中心議題：
- 高品質(zhì)音頻的機遇與挑戰
- 移動(dòng)電話(huà)的音頻中心設計
解決方案：
- 音頻中心的節能電源設計
- 高品質(zhì)數據轉換器與D類(lèi)驅動(dòng)器相結合
在今天的移動(dòng)電話(huà)市場(chǎng)中，無(wú)論是蘋(píng)果新推出來(lái)的iPhone，還是摩托羅拉、諾基亞和三星等領(lǐng)先制造商的相關(guān)產(chǎn)品，都顯示出了音樂(lè )回放和音頻品質(zhì)在移動(dòng)電話(huà)設計中的重要性。更高的音頻質(zhì)量和更大功率的揚聲器，不僅要求系統帶有更先進(jìn)的數據轉化器，而且給以鋰電池為電源的設計帶來(lái)了巨大的挑戰，這需要歐勝提出了采用“音頻中心(audio hub)”的設計思路，來(lái)幫助移動(dòng)電話(huà)設計師解決這些問(wèn)題，并降低成本和簡(jiǎn)化系統設計。
高品質(zhì)音頻的機遇與挑戰
在傳統的移動(dòng)電話(huà)設計中，僅需要一個(gè)單聲道的揚聲器來(lái)播放鈴聲，它可能每隔幾小時(shí)才需要播放幾秒鐘。但最新型號的多媒體移動(dòng)電話(huà)可能支持電影回放、移動(dòng)電視、游戲和其它多媒體功能，并在系統的設計中開(kāi)始采用立體聲揚聲器，所以系統的設計不僅要考慮音頻轉換器，而且還需要將低功耗技術(shù)與之實(shí)現結合。
但是，立體聲揚聲器要求的電能是單聲道揚聲器的兩倍，而且需要在一個(gè)很長(cháng)的時(shí)間段內一直保持工作狀態(tài)。一個(gè)持續10分鐘的電影片斷在立體聲揚聲器上消耗的電池能量是10秒單聲道鈴聲的120倍?，F在的消費者也在期望更高的音量，1W輸出功率的揚聲器現在已是相當典型的要求，而這對電池能量提出了更高的需求。
在手機上增加功能通常要增加電路，在手機體積不斷縮小的今天，這意味著(zhù)留給電池的空間比以往任何時(shí)候都要小。由于要求在使用盡可能小的電池的同時(shí)在手機上增加更多的非常耗電的音頻特性，手機設計師不得不仔細地檢討手機上每一個(gè)耗電的原因和低效率問(wèn)題，以在每一個(gè)可能的地方節省電池能量。這一對更長(cháng)電池壽命的要求正在推動(dòng)采用D類(lèi)功放技術(shù)的趨勢，D類(lèi)功放能夠消除音頻電路中最大的低效率源。
不斷縮小的整機尺寸也正在推動(dòng)混合信號音頻功能的集成，但這一集成也帶來(lái)了新的挑戰，因為既要改善音頻質(zhì)量，又不能增加功耗或要求額外的外部元件(如穩壓器或無(wú)源元件)。新一代‘音頻中心’器件正在逐步解決這一復雜的設計難題，同時(shí)解決了改善音頻質(zhì)量、將工作和待機模式時(shí)的功耗降到最低、并縮小PCB面積和元器件數量。
音頻中心應運而生
移動(dòng)電話(huà)等便攜式多媒體設備通常含有一些采用不同數據格式的模擬和數字音源，這些音頻流在通過(guò)不同的變換器(如小功率揚聲器、大功率揚聲器和耳機)輸出到真實(shí)世界之前必須進(jìn)行轉換和適當的混合。為了節省空間、削減成本和降低設計復雜性，將這些音頻處理功能全部集中到一個(gè)器件(即‘音頻中心’)上肯定是有益的。
數字數據源也能以不同的數據格式、字長(cháng)和樣本速率存在。由于電話(huà)使用模式通常僅要求音頻中心處理單聲道8kHz PCM格式數據，因此集成數字音樂(lè )回放功能要求音頻中心器件處理不同的樣本速率、字長(cháng)和數據格式(如立體聲16位44.1kHz I2S數據)。音頻中心上一個(gè)靈活的數字音頻接口和時(shí)鐘方案再加上Hi-Fi質(zhì)量的數據轉換器，可使得在手機上實(shí)現數字音樂(lè )播放功能不再需要額外的混合信號元件。
音頻中心必須能夠連接具有不同幅度、源阻抗、DC偏置和帶寬的模擬信號，如FM接收機、麥克風(fēng)、發(fā)送/接收語(yǔ)音數據、鈴聲或Hi-Fi線(xiàn)路輸入。靈活的輸入配置能夠為在不同系統架構中的這些不同信號特性提供支持，而且同時(shí)最小化引腳數、節省空間和降低成本。
在音頻中心的模擬域中混合能夠消除樣本速率轉換困難，而且靈活的混合通道能夠促成新的應用特性的出現。像WM8983和WM8985這樣的器件允許對麥克風(fēng)輸入、數字音樂(lè )、FM接收器和接收的語(yǔ)音數據進(jìn)行任意的混合，并提供重新數字化這一混合音頻的功能，這可促成如卡拉OK錄制等功能的實(shí)現。
音頻中心的節能電源設計
上述的信號鏈上針對各音頻功能的電源要求是音頻中心器件中最不同的，一般有3到4個(gè)獨立的電源域，每個(gè)域都有自己獨特的電壓/電流要求和噪聲特性。音頻中心器件需要進(jìn)行非常小心的設計才能在這些電源的不同局限下工作。在不犧牲音頻信號質(zhì)量的前提下將功耗降至最低，是在合理降低電池壽命的前提下為便攜式設計提供Hi-Fi質(zhì)量音樂(lè )的關(guān)鍵，每個(gè)電源域必須使用不同的省電技術(shù)。
由于降低數字部分電源電壓不會(huì )影響音頻質(zhì)量，數字內核將采用盡可能低的電壓以節省電能。使用這些低電壓的DC/DC轉換器與線(xiàn)性穩壓器相比可大幅提高功率轉換效率，DC/DC轉換器的高頻率開(kāi)關(guān)引起的電源紋波可以更容易地采用數字電路來(lái)加以抑制，而一個(gè)模擬塊需要一個(gè)穩定的電源電壓來(lái)使得噪聲水平盡可能地低。
以類(lèi)似的方法，采用低電壓的數字I/O緩沖器電源將消耗更少的功率，而且音頻質(zhì)量將不會(huì )受到影響，盡管由于一些實(shí)際的原因這一電源電壓有時(shí)要高于數字內核的電源電壓(例如，為了保持相互通信的器件之間的信令電壓水平的一致)。
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而與數字功能不同，模擬信號處理元件(如ADC、DAC、混頻器、放大器和麥克風(fēng)接口)對噪聲非常敏感。信噪比可通過(guò)提高模擬電源電壓而改善，但代價(jià)是功耗增加了。系統設計師必須根據他們自己的音頻質(zhì)量和功耗目標做出合理的折衷。
維持一個(gè)穩定而干凈的模擬電源對預防電源噪聲降低音頻質(zhì)量也很重要。盡管良好的設計和差分技術(shù)能夠改善電源抑制比(PSRR)，但通常采用一個(gè)高PSRR的線(xiàn)性穩壓器為音頻中心上的模擬電路供電。在穩壓器的輸出電壓和最小輸入電壓之間有一個(gè)足夠的裕量也很重要，這可在電池放電時(shí)維持高的PSRR水平。在便攜式音頻應用中2.7V和3.0V之間的模擬電壓是相當典型的。
音頻中心上模擬電路省電的最有效策略是提供靈活和粒狀電源管理控制，從而那些對某一給定的應用情景而言不是必要的電路就可以被關(guān)掉。例如，大多數音頻中心至少在片上有2個(gè)ADC和2個(gè)DAC，但語(yǔ)音錄制功能僅需要使用一個(gè)ADC，PCM語(yǔ)音通話(huà)需要一個(gè)ADC和一個(gè)DAC，MP3播放需要使用兩個(gè)DAC。
只要在某個(gè)特別的電路里有功耗和音頻質(zhì)量折衷問(wèn)題，就可以采用低功耗模式，這樣當質(zhì)量要求降低時(shí)(如在語(yǔ)音通信時(shí))，性能也可以適當地降低以節省電力。隨著(zhù)音頻中心器件復雜性不斷增長(cháng)以匹配不斷增加的手機性能，可能的器件配置數量也在增長(cháng)，不同塊的低級別控制變得必要起來(lái)以避免浪費功率。
高品質(zhì)數據轉換器與D類(lèi)驅動(dòng)器相結合
傳統的AB類(lèi)揚聲器驅動(dòng)器通常本身消耗的功率要大于它們傳送到揚聲器上的功率，這降低了電池壽命并可能會(huì )導致器件本身過(guò)熱。D類(lèi)揚聲器驅動(dòng)器—— 揚聲器驅動(dòng)器使用的技術(shù)到目前為止是影響總體效率的最大因素。
例如，一個(gè)每通道提供1W功率的效率為40%的立體聲AB類(lèi)揚聲器驅動(dòng)器至少需要從電池中消耗5W的功率，其中3W轉變成熱在該器件上耗散掉。在一些應用中，所有其它與音頻相關(guān)的功率消耗與此相比要低兩個(gè)數量級，這使得揚聲器驅動(dòng)器成為低效率和不必要電池功率消耗的主要源頭。D類(lèi)揚聲器驅動(dòng)器正越來(lái)越多地用于提升效率、延長(cháng)電池壽命和簡(jiǎn)化熱管理問(wèn)題，過(guò)多熱量會(huì )限制設備功能和增加成本。
在支持電影回放、游戲或其它多媒體功能的便攜式應用中，揚聲器需要在一段很長(cháng)的時(shí)間內保持工作狀態(tài)，D類(lèi)技術(shù)在延長(cháng)電池壽命方面是非常有效的。即便是直到最近揚聲器的工作時(shí)間(如在播放鈴聲時(shí))還一直相對較短的手機，現在也開(kāi)始支持揚聲器和多媒體流功能，這些功能需要更長(cháng)時(shí)間地使用揚聲器驅動(dòng)器。因此，D類(lèi)放大器在手機設計中正越來(lái)越多地取代AB類(lèi)放大器。
爆裂聲和滴答聲抑制——在音頻電路設置期間產(chǎn)生的聽(tīng)得見(jiàn)的爆裂聲和滴答聲會(huì )降低用戶(hù)的使用體驗，而且在系統開(kāi)發(fā)期間常常也花費巨大的努力去消除這些噪音。集成了爆裂聲和滴答聲抑制電路的音頻中心器件能夠進(jìn)一步縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間和提高能感知到的音頻質(zhì)量。有趣的是，免受爆裂聲、滴答聲和其它不愉快噪音的高質(zhì)量音頻也具有提高視頻圖像質(zhì)量的效果。
總結
經(jīng)過(guò)精心設計的音頻中心器件能夠將數據轉換器和電源管理等功能集成在一起，以更小的形狀因子和更長(cháng)的電池壽命為用戶(hù)提供Hi-Fi音頻和更多的手機功能。對手機設計師來(lái)說(shuō)，易用性、更少的元件數和靈活的電源管理性能等額外的好處是采用這些器件的主要依據。
通過(guò)高品質(zhì)音頻編碼解碼器與D類(lèi)放大器技術(shù)相結合，在延長(cháng)便攜式多媒體設備的電池壽命方面是非常有效的，它允許新的功能(如游戲和TV流)工作更長(cháng)時(shí)間。高級別的硅集成度提供了更小的PCB面積和元器件數的明顯好處，但隨著(zhù)Hi-Fi音頻變得更加重要，以前對僅設計用于語(yǔ)音通信的手機來(lái)說(shuō)優(yōu)先級不是很高的其它挑戰，現在也必須加以解決。
更高的集成度可為終端用戶(hù)提供真實(shí)的好處，但必須一直保持對音頻質(zhì)量的關(guān)注?；旌闲盘栐O計師必須在整條信號鏈上維持音頻質(zhì)量，并牢記手機電池的局限性。憑借良好的設計，一個(gè)更佳的音頻體驗不一定會(huì )產(chǎn)生額外的功耗或要付出很多附加元件的代價(jià)。
