高質(zhì)量便攜式音頻性能產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)方案

消費(fèi)電子市場(chǎng)對(duì)具有音頻播放和錄音功能的便攜式產(chǎn)品需求的顯著增長。人們希望這些產(chǎn)品具有的特性包括：電池壽命長、體積小、重量輕以及具有高質(zhì)量的音頻性能。這些產(chǎn)品不僅必須滿足這些要求，而且也必須同時(shí)滿足消費(fèi)者對(duì)消費(fèi)電子產(chǎn)品低成本的期望。

1 功能集成

為滿足這些期望，最為行之有效的方法是將這些產(chǎn)品所要求的多種功能，集成在最少數(shù)量的集成電路中。多年來，集成的優(yōu)勢(shì)已在許多不同市場(chǎng)和應(yīng)用中得到驗(yàn)證。與采用若干分立元件的解決方案相比，集成解決方案的明顯優(yōu)勢(shì)之一是成本低。另一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)是集成解決方案所需的PCB空間更少，因此可最大限度地減少成本、高度和重量。

此外，它還有另外一個(gè)不太明顯卻同樣重要的優(yōu)勢(shì)，那就是集成解決方案通常具有更強(qiáng)的電源管理能力，并可以關(guān)斷沒被使用的功能模塊和功能的電源，從而盡量延長電池壽命。例如，如果使用便攜式錄音機(jī)/播放器來播放MP3文件，就沒有理由為用于錄音的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和麥克風(fēng)電路供電?？梢苑謩e為這些電路供電，以降低功耗、延長播放時(shí)間。

集成的功能通常有兩種。一是模擬和混合信號(hào)功能，包括音頻轉(zhuǎn)換器（A/D和D/A）、模擬輸入復(fù)用器、音量控制、麥克風(fēng)前置放大器、耳機(jī)放大器、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器以及其它類似功能。二是系統(tǒng)的數(shù)字功能，包括音頻/視頻解碼器、用戶接口、USB輸入/輸出、顯示接口以及類似功能。遺憾的是，如今最新的亞微米數(shù)字工藝的直流偏壓耳機(jī)放大器特性對(duì)模擬和混合信號(hào)功能來說還不夠理想。這些局限性迫使人們對(duì)集成度水平進(jìn)行選擇并做出相應(yīng)折衷。因此，有兩條集成路徑可供選擇。

第一條路徑是接受先進(jìn)工藝在模擬方面的局限性，沿著單芯片解決方案的道路走下去。許多產(chǎn)品領(lǐng)域可以接受這些模擬局限性，包括當(dāng)前市場(chǎng)上成本很低的MP3播放器。對(duì)于這些產(chǎn)品，成本是主要關(guān)注的問題，音頻質(zhì)量則是次要的。類似的情況也存在于低端DVD播放器和機(jī)頂盒當(dāng)中。

第二條路徑是保持音頻質(zhì)量的具有更高優(yōu)先級(jí)。先進(jìn)的亞微米數(shù)字工藝非常適用于便攜式產(chǎn)品中高度集成的數(shù)字功能，也有很好的工藝適用于模擬功能，兩者正好是不一樣的。因此，高質(zhì)量便攜式音頻產(chǎn)品正在朝著雙芯片解決方案的方向發(fā)展。

2 系統(tǒng)電源

最大限度降低功耗和延長電池壽命的有效技術(shù)之一是降低系統(tǒng)電源電壓，這種方法也與硅半導(dǎo)體工藝技術(shù)的最新進(jìn)展非常一致，工藝技術(shù)正不斷沿著電源電壓越來越低的方向發(fā)展。研究系統(tǒng)電源電壓和功耗之間的關(guān)系非常有趣。在模擬集成電路中，功耗是電源電壓的函數(shù)，兩者基本上線性關(guān)系。實(shí)際上，與同類型的3.3V系統(tǒng)相比，1.8V模擬系統(tǒng)可大約減少45%功耗。由于電流消耗的額外減少，數(shù)字集成電路可節(jié)省的功耗則更多。隨著電流的額外減少，1.8V數(shù)字系統(tǒng)與同類型的3.3V系統(tǒng)相比，功耗可下降75%。

有關(guān)電源的另一個(gè)旗幟鮮明的觀點(diǎn)是“越少越好”。系統(tǒng)電源電壓的種類越少，系統(tǒng)內(nèi)的元件數(shù)量就越少，同時(shí)能盡量降低PCB設(shè)計(jì)的復(fù)雜性并減少系統(tǒng)成本和尺寸。

0.25微米工藝是高質(zhì)量、低功耗模擬和混合信號(hào)IC的理想選擇。這種工藝在典型的電源電壓下降到1.8V時(shí)工作良好。因此，對(duì)于在保持高質(zhì)量音頻性能的同時(shí)最大限度減少成本和功耗的設(shè)計(jì)目標(biāo)來說，采用1.8V單系統(tǒng)電源電壓非常合適。遺憾的是，事情并沒有這么簡單。這些系統(tǒng)使用的大多數(shù)耳機(jī)都有32歐姆的阻抗，這意味著為得到可接受的收聽音量，電源電壓必須大于1.8V。

3 耳機(jī)放大器

由電池供電的產(chǎn)品內(nèi)的耳機(jī)放大器通常要求由單正電源供電。單電源放大器的基本缺點(diǎn)是放大器的輸出采用直流偏壓，這個(gè)電壓大約為電源電壓的二分之一。耳機(jī)音圈（或者任何揚(yáng)聲器的音圈）的DC電阻由線圈中金屬線的電阻決定，這個(gè)電阻非常低，如果施加一個(gè)DC電壓，音圈上就會(huì)有明顯的電流流過。這將至少導(dǎo)致音頻質(zhì)量下降，而最明顯和最可能的結(jié)果是對(duì)耳機(jī)造成永久性損壞。這足以說明在耳機(jī)或揚(yáng)聲器上施加一個(gè)DC電壓通常是非常蹩腳的設(shè)計(jì)。

圖1：直流偏壓的耳機(jī)放大器。

3.1 直流偏壓耳機(jī)放大器

用來隔離DC電流的最常見技術(shù)是采用去耦電容，如圖1所示。在信號(hào)路徑中放置一個(gè)電容可以創(chuàng)建一個(gè)高通濾波器，其角頻率由耳機(jī)阻抗（R）和去耦電容（C）設(shè)置，等于1/（2πRC）。通常人的耳朵能夠聽到聲音頻率最低為20Hz。根據(jù)這個(gè)下限和耳機(jī)的典型阻抗，可很容易地計(jì)算出所需的電容值。對(duì)于20Hz的角頻率，電容容值取500uF。

很顯然，由于成本和在PCB上安裝這個(gè)大體積電容所需的空間，這種解決方案無法被接受。通?？梢越邮艿恼壑苑桨甘遣捎?20uF電容，此時(shí)角頻率大約為45Hz，而且占用更少的板上空間。雖然這種折衷方案?jìng)鹘y(tǒng)上已被用于許多設(shè)計(jì)中，但它仍然是一種折衷。值得注意的是，這種拓?fù)洳贿m用于單1.8V系統(tǒng)，因?yàn)?.8V放大器無法將耳機(jī)驅(qū)動(dòng)到可接受的收聽音量水平的能力。盡管存在成本、PCB空間和頻率響應(yīng)方面的局限性，但多年來容性耦合的耳機(jī)放大器一直都是便攜式音頻產(chǎn)品中唯一可行的解決方案。雖然這種拓?fù)湟驯挥迷谠S多設(shè)計(jì)中，但當(dāng)系統(tǒng)要求變得更加嚴(yán)格時(shí)，這種折衷成具有顯著的局限性。

圖2：集成的地居中耳機(jī)放大器。

3.2 地居中耳機(jī)放大器

輸出信號(hào)地居中（ground-centered）的耳機(jī)放大器是一個(gè)理想的解決方案。如圖2所示，利用與DC電位一樣的放大器輸出作為耳機(jī)回送（地），DC電流將不會(huì)流過耳機(jī)。與直流偏壓放大器相比，這種放大器在低頻率響應(yīng)、節(jié)省PCB空間和元件成本方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。然而，地居中放大器對(duì)系統(tǒng)的一個(gè)要求是同時(shí)需要正、負(fù)電源電壓。

圖3：分別基于這兩種放大器的音頻轉(zhuǎn)換器PCB布局圖。

Cirrus Logic公司和其它制造商通過集成充電泵來產(chǎn)生耳機(jī)放大器所需的負(fù)電源電壓，從而解決了這個(gè)問題。這些充電泵效率比較高，并且僅需最少的外部元件。這種拓?fù)洳坏恍枰鷻C(jī)的去耦電容，而且可從1.8V系統(tǒng)獲得能產(chǎn)生足夠收聽音量的功率。充電泵產(chǎn)生負(fù)1.8V電壓，能有效地為3.6V放大器供電。

與直流偏壓放大器相比，地居中放大器具有許多優(yōu)勢(shì)：

（1）最大限度地減少了PCB空間。圖3給出了需要隔直電容的音頻編解碼器與集成了地居中放大器的音頻編解碼器的PCB布局圖。

（2）去掉電容C3和C4可節(jié)省50mm2以上的板上空間。內(nèi)部充電泵需要電容C5和C6，這些電容與典型的電源去耦電容的大小相當(dāng)。

（3）具有最優(yōu)的低頻性能。由于地居中放大器不需要帶有大串聯(lián)電容的高通濾波器（HPF），所以它具有良好的低頻響應(yīng)。圖4是兩者的頻率響應(yīng)對(duì)比。

（4）由單1.8V系統(tǒng)電源供電就能提供適當(dāng)?shù)氖章犚袅?。充電泵可產(chǎn)生負(fù)1.8V電源電壓，當(dāng)與系統(tǒng)的1.8V電源組合使用時(shí)，可有效地產(chǎn)生3.6V電壓來驅(qū)動(dòng)放大器。這種結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)可以采用單1.8V電源，以盡量減少功耗，并保持產(chǎn)生足夠收聽音量的能力。

（5）在上電和斷電的瞬態(tài)過程中沒有噪音。除了具有在直流偏壓放大器配置中需要折衷的所有優(yōu)勢(shì)外，由于不需要隔直電容，地居中配置在上電和斷電的瞬變過程中，不會(huì)產(chǎn)生由隔直電容充放電引起的喀噠聲和砰砰聲。

圖4：頻率響應(yīng)顯示了截至頻率與音頻帶寬的關(guān)系。

4 集成的混合信號(hào)音頻編解碼器實(shí)例

Cirrus Logic公司的CS42L51是一個(gè)高度集成的混合信號(hào)音頻編解碼器實(shí)例（圖5），它專門正對(duì)低功耗、高質(zhì)量的音頻產(chǎn)品而設(shè)計(jì)。該器件能工作在單1.8V系統(tǒng)電源下，并在地居中耳機(jī)放大器中集成了一個(gè)充電泵。這個(gè)高度集成的解決方案的優(yōu)勢(shì)非常明顯（如圖6所示），這里的PCB布局包括所有的電源去耦電容、充電泵濾波器和CS42L51所需的其它元件。

圖5：CS42L51的結(jié)構(gòu)方框圖。

5 本文小結(jié)

由電池供電的便攜式音頻產(chǎn)品正在以令人難以置信的速度增長，在集成更多功能和性能的同時(shí)延長工作時(shí)間、減小產(chǎn)品尺寸和重量的趨勢(shì)也將持續(xù)下去。這種趨勢(shì)已在最新的音頻和視頻媒體播放器、智能電話和個(gè)人數(shù)字助理、無線耳機(jī)、游戲控制臺(tái)、手持衛(wèi)星無線電/GPS產(chǎn)品以及其它產(chǎn)品中得到體現(xiàn)。

這些設(shè)備中增加的功能性和便攜性將繼續(xù)推動(dòng)多種功能的混合信號(hào)的集成，包括支持非音頻時(shí)鐘要求的鎖相環(huán)、電壓調(diào)節(jié)器以及改進(jìn)的電源管理能力。這些應(yīng)用所需要的高質(zhì)量音頻，也對(duì)獨(dú)立的數(shù)字和混合信號(hào)集成產(chǎn)品的提出更多需求。

圖6：CS42L51解決方案所需的PCB面積很小。