半導體制造商所面對的最大挑戰之一就是要在產品制造的半導體工藝中來平衡功能和性能。可能許多人都聽說過90nm工藝，45nm工藝，等等。這些都是半導體制造商制造新產品所用的具體工藝。每家制造商都有其自己的工藝，每種工藝都有其自己的優點。

為了在一片小小的低成本芯片中植入更多的數字處理功能，所有工藝設計師所關注的都是使數字晶體管更小。但隨著工藝節點更小，電路更密集，系統的模擬性能似乎要受到影響。

要在充滿了許多ASIC的小小硅片上實現動態范圍大于96dB的ADC和DAC是越來越難。請看一個高性能的機頂盒(STB)處理器。在先進的STB芯片中包含一個實時的視頻解壓縮處理器，一個系統用微處理器，以太網子系統，硬盤驅動器接口，還有許許多多其它的功能。這些模塊主要都是數字的，都將隨著半導體工藝節點的減小而獲益。

可是混合信號和模擬系統模塊感覺起來確并非如此好。數字處理關注的速度和體積，處理器的模擬性能處于次席。許多時候，因為數字部分具有非常低的信噪比(SNR)，這只能為模擬部分帶來重負。在現實世界中這意味著要從SoC獲得較高的音頻性能是極其困難的。許多SoC安排了90dB多一點的動態范圍，但由于許多都采用差分輸出，這又吃掉了另外3dB的性能。

在手機系統中，90dB可以被認為是比較好的質量，然而，在今天的家庭娛樂環境中，90dB則是古老陳舊的技術。現代視聽系統通常提供最低為105dB的性能，更好的系統要求高達120dB的性能或更高。

將更高性能的音頻轉換器移到外部，對家庭和便攜式環境都有好處。在低級的96dB數模轉換器，為了將固定量化噪聲和音頻輸出差最大化，需要16位中的每一個斗工作在滿量程。

市場上許多系統實際上需要向用戶展示音量衰減了多少分貝(通常在AV接收機上可以看到)。

對于10dB變化究竟意味著什么，對應于增加和衰減，用戶會告訴說聲音增加或降低了1倍。而20dB則等同于音量4倍的變化。這是一個相當大的變化！

在DAC或DSP中，任何種類的數字音量控制(衰減)都將采用較少的位數來代表信號，不過還有等量級的噪聲。足夠好的DAC一下子變成了早在上世紀80年代的水平。

圖1所示為正在為100dB轉換器送入一個滿量程的CD信號。噪音水平位于音頻信號的動態范圍一下。換句話說，音頻信號上的量化噪聲高于轉換器的固有噪聲。現在，讓我們通過DSP，或者在DAC中用數字的方法，將信號衰減20dB。這相當于對信號衰減10倍。現在我們看到，16位96dB的音頻的較低位數將被轉換器中的固有噪聲所淹沒。

我之所以鼓勵設計師購買性能比芯片中原有的更高的轉換器，其原因是為信號提供了余量，換句話說，它在信號和轉換器中最低噪音水平之間保留了一定的空間。如果需要衰減20dB，就可以衰減，而不會對音頻產生影響。圖2顯示了這一原理。正如你所看到的，即使有20dB的衰減，仍然可以體驗到高質量的CD。

圖(a)：一個100dB數模轉換器中的數字音量控制(衰減)。(b)：118dB數模轉換器中的數字音量控制(衰減)。

這對市場銷售有什么影響呢？

目前大部分使用音頻DAC的家用音響產品，數字域音量控制都比較差，或者用的是無法實現遠程控制的模擬音量控制。

模擬調整音量的優點是同時減少信號和噪音，因此可以保持信噪比不變。對于更高的性能的音響系統，可利用一系列的可編程增益放大器來實現。一個簡單的串行字送入系統，并在下次過零時刻，增益就被改變了。

然而，對于大多數消費電子系統有很大的成本壓力，使信號位于系統的噪聲基底之外是實現高性能的關鍵。一個高性能的DAC(具有110dB以上的范圍)對于所有用戶都能提供高質量的聽覺體驗，而在保證聽不出任何差別的前提下，對CD信號具有14dB以及更高的衰減空間。

如果說這個理由對于DAC還不足夠充分的話，使用性能更高的ADC、而不是SOC中的ADC的概念則是強制性的。在今天的家庭娛樂市場，系統中通常使用2VRMS(5.6Vpp)來傳輸音頻。然而，許多系統中仍然使用+4dBu(1.23VRMS)和-10dBv(0.316VRMS)。從0.316VRMS到2VRMS的差別高達大約22dB！假設你校準ADC的信號鏈來接收2VRMS的輸入。任何老式的-10dBv的信號聽起來就像降低了4倍(或低于滿量程大約-20dB)。通常情況下，你可以在這種情況下采用數字自動增益控制算法，并增加20dB左右的數字增益。但這種算法的缺點是，與信號一道，ADC噪聲基底也增加了20dB。

有兩種方法解決這個問題，就像DAC一樣。一種是使用一個更好的ADC(大約107dB或更高)。另一種是在前端使用一個可編程增益放大器，根據需要來調整增益。更高性能的ADC將提供一個足夠低的噪音電平，即便是在加了10或15dB增益的時候。

目前市場上許多ADC包括一個多路復用器和一個可編程增益放大器。例如，德州儀器的PCM185xA系列的ADC就有一個編程范圍為22dB的PGA，步進值為0.5dB。當系統檢測到了-10dBv峰值信號存在時，增益將逐步增加。

目標是什么？

下一步要看一下價格差。一個典型的105dB的DAC(PCM1754)在小批量(約100單位)時將額外增加1.30美元。然而，這將設計師提供一個干凈的單端輸出，可直接送到一個線驅動輸出和耳機放大器，而無需額外的差分到單端放大器的轉換。這為設計師節省了0.41美元(小批量的RC4580)。

為所有人提供好系統？

擁有更高質量的輸出，而價格差僅有0.80美元(100批量單位)能真正為你的產品提供差異化并在市場上脫穎而出的機會。推出真正好的產品，可以使你走在競爭對手的前面。而在同一點上，差異化的只能是價格。

因此，嘗試放慢在價格底部的競賽...請把一些思想和關注放到你所設計的信號鏈中。無論是客戶的耳朵、還是你的銷售隊伍都將會獲益，而最重要的是，由于具有了優于競爭對手的更好產品，貴公司的賬本底線將會因為收入增加而大為受益。

作者：Dafydd Roche

音頻市場營銷經理

TI公司