷阂陨虾鸵韵聰[動，但這會引起一個小的直流偏移和功率浪費(fèi)。憑借今天數(shù)字控制的低成本優(yōu)勢，現(xiàn)有一種自動校準(zhǔn)方案來將這種偏壓降到最低。