浅析一种高质量便携式音频性能产品实现方案

　　消费电子市场对具有音频播放和录音功能的便携式产品需求的显著增长。人们希望这些产品具有的特性包括：电池寿命长、体积小、重量轻以及具有高质量的音频性能。这些产品不仅必须满足这些要求，而且也必须同时满足消费者对消费电子产品低成本的期望。
　　1 功能集成
　　为满足这些期望，最为行之有效的方法是将这些产品所要求的多种功能，集成在最少数量的集成电路中。多年来，集成的优势已在许多不同市场和应用中得到验证。与采用若干分立元件的解决方案相比，集成解决方案的明显优势之一是成本低。另一个明显优势是集成解决方案所需的PCB空间更少，因此可最大限度地减少成本、高度和重量。
　　此外，它还有另外一个不太明显却同样重要的优势，那就是集成解决方案通常具有更强的电源管理能力，并可以关断没被使用的功能模块和功能的电源，从而尽量延长电池寿命。例如，如果使用便携式录音机/播放器来播放MP3文件，就没有理由为用于录音的模数转换器和麦克风电路供电。可以分别为这些电路供电，以降低功耗、延长播放时间。
　　集成的功能通常有两种。一是模拟和混合信号功能，包括音频转换器（A/D和D/A）、模拟输入复用器、音量控制、麦克风前置放大器、耳机放大器、扬声器驱动器以及其它类似功能。二是系统的数字功能，包括音频/视频解码器、用户接口、USB输入/输出、显示接口以及类似功能。遗憾的是，如今最新的亚微米数字工艺的直流偏压耳机放大器特性对模拟和混合信号功能来说还不够理想。这些局限性迫使人们对集成度水平进行选择并做出相应折衷。因此，有两条集成路径可供选择。
　　第一条路径是接受先进工艺在模拟方面的局限性，沿着单芯片解决方案的道路走下去。许多产品领域可以接受这些模拟局限性，包括当前市场上成本很低的MP3播放器。对于这些产品，成本是主要关注的问题，音频质量则是次要的。类似的情况也存在于低端DVD播放器和机顶盒当中。
　　第二条路径是保持音频质量的具有更高优先级。先进的亚微米数字工艺非常适用于便携式产品中高度集成的数字功能，也有很好的工艺适用于模拟功能，两者正好是不一样的。因此，高质量便携式音频产品正在朝着双芯片解决方案的方向发展。
　　2 系统电源
　　最大限度降低功耗和延长电池寿命的有效技术之一是降低系统电源电压，这种方法也与硅半导体工艺技术的最新进展非常一致，工艺技术正不断沿着电源电压越来越低的方向发展。研究系统电源电压和功耗之间的关系非常有趣。在模拟集成电路中，功耗是电源电压的函数，两者基本上线性关系。实际上，与同类型的3.3V系统相比，1.8V模拟系统可大约减少45%功耗。由于电流消耗的额外减少，数字集成电路可节省的功耗则更多。随着电流的额外减少，1.8V数字系统与同类型的3.3V系统相比，功耗可下降75%。
　　有关电源的另一个旗帜鲜明的观点是“越少越好”。系统电源电压的种类越少，系统内的元件数量就越少，同时能尽量降低PCB设计的复杂性并减少系统成本和尺寸。
　　0.25微米工艺是高质量、低功耗模拟和混合信号IC的理想选择。这种工艺在典型的电源电压下降到1.8V时工作良好。因此，对于在保持高质量音频性能的同时最大限度减少成本和功耗的设计目标来说，采用1.8V单系统电源电压非常合适。遗憾的是，事情并没有这么简单。这些系统使用的大多数耳机都有32欧姆的阻抗，这意味着为得到可接受的收听音量，电源电压必须大于1.8V。
　　3 耳机放大器
　　由电池供电的产品内的耳机放大器通常要求由单正电源供电。单电源放大器的基本缺点是放大器的输出采用直流偏压，这个电压大约为电源电压的二分之一。耳机音圈（或者任何扬声器的音圈）的DC电阻由线圈中金属线的电阻决定，这个电阻非常低，如果施加一个DC电压，音圈上就会有明显的电流流过。这将至少导致音频质量下降，而最明显和最可能的结果是对耳机造成永久性损坏。这足以说明在耳机或扬声器上施加一个DC电压通常是非常蹩脚的设计。
　　
　　图1：直流偏压的耳机放大器。
　　3.1 直流偏压耳机放大器
　　用来隔离DC电流的最常见技术是采用去耦电容，如图1所示。在信号路径中放置一个电容可以创建一个高通滤波器，其角频率由耳机阻抗（R）和去耦电容（C）设置，等于1/（2πRC）。通常人的耳朵能够听到声音频率最低为20Hz。根据这个下限和耳机的典型阻抗，可很容易地计算出所需的电容值。对于20Hz的角频率，电容容值取500uF。
　　很显然，由于成本和在PCB上安装这个大体积电容所需的空间，这种解决方案无法被接受。通常可以接受的折衷方案是采用220uF电容，此时角频率大约为45Hz，而且占用更少的板上空间。虽然这种折衷方案传统上已被用于许多设计中，但它仍然是一种折衷。值得注意的是，这种拓扑不适用于单1.8V系统，因为1.8V放大器无法将耳机驱动到可接受的收听音量水平的能力。尽管存在成本、PCB空间和频率响应方面的局限性，但多年来容性耦合的耳机放大器一直都是便携式音频产品中唯一可行的解决方案。虽然这种拓扑已被用在许多设计中，但当系统要求变得更加严格时，这种折衷成具有显著的局限性。
　　
　　图2：集成的地居中耳机放大器。
　　3.2 地居中耳机放大器
　　输出信号地居中（ground-centered）的耳机放大器是一个理想的解决方案。如图2所示，利用与DC电位一样的放大器输出作为耳机回送（地），DC电流将不会流过耳机。与直流偏压放大器相比，这种放大器在低频率响应、节省PCB空间和元件成本方面具有明显优势。然而，地居中放大器对系统的一个要求是同时需要正、负电源电压。
　　
　　图3：分别基于这两种放大器的音频转换器PCB布局图。
　　Cirrus Logic公司和其它制造商通过集成充电泵来产生耳机放大器所需的负电源电压，从而解决了这个问题。这些充电泵效率比较高，并且仅需最少的外部元件。这种拓扑不但不需要耳机的去耦电容，而且可从1.8V系统获得能产生足够收听音量的功率。充电泵产生负1.8V电压，能有效地为3.6V放大器供电。
　　与直流偏压放大器相比，地居中放大器具有许多优势：
　　（1）最大限度地减少了PCB空间。图3给出了需要隔直电容的音频编解码器与集成了地居中放大器的音频编解码器的PCB布局图。
　　（2）去掉电容C3和C4可节省50mm2以上的板上空间。内部充电泵需要电容C5和C6，这些电容与典型的电源去耦电容的大小相当。
　　（3）具有最优的低频性能。由于地居中放大器不需要带有大串联电容的高通滤波器（HPF），所以它具有良好的低频响应。图4是两者的频率响应对比。
　　（4）由单1.8V系统电源供电就能提供适当的收听音量。充电泵可产生负1.8V电源电压，当与系统的1.8V电源组合使用时，可有效地产生3.6V电压来驱动放大器。这种结构使系统可以采用单1.8V电源，以尽量减少功耗，并保持产生足够收听音量的能力。
　　（5）在上电和断电的瞬态过程中没有噪音。除了具有在直流偏压放大器配置中需要折衷的所有优势外，由于不需要隔直电容，地居中配置在上电和断电的瞬变过程中，不会产生由隔直电容充放电引起的喀哒声和砰砰声。
　　
　　图4：频率响应显示了截至频率与音频带宽的关系。
　　4 集成的混合***实例
　　Cirrus Logic公司的CS42L51是一个高度集成的混合***实例（图5），它专门正对低功耗、高质量的音频产品而设计。该器件能工作在单1.8V系统电源下，并在地居中耳机放大器中集成了一个充电泵。这个高度集成的解决方案的优势非常明显（如图6所示），这里的PCB布局包括所有的电源去耦电容、充电泵滤波器和CS42L51所需的其它元件。
　　
　　图5：CS42L51的结构方框图。
　　5 本文小结
　　由电池供电的便携式音频产品正在以令人难以置信的速度增长，在集成更多功能和性能的同时延长工作时间、减小产品尺寸和重量的趋势也将持续下去。这种趋势已在最新的音频和视频媒体播放器、智能电话和个人数字助理、无线耳机、游戏控制台、手持卫星无线电/GPS产品以及其它产品中得到体现。
　　这些设备中增加的功能性和便携性将继续推动多种功能的混合信号的集成，包括支持非音频时钟要求的锁相环、电压调节器以及改进的电源管理能力。这些应用所需要的高质量音频，也对独立的数字和混合信号集成产品的提出更多需求。
　　
　　图6：CS42L51解决方案所需的PCB面积很小。