中心議題：

• 便攜式音頻功能集成
• 便攜式音頻係統電源

解決方案：

• 直流偏壓耳機放大器
• 地居中耳機放大器

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wei滿man足zu這zhe些xie期qi望wang，最zui為wei行xing之zhi有you效xiao的de方fang法fa是shi將jiang這zhe些xie產chan品pin所suo要yao求qiu的de多duo種zhong功gong能neng
，集ji成cheng在zai最zui少shao數shu量liang的de集ji成cheng電dian路lu中zhong。多duo年nian來lai，集ji成cheng的de優you勢shi已yi在zai許xu多duo不bu同tong市shi場chang和he應ying用yong中zhong得de到dao驗yan證zheng。與yu采cai用yong若ruo幹gan分fen立li元yuan件jian的de解jie決jue方fang案an相xiang比bi，集ji成cheng解jie決jue方fang案an的de明ming顯xian優you勢shi之zhi一yi是shi成cheng本ben低di。另ling一yi個ge明ming顯xian優you勢shi是shi集ji成cheng解jie決jue方fang案an所suo需xu的dePCB空間更少，因此可最大限度地減少成本、高度和重量。
　　
此ci外wai

，它ta還hai有you另ling外wai一yi個ge不bu太tai明ming顯xian卻que同tong樣yang重zhong要yao的de優you勢shi，那na就jiu是shi集ji成cheng解jie決jue方fang案an通tong常chang具ju有you更geng強qiang的de電dian源yuan管guan理li能neng力li，並bing可ke以yi關guan斷duan沒mei被bei使shi用yong的de功gong能neng模mo塊kuai和he功gong能neng的de電dian源yuan，從cong而er盡jin量liang延yan長chang電dian池chi壽shou命ming。例li如ru，如ru果guo使shi用yong便bian攜xie式shi錄lu音yin機ji/播放器來播放MP3文件，就沒有理由為用於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)、模擬輸入複用器、音量控製、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。二是係統的數字功能
，包括音頻/視頻解碼器

、用戶接口、USB輸入/輸出、xianshijiekouyijileisigongneng。yihandeshi，rujinzuixindeyaweimishuzigongyidezhiliupianyaerjifangdaqitexingduimonihehunhexinhaogongnenglaishuohaibugoulixiang。zhexiejuxianxingposhirenmenduijichengdushuipingjinxingxuanzebingzuochuxiangyingzhezhong。yinci
，youliangtiaojichenglujingkegongxuanze。
　　
第(di)一(yi)條(tiao)路(lu)徑(jing)是(shi)接(jie)受(shou)先(xian)進(jin)工(gong)藝(yi)在(zai)模(mo)擬(ni)方(fang)麵(mian)的(de)局(ju)限(xian)性(xing)，沿(yan)著(zhe)單(dan)芯(xin)片(pian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)道(dao)路(lu)走(zou)下(xia)去(qu)。許(xu)多(duo)產(chan)品(pin)領(ling)域(yu)可(ke)以(yi)接(jie)受(shou)這(zhe)些(xie)模(mo)擬(ni)局(ju)限(xian)性(xing)
，包(bao)括(kuo)當(dang)前(qian)市(shi)場(chang)上(shang)成(cheng)本(ben)很(hen)低(di)的(de)MP3播放器。對於這些產品

，成本是主要關注的問題，音頻質量則是次要的。類似的情況也存在於低端DVD播放器和機頂盒當中。
　　
第di二er條tiao路lu徑jing是shi保bao持chi音yin頻pin質zhi量liang的de具ju有you更geng高gao優you先xian級ji。先xian進jin的de亞ya微wei米mi數shu字zi工gong藝yi非fei常chang適shi用yong於yu便bian攜xie式shi產chan品pin中zhong高gao度du集ji成cheng的de數shu字zi功gong能neng，也ye有you很hen好hao的de工gong藝yi適shi用yong於yu模mo擬ni功gong能neng，兩liang者zhe正zheng好hao是shi不bu一yi樣yang的de。因yin此ci，高gao質zhi量liang便bian攜xie式shi音頻產品正在朝著雙芯片解決方案的方向發展。
　　
係統電源
　　
最zui大da限xian度du降jiang低di功gong耗hao和he延yan長chang電dian池chi壽shou命ming的de有you效xiao技ji術shu之zhi一yi是shi降jiang低di係xi統tong電dian源yuan電dian壓ya
，這zhe種zhong方fang法fa也ye與yu矽gui半ban導dao體ti工gong藝yi技ji術shu的de最zui新xin進jin展zhan非fei常chang一yi致zhi，工gong藝yi技ji術shu正zheng不bu斷duan沿yan著zhe電dian源yuan電dian壓ya越yue來lai越yue低di的de方fang向xiang發fa展zhan。研yan究jiu係xi統tong電dian源yuan電dian壓ya和he功gong耗hao之zhi間jian的de關guan係xi非fei常chang有you趣qu。在zai模mo擬ni集ji成cheng電dian路lu中zhong，功gong耗hao是shi電dian源yuan電dian壓ya的de函han數shu，兩liang者zhe基ji本ben上shang線xian性xing關guan係xi。實shi際ji上shang，與yu同tong類lei型xing的de3.3V係統相比，1.8V模擬係統可大約減少45%功耗。由於電流消耗的額外減少
，數字集成電路可節省的功耗則更多。隨著電流的額外減少
，1.8V數字係統與同類型的3.3V係統相比
，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”。係統電源電壓的種類越少
，係統內的元件數量就越少

，同時能盡量降低PCB設計的複雜性並減少係統成本和尺寸。
　　
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，對於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單係統電源電壓非常合適。遺憾的是，事情並沒有這麼簡單。這些係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，電源電壓必須大於1.8V。
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耳機放大器
　　
由(you)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)的(de)產(chan)品(pin)內(nei)的(de)耳(er)機(ji)放(fang)大(da)器(qi)通(tong)常(chang)要(yao)求(qiu)由(you)單(dan)正(zheng)電(dian)源(yuan)供(gong)電(dian)。單(dan)電(dian)源(yuan)放(fang)大(da)器(qi)的(de)基(ji)本(ben)缺(que)點(dian)是(shi)放(fang)大(da)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)采(cai)用(yong)直(zhi)流(liu)偏(pian)壓(ya)，這(zhe)電(dian)壓(ya)大(da)約(yue)為(wei)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)的(de)二(er)分(fen)之(zhi)一(yi)。耳(er)機(ji)音(yin)圈(quan)(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dian壓ya，音yin圈quan上shang就jiu會hui有you明ming顯xian的de電dian流liu流liu過guo。這zhe將jiang至zhi少shao導dao致zhi音yin頻pin質zhi量liang下xia降jiang
，而er最zui明ming顯xian和he最zui可ke能neng的de結jie果guo是shi對dui耳er機ji造zao成cheng永yong久jiu性xing損sun壞huai。這zhe足zu以yi說shuo明ming在zai耳er機ji或huo揚yang聲sheng器qi上shang施shi加jia一yi個geDC電壓通常是非常蹩腳的設計。

圖1：直流偏壓的耳機放大器。

直流偏壓耳機放大器
　　
用來隔離DC電流的最常見技術是采用去耦電容
，如圖1所示。在信號路徑中放置一個電容可以創建一個高通濾波器，其角頻率由耳機阻抗(R)和去耦電容(C)設置
，等於1/(2πRC)。通常人的耳朵能夠聽到聲音頻率最低為20Hz。根據這個下限和耳機的典型阻抗，可很容易地計算出所需的電容值。對於20Hz的角頻率，電容容值取500uF。
　　
很顯然，由於成本和在PCB上安裝這個大體積電容所需的空間，這種解決方案無法被接受。通常可以接受的折衷方案是采用220uF電容，此時角頻率大約為45Hz，而er且qie占zhan用yong更geng少shao的de板ban上shang空kong間jian。雖sui然ran這zhe種zhong折zhe衷zhong方fang案an傳chuan統tong上shang已yi被bei用yong於yu許xu多duo設she計ji中zhong
，但dan它ta仍reng然ran是shi一yi種zhong折zhe衷zhong。值zhi得de注zhu意yi的de是shi
，這zhe種zhong拓tuo撲pu不bu適shi用yong於yu單dan1.8V係統，因為1.8V放大器無法將耳機驅動到可接受的收聽音量水平的能力。盡管存在成本、PCB空kong間jian和he頻pin率lv響xiang應ying方fang麵mian的de局ju限xian性xing，但dan多duo年nian來lai容rong性xing耦ou合he的de耳er機ji放fang大da器qi一yi直zhi都dou是shi便bian攜xie式shi音yin頻pin產chan品pin中zhong唯wei一yi可ke行xing的de解jie決jue方fang案an。雖sui然ran這zhe種zhong拓tuo撲pu已yi被bei用yong在zai許xu多duo設she計ji中zhong
，但dan當dang係xi統tong要yao求qiu變bian得de更geng加jia嚴yan格ge時shi，這zhe種zhong折zhe衷zhong成cheng具ju有you顯xian著zhu的de局ju限xian性xing。


　圖2：集成的地居中耳機放大器。
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地居中耳機放大器
　　
輸出信號地居中(ground-centered)的耳機放大器是一個理想的解決方案。如圖2所示
，利用與DC電位一樣的放大器輸出作為耳機回送(地)，DC電流將不會流過耳機。與直流偏壓放大器相比

，這種放大器在低頻率響應


、節省PCB空間和元件成本方麵具有明顯優勢。然而，地居中放大器對係統的一個要求是同時需要正、負電源電壓。


　圖3：分別基於這兩種放大器的音頻轉換器PCB布局圖。
　　
CirrusLogic公gong司si和he其qi它ta製zhi造zao商shang通tong過guo集ji成cheng充chong電dian泵beng來lai產chan生sheng耳er機ji放fang大da器qi所suo需xu的de負fu電dian源yuan電dian壓ya，從cong而er解jie決jue了le這zhe個ge問wen題ti。這zhe些xie充chong電dian泵beng效xiao率lv比bi較jiao高gao
，並bing且qie僅jin需xu最zui少shao的de外wai部bu元yuan件jian。這zhe種zhong拓tuo撲pu不bu但dan不bu需xu要yao耳er機ji的de去qu耦ou電dian容rong，而er且qie可ke從cong1.8V係統獲得能產生足夠收聽音量的功率。充電泵產生負1.8V電壓，能有效地為3.6V放大器供電。
　　
與直流偏壓放大器相比，地居中放大器具有許多優勢：
　　
(1)最大限度地減少了PCB空間。圖3給出了需要隔直電容的音頻編解碼器與集成了地居中放大器的音頻編解碼器的PCB布局圖。
　　
(2)去掉電容C3和C4可節省50mm2以上的板上空間。內部充電泵需要電容C5和C6，這些電容與典型的電源去耦電容的大小相當。
　　
(3)具有最優的低頻性能。由於地居中放大器不需要帶有大串聯電容的高通濾波器(HPF)，所以它具有良好的低頻響應。圖4是兩者的頻率響應對比。
　　
(4)由單1.8V係統電源供電就能提供適當的收聽音量。充電泵可產生負1.8V電源電壓，當與係統的1.8V電源組合使用時
，可有效地產生3.6V電壓來驅動放大器。這種結構使係統可以采用單1.8V電源，以盡量減少功耗，並保持產生足夠收聽音量的能力。
　　
(5)在zai上shang電dian和he斷duan電dian的de瞬shun態tai過guo程cheng中zhong沒mei有you噪zao音yin。除chu了le具ju有you在zai直zhi流liu偏pian壓ya放fang大da器qi配pei置zhi中zhong需xu要yao折zhe衷zhong的de所suo有you優you勢shi外wai，由you於yu不bu需xu要yao隔ge直zhi電dian容rong，地di居ju中zhong配pei置zhi在zai上shang電dian和he斷duan電dian的de瞬shun變bian過guo程cheng中zhong
，不bu會hui產chan生sheng由you隔ge直zhi電dian容rong充chong放fang電dian引yin起qi的de喀ka噠da聲sheng和he砰peng砰peng聲sheng。


圖4：頻率響應顯示了截至頻率與音頻帶寬的關係。
　　
集成的混合信號音頻編解碼器實例
　　
CirrusLogic公司的CS42L51是一個高度集成的混合信號音頻編解碼器實例(圖5)，它專門正對低功耗
、高質量的音頻產品而設計。該器件能工作在單1.8V係統電源下，並在地居中耳機放大器中集成了一個充電泵。這個高度集成的解決方案的優勢非常明顯(如圖6所示)，這裏的PCB布局包括所有的電源去耦電容
、充電泵濾波器和CS42L51所需的其它元件。


　圖5：CS42L51的結構方框圖。
　　
由電池供電的便攜式音頻產品正在以令人難以置信的速度增長，在集成更多功能和性能的同時延長工作時間
、減小產品尺寸和重量的趨勢也將持續下去。這種趨勢已在最新的音頻和視頻媒體播放器

、智能電話和個人數字助理、無線耳機
、遊戲控製台、手持衛星無線電/GPS產品以及其它產品中得到體現。
　　
這些設備中增加的功能性和便攜性將繼續推動多種功能的混合信號的集成，包括支持非音頻時鍾要求的鎖相環、電壓調節器以及改進的電源管理能力。這些應用所需要的高質量音頻
，也對獨立的數字和混合信號集成產品的提出更多需求。