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。

1 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勢之一是成本低。另一個明顯優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展。

2 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。

3 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。

3.1 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，等于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。對于20Hz的角頻率，電容容值取500uF。

很顯然，由于成本和在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，而且占用更少的板上空間。雖然這種折衷方案傳統上已被用于許多設計中，但它仍然是一種折衷。值得注意的是，這種拓撲不適用于單1.8V系統，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空間和頻率響應方面的局限性，但多年來容性耦合的耳機放大器一直都是便攜式音頻產品中唯一可行的解決方案。雖然這種拓撲已被用在許多設計中，但當系統要求變得更加嚴格時，這種折衷成具有顯著的局限性。

圖2：集成的地居中耳機放大器。

3.2 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空間和元件成本方面具有明顯優勢。然而，地居中放大器對系統的一個要求是同時需要正、負電源電壓。

圖3：分別基于這兩種放大器的音頻轉換器PCB布局圖。

Cirrus Logic公司和其它制造商通過集成充電泵來產生耳機放大器所需的負電源電壓，從而解決了這個問題。這些充電泵效率比較高，并且僅需最少的外部元件。這種拓撲不但不需要耳機的去耦電容，而且可從1.8V系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。由于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系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，當與系統的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。這種結構使系統可以采用單1.8V電源，以盡量減少功耗，并保持產生足夠收聽音量的能力。

（5）在上電和斷電的瞬態過程中沒有噪音。除了具有在直流偏壓放大器配置中需要折衷的所有優勢外，由于不需要隔直電容，地居中配置在上電和斷電的瞬變過程中，不會產生由隔直電容充放電引起的喀噠聲和砰砰聲。

圖4：頻率響應顯示了截至頻率與音頻帶寬的關系。

4 集成的混合信號音頻編解碼器實例

Cirrus Logic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系統電源下，并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），這里的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。

5 本文小結

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、游戲控制臺、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，包括支持非音頻時鐘要求的鎖相環、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。

圖6：CS42L51解決方案所需的PCB面積很小。