音频数字IC

2006-05-07 15:50:18来源: 电子产品世界

    仿佛整个技术世界正在走向数字化。现在我们有数字音频,数字视频,数字电话等等。在很多消费产品中,简单地增加“数字”两个字,就会使价格上升。

    另一传统模拟子系统-音频子系统正在传向数字化。例如,Apogee Technology公司最近推出全数字放大器,这种放大器基于公司的直接数字放大技术,它是一种数字、高效率放大器。

    “全数字”意味着设计直接连接到数字源。在这种方案中没有模拟信号出现。采用数字信号处理并把它变换为控制功率器件的数字定时波形。然后调制波形经输出滤波器处理为高功率信号。

    数字方案的要个固有好处是:增益在数字半导体工艺中完成。

数字技术的困难

   
数字技术的困难之一是大多数信号源是模拟的。这种情况正在部分发生变化。现在我们正在看到MP3播放机、DVD播放机和Internet音频等不同格式的数字源。甚至某些高端CD播放机也提供数字输出。

    另一种刚刚开始的热门技术是数字无线电。这可是对数字音频子系统的真正恩赐。数字无线电最普通的例子是用DSP以软件形式提供传统的FM或AM无线电信号。在这种应用中,假若直接连接DSP到数字音频子系统,则信号自始至终如同数字信号。

    在当今“准数字”系统中,用数/模变换器(DAC)把数字信号变换为模拟信号。然后,放大模拟信号。而Apogee技术是用DDX-2000控制器和DDX-2060功率器件替代DAC和放大器器件(见图1)。

    DDX-2000/2060芯片组包含一个控制器和数字控制的功率器件,它们是基于公司专利直接数字放大(Direct Digital Amplification-DDX)技术的。DDX是一种全数字放大器结构,采用先进的信号处理,把数字音频数据变换为三态调制。其数字输出控制高效功率晶体管的开关转换以产生高音质的音频功率。

    一般的模拟开关放大器采用2态调制,连续把功率调制到扬声器。相反,DDX调制是数字控制的,而且当需要输出时只连接扬声器到电源。这种方法除改善音质外,还降低了功耗

    Apogee声称其解决方案能提供比用模拟元件更高的音质。Apogee公司在他们的放大器和模拟放大器之间进行A-B比较双盲测试,在大多数测试中,Apogee放大器优于几种不同的模拟放大器。

    对一些参量,如总谐波失真(THD),两种配置是类似的。但考虑信噪比(SNR),其数字实现方法在理论上具有无限大的值。在Apogee结构中,扬声器在没有信号时,短接到地。

成本仍然较高

   
从成本观点考虑,像大多数新技术那样,数字方案成本较高,但从整个系统成本(包括电源成本)看,数字方案更经济。其部分原因是由于数字技术比模拟方案更有效,数字方案可节省封装,在很多应用中可却掉散热。另外,数字方案需要较小的板空间。Apogee芯片组是表面贴装器件,可直接焊到PC板上,从面蚵构成相对比较小的集成音频系统。

    实际的成本节省由应用决定。Aplgee器件输出功率范围7W~40W左右。在最大功率时达到最大成本节省。Apogee公司称,在40W应用中没有竞争对手。

    功率电平使数字结构适用于汽车应用。汽车制造商早已在寻找降低电功耗的方法,数字方案是能做到的一种方法。在很多情况下,简单地增加数字技术,使较高档汽车具有新的销售卖点。

    Motorola最近展示了Symplony数字放大器技术,可把它集成到公司24位DSP56300结构中。Motorola称,现在OEM可以用更有效的D类放大器替代A类或A/B放大器,而音频性能没有任何的降低。

    Motorola宣称高性能来自该技术的线性和脉宽调制(PWM)的噪声成形。用两边PWM方法,使输出限样率有效加倍、SNR增加1个数量级。取消了DAC,因为信号处理完全在数字域执行。

    未来Motorola音频产品将集成有Symphony放大器,故这种产品所需要的是为所希望的放大功率设计开关级。后端开关级完全与算法处理无关。这意味着放大级总范围可达1~1000W。含有Symphony放大器的一款器件是B&Kcomponeuts公司制造的DA-2100立体声功率放大器。

    Cirrus Logic在PWM方面拥有自己的数字技术,用∑-△技术推出一种调制器。很多都是来自Cirrus最近收购的Andio Logic公司。Cirrus公司认为这种数字法将打破已有PWM方案以及在功率放大器市场保留多少这种方案之间的壁垒。这些壁垒包括实现成本和复杂性、未成熟技术、性能和RFI/EMI关系。

    现在很多实现方法是用分立元件如分立的FET和晶体管建造。在放大器前后需要一定的滤波以保护放大器免遭像过温、过流及高低频输入条件的影响。

应用DSP

   
Cirrus声称用一个数字控制器IC可以处理所有这些复杂问题。把控制电路集成到控制器中,消除了输出器件的某些细调,并用集成的DSP,使开关转换器件能最佳化。

    低功率DSP芯核是32位结构,运行在90~100MIPS范围。同样的芯核正在嵌入到需要多通道译码的公司下一代消费类产品中。

    Cirrus公司希望用户能用这种DSP控制功率放大器。但大约有MIPS的80%留给用户写他们自己的代码,包含功率放大器的信息。

    DSP中可包含扬声器补偿均衡以及保护扬声器和扬声器子系统的压缩和限制。在DSP中也可开发定制换向,以便却掉输出级的无源换向(见图2)。嵌入DSP可为开关电源提供同步锁定,消除了一般放大器设计中的频率起伏。定制方案要为双放大系统提供均衡、增益控制,动态范围处理和有源换向特性。

    用户不需要写他们自己的DSP码,但如果需要,也可以这样做。Cirrus保留很多用户写的算法,所以不用很多的处理。运行功率放大器所需的基本码来自ROM。

    Cirrus公司像Apogee那样,把它的数字技术与传统的模拟方案进行比较。动态范围增大到120dB左右,而通常的系数为90~95dB。这种数字技术优于其他PWM方法。事实上,它优于当今线性放大器所达以的水平。它向人们展示PWM可以达到人们在音频系统中所希望的要求。

    关键是保证数字技术像模拟方案那样经济有效。Cirrus公司将为从低功率的耳机型系统到大低音喇叭的千瓦方案提供完整的解决方案。

感知成为过去

   
数字技术面对的壁垒之一是它被人们感知的过程。对于认为这些元件必须是模拟的人们来说,需要有一个认知过程。为此,Cirrus准备为用户提供任何水平的支持。

    在这方面,Cirrus公司与IR公司合作进军音频放大器市场。IR将配合Cirrus的高性能控制器开发功率电路。为设计人员入门提供很多参考设计。参考设计使得用户着手解决问题是以与模拟方案相同的方式进行。这包括嵌入式DSP技术、音频固件、放大器控制软件、变换器和接口。

    除参考设计外,两个公司将共同研究采用适用技术的模块。这对于功率放大器将是一个完整的黑匣子方案。因此,设计人员不需要深入PWM技术。对设计人员来讲,这只是一个带连接到不末端的数字输入和扬声器的功率放大器。

    Cirrus公司的方法是从两个不同的观点着手,达到音频链路的高集成度。首先,把高性能的接口和变换器以及系统接口合并在一起。其次,功率放大器技术将最后集成进公司DSP方案中。最终结果是集成更多系统的传统数字部分。

    Texas Instrument公司是采用DSP方法的另一厂家,它的TLV320AIC23 DSP编译码器是一款高性能集成有模拟功能的立体声音频编译码器。该器件中A/D和D/A变换器采用具有集成过取样数字内插滤波器的多位∑-Δ技术。数字传输字长为16位,20位,24位和32位。取样率为8~96KHz。

    集成模拟特性包括:带模拟旁路的立体声线路输入,立体声耳机放大器(带模拟音量控制和静噪)以及一个完整的差话器炭精盒偏置和缓冲方案(见图3)。耳机放大器可给出32mW/通道的功率。模拟旁路允许采用立体声线路输入和带模拟音量控制的耳机放大器,并完全旁路编译码器。

    TLV320AIC23有一个内部振荡器,当连接12MHz外晶振时,提供系统时钟到DSP和其他外设,频率为6或12MHz(用内部时钟缓冲器或可选择的分频器)。12MHz主时钟支持44.1和28KHz音频取样率。
涉及PWM的一个问题是RFI/EMI(射频干扰/电磁干扰)。Cirrus公司采用一种不同的方法来解决此问题。将有关设计合并到控制器中,使噪声量最小。

    全数字PWM放大器幅射较小的EMI/REI,并且有更大的功率效率及良好的散热性。因此,设计人员可减小一般放大器的尺寸,使之可直接放入扬声器。功效的增加是因为采用开关电源输出器件,而不是一般的AB类放大器。

    “全数字”实现来自权衡。从技术观点看,以数字形式放大音频已经酝酿很长时间了。D类放大器是一种熟知的技术。但是,D类放大器有些因数不如AB,A或B那样好。

高频工作

   
主要的因数是高频时的转换。在高频EMI/RFI的问题增加时,需要对电路进行另外的电路或屏蔽式滤波。

    D类时钟基频未必是问题。快速开关时间陡沿是需要的,以使D类放大器时代可能的效率。

    快速开和关所产生的频率谐波可能传播到RF范围,干扰AM和FM收音机。所以,好的设计是保持放大器尽可能远离调音器。

    另外一方面是人们的耳机不能听到数字,不可能听到与B类放大器有关的“1”和“0”。因此,必须变换为模拟信号。

    为了达到所有性能良好,人们希望达到AB类放大器的成本和性能,但就其效率来说,D类放大器有希望使其效率在90%~95%范围。可惜,这样的效率现在只有在高功率模式中是可能的。当降低与便携系统有关的功率电平时,两类放大器的效率几乎相等。

    相信将来会解决采纳D类放大器所遇到的大部分问题。这类似于20年前开关电源的情况。当时开关电源比线性电源贵很多。而现在开关电源已成平常的事情了。

    这就是National Semiconductor公司正在进入这一市场的原因。公司最近推出LM4663D类立体声音频放大器。这种IC可输出2.0W/通道RMS功率(4Ω负载),THD+N小于0.2%,对于一般的音乐信号,其效率大红69%,但可以达到83%(在2W,4Ω负载)。器件的静态电流是22mA,待机模式下电源电流只有2μA(最大)。潜在的应用包括笔记本和台式PC,多媒体监视器,PDA,自由伸缩盒和功率扬声器。

    为了真正地起动数字音频市场,必须有针对进入放大器的信号数字音频标准。在PC环境中,这早已存在。在无线业内,短时间内没有标准,这是因为音频通常包含在基带ASIC中。当有ASIC标准时,由于数字音频接口与ASIC的关系,将有大量放大器符合这种标准。

更多的放大器

   
另一种D类放大器来自Maxim公司。MAX4295/MAX4297单/立体声D类放大工作在单电源2.7V~5.5V。能传送最大2W/通道的连续功率(4Ω负载),效率大于87%。

    放大器的THD+N小于0.4%,它们具有低静态电流(MAX4295为2.8mA,MAX4297为4.6mA)。低态关闭输入使器件禁止并限制电源电流小于1.5μA。器件的其他特性包括:1A过流限制,热过载保护,欠压锁定和用户可编程的开关频率(125KHz~1MHz)。

    Telcom Semiconductor公司也推出高性能音频放大器TC4864。其MSOP封装只有一般SOIC-8封装的一半大小,这特别适合于受空间限制需要低电压源的蜂窝和无绳电话的要求。

    TC4864工作电源范围2.7~5.5V,最适合单电源工作。它可提供300mW连续平均功率(8Ω负载),当5VDC供电时,THD小于1%。其工作不需要外部自举电容器或缓冲器网络,这降低了系统成本和减小了PC板空间。

    ADI公司最近推出Virtual Ear。Virtual Ear是一种算法系列,它与公司的Sound MAX音频子系统结合,保证为用户提供更逼真的音频感受。SoundMAX ADI公司的集成数字音频方案,它由ADI AD1885模拟编译码器和成套软件驱动器组成。

    组合系统使用户可定制适合特殊物理听觉特性(如头和耳朵大小)的音频系统。用HRTF(Head-Related Transfer Function)为用户听觉特性定制Virtual Ear。软件让用户选择HRTF的不同设置以适合用户特殊的要求。

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