隨著(zhù)數字錄音和傳輸的出現，將數字信號源與數字處理直接結合起來(lái)提供端到端數字音頻系統的想法看起來(lái)即將實(shí)現。端到端數字音頻確保數字音頻源?無(wú)論是CD、DVD或HDTV?“原汁原味”地還原其錄制或發(fā)送時(shí)的高分辨率。此外，它使得音頻和視頻可以成為很多消費產(chǎn)品的一種功能，而不僅僅是一種單功能的產(chǎn)品。最顯著(zhù)的實(shí)例是蜂窩電話(huà)上的音頻播放器、在電視機頂盒中的錄像硬盤(pán)，以及甚至是電腦上的音頻/視頻播放功能。隨著(zhù)音頻/視頻系統集成的增加和成本的降低，這僅僅是數字化生活爆發(fā)的開(kāi)始。

消費者已經(jīng)熱烈的擁抱了數字化生活方式。在不久之前，TiVo和MP3播放器以及高清電視在技術(shù)上非常新穎�，F在，數字視頻錄像機(DVR)和iPod以及平板電視是一類(lèi)很酷的產(chǎn)品，正在形成今天的流行文化。消費者開(kāi)始重視數字化生活帶來(lái)的方便性和酷的感覺(jué)，即使是按照傳統的產(chǎn)品質(zhì)量尺度來(lái)看存在一些折衷，如音頻的保真度。當然消費者依然重視保真度，他們依然偏好于聲音效果更好的產(chǎn)品，但音頻保真度較低并不會(huì )妨礙他們接受這種數字生活方式。技術(shù)必須彌合這種差距。

系統架構的數字化

消費產(chǎn)品的系統架構越來(lái)越多地得到數字化，受到數字連接功能的爆炸性需求推動(dòng)。在數字信號處理以及像MPEG解碼和視頻縮放這樣的復雜功能算法的處理器技術(shù)進(jìn)步下，新產(chǎn)品類(lèi)別，如數字高清電視(圖1)的實(shí)現變成現實(shí)。像過(guò)去使用模擬技術(shù)來(lái)實(shí)現的濾波、解調制功能現在都以數字方式實(shí)現，成本和功耗更低，性能更高。如圖2所示，在系統架構中數字所涉及的區域不斷地擴展，將越來(lái)越接近現實(shí)世界的邊界，并涵蓋越來(lái)越多的系統功能。

數字系統級芯片(SoC)集成已經(jīng)成為系統架構數字化的主要關(guān)鍵技術(shù)，并推動(dòng)性?xún)r(jià)比的急劇增加。按照摩爾定律，工藝尺寸從0.25微米下降到0.18微米，再到0.13微米，現在已經(jīng)低于100納米。存儲器和混合信號電路的工藝創(chuàng )新以及DSP/RISC處理器架構的發(fā)展，都使得可以在更低的成本和更小的硅片上集成更多的功能。像Broadcom和Marve這些新公司的建立都是利用這種強大的產(chǎn)業(yè)趨勢，使得非常復雜的系統架構現在可以在單個(gè)SoC上實(shí)現。

圖1：目前的數字平板電視系統架構

圖2：未來(lái)的數字平板電視系統結構

系統接口芯片Tornado

盡管數字SoC集成對消費電子產(chǎn)品帶來(lái)了巨大影響，但是事實(shí)依然是我們基本上還生活在一個(gè)模擬的世界，這些大規模的數字SoC必須與這個(gè)模擬世界進(jìn)行對接。這種系統接口包括三個(gè)主要的功能，這些功能利用了混合信號和功率模擬技術(shù)：系統支撐、通信接口和消費者界面。

系統支撐功能主要是外部電源與越來(lái)越復雜的系統電源管理之間的接口。通信接口將數字SoC與數據通信網(wǎng)絡(luò )相連接，如以太網(wǎng)、Wi-Fi、藍牙、USB和蜂窩網(wǎng)絡(luò )。消費者界面實(shí)現用戶(hù)與數字世界之間的銜接，包括像顯示驅動(dòng)器、麥克風(fēng)輸入、音頻/視頻線(xiàn)入/出，以及到喇叭的音頻放大器輸出。

盡管SoC性?xún)r(jià)比學(xué)習曲線(xiàn)(圖3)在過(guò)去十年中非常地陡，但系統接口功能僅獲得有限的改善。直到最近，這依然保持常態(tài)，因為數字SoC功能代表了主要的系統成本以及改善機會(huì )。然而，這種情況已經(jīng)發(fā)生了改變。系統接口功能的成本占了IC成本的很大比例，產(chǎn)生了投資的黃金機會(huì )，加快了性?xún)r(jià)比學(xué)習曲線(xiàn)。

圖3：SoC SIC價(jià)格-性能學(xué)習曲線(xiàn)和系統集成架構。

今天，三個(gè)產(chǎn)業(yè)因素匯合在一起圍繞著(zhù)系統接口功能上產(chǎn)生了一個(gè)“完美風(fēng)暴”，這類(lèi)似于過(guò)去SoC所曾經(jīng)歷的那樣。首先，市場(chǎng)受到消費者對數字生活方式的需求推動(dòng)，在產(chǎn)生、存儲、發(fā)送和處理數字內容上的技術(shù)進(jìn)步也促進(jìn)了市場(chǎng)的發(fā)展。其次，如高壓(HV)CMOS這樣的關(guān)鍵半導體工藝技術(shù)已經(jīng)步入實(shí)用，這也推動(dòng)了低成本地集成系統接口功能(需要電源模擬電路)所必須要求的規模經(jīng)濟。第三，出現了可以用于功率模擬功能的創(chuàng )新架構技術(shù)，例如電源管理和音頻放大。隨著(zhù)SoC集成趨勢，這三股力量相互加強，形成了系統接口芯片(SIC)集成的強大支持力量。

音頻是消費電子產(chǎn)品的關(guān)鍵

便攜性和可用性是推出當前消費者期望的產(chǎn)品的成功關(guān)鍵因素(以iPod為見(jiàn)證)，實(shí)現這些產(chǎn)品特性的關(guān)鍵技術(shù)是針對便攜性的電源管理SIC和針對可用性的音頻SIC。音頻是當前消費電子產(chǎn)品中普遍存在的關(guān)鍵部分。事實(shí)上，很難以想象在哪個(gè)產(chǎn)品中?從平板電視到蜂窩電話(huà)、膝上型電腦、個(gè)人媒體播放器到錄像機甚至到數字像機?不具有或者將來(lái)也不會(huì )具有這樣或那樣的音頻功能。因而，音頻是SIC集成的一個(gè)自然的關(guān)鍵推動(dòng)因素。

不僅僅是單純出現音頻、音頻質(zhì)量?或者更準確地說(shuō)?音頻的保真度，對于最終產(chǎn)品被消費者所感知的質(zhì)量來(lái)說(shuō)是非常重要的。人對聲音體驗的處理既是有意識的，也是潛意識地形成一種感覺(jué)并做出評判。音頻總是處于前面和中間，需要能夠聽(tīng)出是按鈕按下的聲音、旋鈕旋轉的聲音，或者是音軌的清晰、溫暖和細節體驗。

即使是在評估高清晰平板電視的圖像質(zhì)量時(shí)，如果配之以較高保真度的音響效果，消費者都會(huì )對圖像做出更高的評價(jià)。系統設計工程師需要特別注意他們在消費電子產(chǎn)品中設計的音頻的保真度，選擇在不損害音頻保真度的情況下能滿(mǎn)足系統對功耗、接口兼容性、外形尺寸、一致性以及成本要求的技術(shù)。

數字放大器音頻SIC的關(guān)鍵

設計真正高保真音頻器件是非常棘手的事。很多可以明了和難以明了的因素共同影響體驗到的音頻保真度。對于好的音頻質(zhì)量，盡管像總諧波失真(THD)和信噪比(SNR)這些可測試的衡量標準是必要的，但是它們通常并不能得出整個(gè)情況。以高清電視采用音頻放大器為例，兩個(gè)放大器都具有0.1~0.2%的THD以及105dB的SNR相近的性能，但是仍然可以得到非常不一樣的聲音體驗，這種體驗取決于失真的特性和噪聲，并取決于放大器能多大程度上真實(shí)地再現非常小的音頻信號。例如，一個(gè)能再現滿(mǎn)幅度信號下100dB的信號放大器與一個(gè)只有85dBFS的放大器相比，聲音體驗非常柔和、清晰、清脆。因此，盡管測試規格很重要，音頻放大器設計的藝術(shù)取決于多個(gè)設計因素的平衡以及“金耳朵”專(zhuān)家非常細致的主觀(guān)判斷。

音頻保真度最終要依靠喇叭和功率放大器來(lái)實(shí)現，這些是音頻信號鏈路的最后功能，在這里電子信號被轉換成可以聽(tīng)見(jiàn)的聲音信號。不同領(lǐng)域之間的轉換總是很棘手，在這里也不利外。在當前使用數字SoC的系統架構中，需要采用放大器來(lái)將數字音頻的比特轉換成功率模擬信號，這個(gè)信號可以驅動(dòng)低阻抗喇叭音圈，從而產(chǎn)生我們耳朵能聽(tīng)到的聲波。事實(shí)上，要低成本地實(shí)現這種功能?符合總體系統要求且不需要犧牲聲音的保真度?是很困難的，但也是必要的。

盡管最初采用傳統的A/B類(lèi)模擬放大器與音頻數模轉換器(DAC)組合就是為實(shí)現這個(gè)任務(wù)，但是這種解決方案不能滿(mǎn)足當前數字系統架構要求的功效和集成能力。D類(lèi)放大器最初是受到平板電視的熱敏感因素推動(dòng)，現在因為其優(yōu)越的功效而得到很多數字音頻系統的采納，其效率達90%，而A/B類(lèi)放大器只有50%。當前以音頻為主的消費電子產(chǎn)品的關(guān)鍵挑戰在于：采用D類(lèi)功率級以及數字信號接口以開(kāi)發(fā)出高保真的放大器技術(shù)。

很明顯，數字音頻放大器技術(shù)是音頻系統SIC集成的關(guān)鍵。音頻在當前的消費電子產(chǎn)品中廣泛存在，對于感受產(chǎn)品質(zhì)量來(lái)說(shuō)是最重要的。數字化的生活方式推動(dòng)了對具備獨特數字音頻放大器屬性的新產(chǎn)品要求，系統架構的數字化推動(dòng)數字接口更接近于現實(shí)生活的邊界。半導體經(jīng)濟正在推動(dòng)SIC集成以包含所有的功能；在這種追求中，集成數字音頻放大器是最為關(guān)鍵的挑戰�？梢哉f(shuō)，在消費產(chǎn)品中，數字放大器技術(shù)相對于模擬SIC的集成是絕對必要的，正如視頻和圖像處理技術(shù)相對于數字SoC的是絕對必要一樣。

HDTV的數字放大器考慮

在考慮數字消費電子設計，如高清晰平板電視時(shí)，發(fā)展出了三種都使用脈寬調制(PWM)D類(lèi)輸出級的數字放大器架構：1. 模擬PWM加DAC；2. 增量累加PWM；3. 分段(Sub-ranging)PWM。圖4展示了在高清晰平板電視中使用的幾種數字放大器架構的幾種關(guān)鍵產(chǎn)品屬性比較。

圖4：各類(lèi)數字放大器性能比較一覽表

傳統模擬PWM D類(lèi)放大器需要模擬輸入，依賴(lài)于一個(gè)DAC實(shí)現與來(lái)自SoC的數字信號進(jìn)行接口。如果DAC集成在SoC中，在把這些敏感的模擬信號在電路板上進(jìn)行布線(xiàn)時(shí)，要特別注意規避干擾敏感性以及防止信號變壞。盡管因為模擬PWM放大器的低成本使得其成為平板電視的普遍選擇，音頻保真度性能居于中等，因為在具有單級開(kāi)關(guān)電壓的開(kāi)關(guān)大功率MOSFET中存在局限性，并被限制為大約13比特(80dB)。

最近，引入了數字放大器設計，使用分段PWM或增量累加PWM來(lái)驅動(dòng)D類(lèi)放大器輸出級。數字輸入接口通常使用一個(gè)來(lái)自處理器SoC的標準3線(xiàn)I2S數字總線(xiàn)，電路板設計顧慮得到緩解，對干擾的免疫能力得到提高。設計工程師通過(guò)消除互連長(cháng)度以及布局接近數字SoC的要求，而獲得更大的靈活性和自由度。

盡管通常比模擬PWM放大器更貴，增量累加PWM放大器通過(guò)使用集成反饋環(huán)路和噪聲整形信號處理來(lái)抑制帶內量化誤差以及對輸出信號進(jìn)行線(xiàn)性化；這樣確實(shí)能提供更優(yōu)的音頻保真度，大約為15比特(90dB)。然而，常見(jiàn)的批評是聲音體驗有點(diǎn)刺耳并且音色不正。

另外一個(gè)設計考慮涉及抑制從放大器輸出引入的電磁干擾(EMI)。數字放大器的輸出信號是采樣數據，按照離散的時(shí)間間隔改變電平，這個(gè)間隔時(shí)間由脈沖重復頻率(PRF)定義，它產(chǎn)生的諧波是主要的EMI源。增量累加調制器采用更高的PRF來(lái)獲得改善的音頻性能，因此需要特別注意EMI的抑制。

分段PWM數字放大器通過(guò)避免因為半導體技術(shù)導致的非線(xiàn)性，可以獲得超過(guò)17比特(>102dB)的精度以及保真度。通過(guò)使用雙電平數字-脈寬轉換方案，這種放大器能如實(shí)地再現甚至最小的音頻信號，提供一個(gè)柔和的、清晰的聲音體驗。與增量累加調制不同的是，分段調制帶來(lái)的性能改善并不直接與PRF相關(guān)，而是與有效地從保真度目標消除EMI耦合有關(guān)。更重要的是，分段PWM放大器成本低，可修正以跟其它音頻系統接口功能集成。

本文小結

數字生活方式的爆發(fā)性發(fā)展現在推動(dòng)了音頻/視頻系統的集成，架構的數字化推動(dòng)消費電子產(chǎn)品系統成本的降低。盡管在過(guò)去10年來(lái)非常陡峭的價(jià)格-性能學(xué)習曲線(xiàn)歸因于數字系統級芯片集成，現在系統接口功能展示了投資的黃金機會(huì )，并加快性?xún)r(jià)比學(xué)習曲線(xiàn)。因為音頻作為一個(gè)核心的部分廣泛存在于消費電子產(chǎn)品中，因此，很自然地，對于在終端產(chǎn)品品質(zhì)上非常重要的音頻保真度而言，系統接口芯片與放大器的集成非常關(guān)鍵。當前的系統設計工程師在音頻數字功率放大器上采用新的選擇來(lái)彌合技術(shù)差距，實(shí)現不降低音頻保真度的數字生活方式。