微型技術(shù)革命的產(chǎn)物

蜂窩式移動(dòng)電話(huà)及智能型手機(jī)已成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠帧＿@些手機(jī)推出不久即大受歡迎，速度之快著實(shí)令人驚異。自從數(shù)字傳輸技術(shù)面世以來(lái)，移動(dòng)電話(huà)不斷推陳出新，功能也不斷多樣化，其變化之大并非今日所能想象。

移動(dòng)電話(huà)市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，吸引了不少跨國(guó)公司。即使目前經(jīng)濟(jì)低迷，預(yù)計(jì)移動(dòng)電話(huà)市場(chǎng)的全球銷(xiāo)量仍將高達(dá) 4.7億部，是迄今最大的單一消費(fèi)市場(chǎng)。

由于通信頻道越來(lái)越多，服務(wù)也由簡(jiǎn)單的短信傳送 (SMS)，發(fā)展至包括 EMS、MMS、WAP、視頻串流以至其他更先進(jìn)的服務(wù)，而移動(dòng)電話(huà)也不斷自我完善，以便可以支持這些服務(wù)。

但能夠利用這些服務(wù)的移動(dòng)電話(huà)卻日趨笨重。移動(dòng)電話(huà)必須采用更先進(jìn)、更復(fù)雜的技術(shù)，才可支持網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供的服務(wù)。例如，移動(dòng)電話(huà)必須添加更多硬件，加強(qiáng)音頻處理能力，才可處理不同的音頻信號(hào)，也需要添加更多硬件，才可捕捉及顯示高清晰度的圖像。由于添加了更多硬件，電池便需要為這些新加的外圍設(shè)備模塊供電，令電池壽命受到一定的影響。要滿(mǎn)足這些要求，移動(dòng)電話(huà)便無(wú)法又輕又薄。

這些新加的功能特色成為新一代智能型手機(jī)所特有的基本功能。對(duì)于移動(dòng)電話(huà)市場(chǎng)的未來(lái)發(fā)展，制造商都各有自己的一套看法。高檔智能型手機(jī)必須具有極高的通信能力，以及能夠支持多種不同的高檔應(yīng)用，而高度集成的低檔移動(dòng)電話(huà)則必須符合成本效益，以及實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

以下將詳細(xì)介紹高、低檔移動(dòng)電話(huà)的不同設(shè)計(jì)取向，并以音頻、圖像處理及電源管理等方面的設(shè)計(jì)為例作進(jìn)一步的解釋?zhuān)瑥闹酗@示為何美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體一直能夠?yàn)橐苿?dòng)電話(huà)制造商提供最切合他們需要的芯片產(chǎn)品。

音頻芯片——采用子系統(tǒng)的取向

舊式移動(dòng)電話(huà)基本上只有兩個(gè)音頻信號(hào)源，它們分別是來(lái)自語(yǔ)音通道的語(yǔ)音以及振鈴。

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體一直致力為高檔及低檔的電話(huà)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)各種不同的芯片，以滿(mǎn)足這兩個(gè)市場(chǎng)的需求。

以大眾消費(fèi)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體有專(zhuān)為低檔電話(huà)而開(kāi)發(fā)的最新產(chǎn)品 LM4906。這款芯片是 Boomero 系列的最新型號(hào)，可為標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)移動(dòng)電話(huà)提供基本的音頻功能，而且采用這款芯片無(wú)需加設(shè)旁路電容器，有助節(jié)省成本，縮小印刷電路板面積，以及確保廠商可以更快將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。需要添加的外置零部件不超過(guò)三個(gè)，其中包括揚(yáng)聲器。

至于需要支持更多先進(jìn)功能的新一代智能型電話(huà)，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體便特別為這類(lèi)電話(huà)提供了一套音頻子系統(tǒng)。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的這套型號(hào)為 LM4930 的音頻子系統(tǒng)在功能方面向前邁進(jìn)了一大步，可滿(mǎn)足更多輸入輸出裝置的要求。

采用這款芯片的高檔智能型電話(huà)一般都采用通信與應(yīng)用互相分離的結(jié)構(gòu)，例如不同處理器負(fù)責(zé)不同的工作，而其中一個(gè)會(huì)指定為主處理器，負(fù)責(zé)控制電話(huà)的其他子系統(tǒng)，例如通過(guò) I2C 兼容的總線控制音頻子系統(tǒng)。

LM4930 芯片的輸入端 (左邊) 設(shè)有兩個(gè)接口。其中一個(gè)是 I2S 輸入接口，負(fù)責(zé)為 MP3 播放、FM 廣播及復(fù)音振鈴等內(nèi)容提供經(jīng)過(guò)應(yīng)用程序處理器處理、并適用于整個(gè)頻率范圍的數(shù)字音頻信號(hào)。另一接口是連接通信引擎的雙向 PCM 接口，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)傳送語(yǔ)音信號(hào)。

輸出端 (右邊) 設(shè)有多個(gè)輸出，其中包括立體聲耳機(jī)輸出以及無(wú)需電容器的揚(yáng)聲器輸出，另外還有專(zhuān)為麥克風(fēng)而設(shè)的直接輸入。因此，只需一顆集成電路便能支持蜂窩式移動(dòng)電話(huà)所需的所有音頻功能。

所選用的芯片封裝是否合適是決定移動(dòng)電話(huà)成敗的關(guān)鍵。先進(jìn)封裝技術(shù)——例如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的 micro SMD 封裝——可以確保芯片能夠執(zhí)行更多功能。圖2 所示的 LM4930 芯片便采用這種封裝，面積雖然只有 3.2mm x 3.4mm，但足可容納 36個(gè)焊球。

圖像處理

由于數(shù)字相機(jī)市場(chǎng)不斷茁壯成長(zhǎng)，因此數(shù)字圖像處理技術(shù)便在強(qiáng)大需求的支持下發(fā)展迅速。具備拍照功能的移動(dòng)電話(huà)好像在不多久之前還只是一種甚為稀有的產(chǎn)品。移動(dòng)電話(huà)近年來(lái)的發(fā)展可說(shuō)一日千里，初時(shí)照相機(jī)只夾附在手機(jī)外面，現(xiàn)在已發(fā)展成為內(nèi)置的模式，甚至越來(lái)越多高檔手機(jī)產(chǎn)品都以照相機(jī)作為必備的功能特色之一。

手機(jī)內(nèi)置的圖像處理模塊由圖像傳感器與圖像處理器兩個(gè)部分組成，兩個(gè)部分都各有特點(diǎn)與要求。

圖像傳感器可以采用電荷耦合器件 (CCD) 或互補(bǔ)金屬氧化的半導(dǎo)體 (CMOS) 技術(shù)。但對(duì)于移動(dòng)電話(huà)來(lái)說(shuō)，CMOS 技術(shù)比 CCD 更優(yōu)勝，例如 CMOS 技術(shù)的供電電壓及功耗都較低，而技術(shù)集成度也較高。以下便以 CMOS 技術(shù)作為范例詳細(xì)討論這個(gè)問(wèn)題。

CMOS 傳感器負(fù)責(zé)捕捉圖像，辦法是將投射在一列列光二極管上的光線轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘?hào)，然后傳送給圖像處理器，由圖像處理器先將這些信號(hào)校正，再轉(zhuǎn)為格式化的數(shù)據(jù)，以供電話(huà)的其他子系統(tǒng)使用。結(jié)構(gòu)框圖所示的便是典型的圖像處理器子系統(tǒng)。這個(gè)功能塊所執(zhí)行的功能包括鏡頭陰影校正、劣質(zhì)像素校正、顏色內(nèi)插校正、伽馬線校正、顏色空間轉(zhuǎn)換、飽和調(diào)節(jié)及視覺(jué)效果處理。有關(guān)信號(hào)經(jīng)過(guò)以上的處理，最后才以確認(rèn)的格式如 YUV 4:2:2 輸出。

電源管理

有了圖像處理功能，移動(dòng)電話(huà)的功能便更為多樣化，也為用戶(hù)添加更多生活情趣。但若要確保電話(huà)能永遠(yuǎn)留住用戶(hù)的難忘經(jīng)歷，電池便必須能夠應(yīng)付這些新服務(wù)及新功能的額外用電要求。

其實(shí)電話(huà)的用途一直在變。例如，電話(huà)最初只用來(lái)傳送語(yǔ)音。我們講完電話(huà)后，電話(huà)便會(huì)處于低功耗狀態(tài)，直至需要接聽(tīng)另一來(lái)電，或再打電話(huà)，低功耗狀態(tài)才會(huì)改變。SMS 及 EMS 等功能將電話(huà)的用途徹底改變。為了傳送 SMS 及 EMS等信息，電話(huà)用戶(hù)必須將電話(huà)長(zhǎng)期保持在運(yùn)作狀態(tài)之中，以便輸入短信。照目前情況看，我們將會(huì)繼續(xù)利用電話(huà)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間通話(huà)或傳送信息，可見(jiàn)功耗將會(huì)不斷增加，這樣下去，電話(huà)的電池始終會(huì)不勝負(fù)荷。也許更重要的一點(diǎn)是，上文所提及的新功能遠(yuǎn)比單純的語(yǔ)音傳送功能耗用的功率多。

目前，電池技術(shù)的發(fā)展雖然已相當(dāng)快，但仍然追趕不上外型更小巧、功能更齊備的新一代電話(huà)。電話(huà)上的彩色顯示屏幕耗用很多電能，要延長(zhǎng)這類(lèi)移動(dòng)電話(huà)的電池壽命確是一個(gè)大挑戰(zhàn)，尤其是電池體積反而越趨細(xì)小。

像美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體這類(lèi)芯片廠商一直致力為市場(chǎng)提供各式各樣的電源管理芯片，確保移動(dòng)電話(huà)的電池可以充分發(fā)揮其能源效益及運(yùn)作效率。

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體有一系列出類(lèi)拔萃的電源管理產(chǎn)品，其中包括 LP398x 與 LP399x 系列低壓降穩(wěn)壓器芯片以及 LM260x/1x 系列直流/直流轉(zhuǎn)換器芯片。這些穩(wěn)壓器芯片輸出 300mA 電流時(shí)，其典型電壓只有 120mV。這些芯片還有另一特色，若依靠電池供電的某一區(qū)域/子系統(tǒng)無(wú)需在某一運(yùn)作模式中執(zhí)行工作，這一區(qū)域/子系統(tǒng)的供電便會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，而低壓降芯片的典型停機(jī)電流不會(huì)超過(guò)幾毫微安 (nA)。

許多移動(dòng)電話(huà)都采用彩色顯示屏幕，這是一個(gè)非常明顯的發(fā)展趨勢(shì)。超扭曲型 (STN) 或薄膜晶體管 (TFT) 顯示技術(shù)都要依靠白色的發(fā)光體提供光源，才可確保顯示器能執(zhí)行正常功能。此外，手機(jī)的互動(dòng)能力、電子游戲的內(nèi)容及視頻的傳送都要求屏幕有較大的清晰度及色深。

白色發(fā)光二極管是成本較低而又性能可靠的發(fā)光體。但發(fā)光二極管必須由大小相同的電流驅(qū)動(dòng)，亮度才可保持均勻。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的 LM35xx系列開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器芯片以及 LM27xx 系列開(kāi)關(guān)電感穩(wěn)壓器芯片為系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師提供了更多選擇，讓他們可以按照顯示屏幕的結(jié)構(gòu)要求，設(shè)計(jì)合適的電源供應(yīng)系統(tǒng)。

圖4 所示的是 LM2794 一類(lèi)的新一代發(fā)光二極管控制器。

電話(huà)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以至手機(jī)結(jié)構(gòu)不斷引進(jìn)新的技術(shù)，而支持這些新技術(shù)不斷向前發(fā)展的動(dòng)力卻來(lái)自手機(jī)用戶(hù)，每一手機(jī)網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)的月平均消費(fèi)越高，便越能支持更多新技術(shù)的開(kāi)發(fā)。目前英國(guó)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商正為其 3G網(wǎng)絡(luò)新用戶(hù)提供三個(gè)月的優(yōu)惠，讓他們免費(fèi)收看英國(guó)超級(jí)足球聯(lián)賽的精選片段。此外，英國(guó)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來(lái)自出售振鈴音調(diào)的收入已超過(guò)出售圖像的收入。

若將手機(jī)的通信帶寬進(jìn)一步提高，手機(jī)甚至可以收發(fā)要求更高的多媒體內(nèi)容。雖然隨著業(yè)界普遍采用 H.263 及 MPEG4 第 4部分 (AVC) 的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)之后，壓縮技術(shù)已不斷改善，但這方面的發(fā)展也令基站的編碼器變得更為復(fù)雜。手機(jī)接收器的譯碼器也越趨復(fù)雜，成本也不斷上升。對(duì)于開(kāi)發(fā)手機(jī)及相關(guān)零部件的設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，這是他們最感頭痛的問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，舊式的電話(huà)已漸漸被智能型電話(huà)取代，整個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程可以說(shuō)是一場(chǎng)科技的革命。今后，智能型電話(huà)也會(huì)隨著時(shí)代的進(jìn)步不斷演變。但有一點(diǎn)可以肯定，那就是移動(dòng)電話(huà)的功能會(huì)日趨多樣化，像美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體這類(lèi)公司將會(huì)在這個(gè)發(fā)展過(guò)程中扮演一個(gè)重要的角色，并會(huì)隨著市場(chǎng)的發(fā)展，為移動(dòng)電話(huà)開(kāi)發(fā)更多芯片產(chǎn)品，滿(mǎn)足移動(dòng)電話(huà)各種最新的要求。