高能效音頻延長電池壽命

　　摘要：芯片的復雜度不斷提升以滿足消費電子產(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、耳機驅動器及揚聲器驅動器帶來新的理念，來改善在消費電子產(chǎn)品中音頻信號鏈的能源效率。本文講解了在這些領域中各自的一些技術。

　　歐勝為消費性音頻應用設計混合信號芯片已經(jīng)超過十年。在這期間，芯片的復雜性從一片芯片上只有單一的立體聲數(shù)模轉換器(DAC)，增加到了在一片芯片上集成多個數(shù)模轉換器、模數(shù)轉換器(ADC)以及音頻數(shù)字信號處理器(DSP)，以滿足消費電子市場永遠嚴苛的需求。這因為更低成本、幾何尺寸更精細以及更大量的需求而變?yōu)楝F(xiàn)實。

　　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到原來的四倍，功率消耗會達到原來的二倍。此外，由于級聯(lián)各種模擬電路級來滿足現(xiàn)代系統(tǒng)更復雜的功能要求，信噪比(SNR)則進一步降低。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)字領域中，更小的晶體管在更低的電壓下運行，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)字部分來增強模擬性能。每種硅工藝都可進行詳細計算和仿真，以探求其最佳平衡點。隨著我們已經(jīng)從0.5µm轉到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，這是因為信號質量的降低簡化到精確的數(shù)學精度，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現(xiàn);未被使用的部分為了更加節(jié)能可以很容易地關斷;制造成本能夠更低，因為使用數(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，因為你不能改變音頻頻段的頻率)。

　　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。另外一點是：整個數(shù)字解決方案也會變得遠為復雜，因此會需要更長時間來設計與驗證。

　　另一方面，當有一個殘留的直流電壓通過一個揚聲器或耳機時也會造成功率的浪費。揚聲器驅動器在一個橋接式負載(BTL)配置中直接連到揚聲器上，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動以將輸出功率擴大四倍。當閑置時，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的揚聲器來說實際上是相當大的功率浪費;對其而言，也可以通過精心設計來將它降至最小。同樣，當揚聲器驅動器不需要時，軟件可以將它關斷，使空載功率可從幾毫瓦降低到1微瓦。

　　幾年前，一個耳機驅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。此元件與耳機一起最終變得相當“笨重”，因為耳機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功率的輸出。因此，歐勝已經(jīng)研發(fā)出一種W類驅動器，它使用一個智能電荷泵來產(chǎn)生正的和負的電源。這消除了對大電容的需要，因為輸出能夠在零地電壓以上和以下擺動，但這會引起一個小的直流偏移和功率浪費。憑借今天數(shù)字控制的低成本優(yōu)勢，現(xiàn)有一種自動校準方案來將這種偏壓降到最低。