低功耗、高質量便攜式音頻產品的實現技術

　　消費電子市場對具有音頻播放和錄音功能的便攜式產品需求的顯著增長。人們希望這些產品具有的特性包括：電池壽命長、體積小、重量輕以及具有高質量的音頻性能。這些產品不僅必須滿足這些要求，而且也必須同時滿足消費者對消費電子產品低成本的期望。
　　
　　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品所要求的多種功能，集成在最少數量的集成電路中。多年來，集成的優(yōu)勢已在許多不同市場和應用中得到驗證。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)勢之一是成本低。另一個明顯優(yōu)勢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，它還有另外一個不太明顯卻同樣重要的優(yōu)勢，那就是集成解決方案通常具有更強的電源管理能力，并可以關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/播放器來播放MP3文件，就沒有理由為用于錄音的模數轉換器和麥克風電路供電。可以分別為這些電路供電，以降低功耗、延長播放時間。
　　
　　集成的功能通常有兩種。一是模擬和混合信號功能，包括音頻轉換器(A/D和D/A)、模擬輸入復用器、音量控制、麥克風前置放大器、耳機放大器、揚聲器驅動器以及其它類似功能。二是系統的數字功能，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字工藝的直流偏壓耳機放大器特性對模擬和混合信號功能來說還不夠理想。這些局限性迫使人們對集成度水平進行選擇并做出相應折衷。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。許多產品領域可以接受這些模擬局限性，包括當前市場上成本很低的MP3播放器。對于這些產品，成本是主要關注的問題，音頻質量則是次要的。類似的情況也存在于低端DVD播放器和機頂盒當中。
　　
　　第二條路徑是保持音頻質量的具有更高優(yōu)先級。先進的亞微米數字工藝非常適用于便攜式產品中高度集成的數字功能，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，高質量便攜式音頻產品正在朝著雙芯片解決方案的方向發(fā)展。
　　
　　系統電源
　　
　　最大限度降低功耗和延長電池壽命的有效技術之一是降低系統電源電壓，這種方法也與硅半導體工藝技術的最新進展非常一致，工藝技術正不斷沿著電源電壓越來越低的方向發(fā)展。研究系統電源電壓和功耗之間的關系非常有趣。在模擬集成電路中，功耗是電源電壓的函數，兩者基本上線性關系。實際上，與同類型的3.3V系統相比，1.8V模擬系統可大約減少45%功耗。由于電流消耗的額外減少，數字集成電路可節(jié)省的功耗則更多。隨著電流的額外減少，1.8V數字系統與同類型的3.3V系統相比，功耗可下降75%。
　　
　　有關電源的另一個旗幟鮮明的觀點是“越少越好”。系統電源電壓的種類越少，系統內的元件數量就越少，同時能盡量降低PCB設計的復雜性并減少系統成本和尺寸。
　　
　　0.25微米工藝是高質量、低功耗模擬和混合信號IC的理想選擇。這種工藝在典型的電源電壓下降到1.8V時工作良好。因此，對于在保持高質量音頻性能的同時最大限度減少成本和功耗的設計目標來說，采用1.8V單系統電源電壓非常合適。遺憾的是，事情并沒有這么簡單。這些系統使用的大多數耳機都有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。
　　
　　耳機放大器
　　
　　由電池供電的產品內的耳機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是放大器的輸出采用直流偏壓，這個電壓大約為電源電壓的二分之一。耳機音圈(或者任何揚聲器的音圈)的DC電阻由線圈中金屬線的電阻決定，這個電阻非常低，如果施加一個DC電壓，音圈上就會有明顯的電流流過。這將至少導致音頻質量下降，而最明顯和最可能的結果是對耳機造成永久性損壞。這足以說明在耳機或揚聲器上施加一個DC電壓通常是非常蹩腳的設計。

　　
　　圖1：直流偏壓的耳機放大器。