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半導(dǎo)體制造商所面對(duì)的最大挑戰(zhàn)之一就是要在產(chǎn)品制造的半導(dǎo)體工藝中來(lái)平衡功能和性能?？赡茉S多人都聽(tīng)說(shuō)過(guò)90nm工藝，45nm工藝，等等。這些都是半導(dǎo)體制造商制造新產(chǎn)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(yōu)點(diǎn)。
為了在一片小小的低成本芯片中植入更多的數(shù)字處理功能，所有工藝設(shè)計(jì)師所關(guān)注的都是使數(shù)字晶體管更小。但隨著工藝節(jié)點(diǎn)更小，電路更密集，系統(tǒng)的模擬性能似乎要受到影響。
要在充滿(mǎn)了許多ASIC的小小硅片上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍大于96dB的ADC和DAC是越來(lái)越難。請(qǐng)看一個(gè)高性能的機(jī)頂盒(STB)處理器。在先進(jìn)的STB芯片中包含一個(gè)實(shí)時(shí)的視頻解壓縮處理器，一個(gè)系統(tǒng)用微處理器，以太網(wǎng)子系統(tǒng)，硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器接口，還有許許多多其它的功能。這些模塊主要都是數(shù)字的，都將隨著半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)的減小而獲益。
可是混合信號(hào)和模擬系統(tǒng)模塊感覺(jué)起來(lái)確并非如此好。數(shù)字處理關(guān)注的速度和體積，處理器的模擬性能處于次席。許多時(shí)候，因?yàn)閿?shù)字部分具有非常低的信噪比(SNR)，這只能為模擬部分帶來(lái)重負(fù)。在現(xiàn)實(shí)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(diǎn)的動(dòng)態(tài)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(jī)系統(tǒng)中，90dB可以被認(rèn)為是比較好的質(zhì)量，然而，在今天的家庭娛樂(lè)環(huán)境中，90dB則是古老陳舊的技術(shù)。現(xiàn)代視聽(tīng)系統(tǒng)通常提供最低為105dB的性能，更好的系統(tǒng)要求高達(dá)120dB的性能或更高。
將更高性能的音頻轉(zhuǎn)換器移到外部，對(duì)家庭和便攜式環(huán)境都有好處。在低級(jí)的96dB數(shù)模轉(zhuǎn)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(gè)斗工作在滿(mǎn)量程。
市場(chǎng)上許多系統(tǒng)實(shí)際上需要向用戶(hù)展示音量衰減了多少分貝(通常在AV接收機(jī)上可以看到)。
對(duì)于10dB變化究竟意味著什么，對(duì)應(yīng)于增加和衰減，用戶(hù)會(huì)告訴說(shuō)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(gè)相當(dāng)大的變化！
在DAC或DSP中，任何種類(lèi)的數(shù)字音量控制(衰減)都將采用較少的位數(shù)來(lái)代表信號(hào)，不過(guò)還有等量級(jí)的噪聲。足夠好的DAC一下子變成了早在上世紀(jì)80年代的水平。
圖1所示為正在為100dB轉(zhuǎn)換器送入一個(gè)滿(mǎn)量程的CD信號(hào)。噪音水平位于音頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍一下。換句話(huà)說(shuō)，音頻信號(hào)上的量化噪聲高于轉(zhuǎn)換器的固有噪聲?，F(xiàn)在，讓我們通過(guò)DSP，或者在DAC中用數(shù)字的方法，將信號(hào)衰減20dB。這相當(dāng)于對(duì)信號(hào)衰減10倍?，F(xiàn)在我們看到，16位96dB的音頻的較低位數(shù)將被轉(zhuǎn)換器中的固有噪聲所淹沒(méi)。
我之所以鼓勵(lì)設(shè)計(jì)師購(gòu)買(mǎi)性能比芯片中原有的更高的轉(zhuǎn)換器，其原因是為信號(hào)提供了余量，換句話(huà)說(shuō)，它在信號(hào)和轉(zhuǎn)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(huì)對(duì)音頻產(chǎn)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(yàn)到高質(zhì)量的CD。
圖(a)：一個(gè)100dB數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的數(shù)字音量控制(衰減)。(b)：118dB數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的數(shù)字音量控制(衰減)。
這對(duì)市場(chǎng)銷(xiāo)售有什么影響呢？
目前大部分使用音頻DAC的家用音響產(chǎn)品，數(shù)字域音量控制都比較差，或者用的是無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的模擬音量控制。
模擬調(diào)整音量的優(yōu)點(diǎn)是同時(shí)減少信號(hào)和噪音，因此可以保持信噪比不變。對(duì)于更高的性能的音響系統(tǒng)，可利用一系列的可編程增益放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)簡(jiǎn)單的串行字送入系統(tǒng)，并在下次過(guò)零時(shí)刻，增益就被改變了。
然而，對(duì)于大多數(shù)消費(fèi)電子系統(tǒng)有很大的成本壓力，使信號(hào)位于系統(tǒng)的噪聲基底之外是實(shí)現(xiàn)高性能的關(guān)鍵。一個(gè)高性能的DAC(具有110dB以上的范圍)對(duì)于所有用戶(hù)都能提供高質(zhì)量的聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)，而在保證聽(tīng)不出任何差別的前提下，對(duì)CD信號(hào)具有14dB以及更高的衰減空間。
如果說(shuō)這個(gè)理由對(duì)于DAC還不足夠充分的話(huà)，使用性能更高的ADC、而不是SOC中的ADC的概念則是強(qiáng)制性的。在今天的家庭娛樂(lè)市場(chǎng)，系統(tǒng)中通常使用2VRMS(5.6Vpp)來(lái)傳輸音頻。然而，許多系統(tǒng)中仍然使用+4dBu(1.23VRMS)和-10dBv(0.316VRMS)。從0.316VRMS到2VRMS的差別高達(dá)大約22dB！假設(shè)你校準(zhǔn)ADC的信號(hào)鏈來(lái)接收2VRMS的輸入。任何老式的-10dBv的信號(hào)聽(tīng)起來(lái)就像降低了4倍(或低于滿(mǎn)量程大約-20dB)。通常情況下，你可以在這種情況下采用數(shù)字自動(dòng)增益控制算法，并增加20dB左右的數(shù)字增益。但這種算法的缺點(diǎn)是，與信號(hào)一道，ADC噪聲基底也增加了20dB。
有兩種方法解決這個(gè)問(wèn)題，就像DAC一樣。一種是使用一個(gè)更好的ADC(大約107dB或更高)。另一種是在前端使用一個(gè)可編程增益放大器，根據(jù)需要來(lái)調(diào)整增益。更高性能的ADC將提供一個(gè)足夠低的噪音電平，即便是在加了10或15dB增益的時(shí)候。
目前市場(chǎng)上許多ADC包括一個(gè)多路復(fù)用器和一個(gè)可編程增益放大器。例如，德州儀器的PCM185xA系列的ADC就有一個(gè)編程范圍為22dB的PGA，步進(jìn)值為0.5dB。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到了-10dBv峰值信號(hào)存在時(shí)，增益將逐步增加。
目標(biāo)是什么？
下一步要看一下價(jià)格差。一個(gè)典型的105dB的DAC(PCM1754)在小批量(約100單位)時(shí)將額外增加1.30美元。然而，這將設(shè)計(jì)師提供一個(gè)干凈的單端輸出，可直接送到一個(gè)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)輸出和耳機(jī)放大器，而無(wú)需額外的差分到單端放大器的轉(zhuǎn)換。這為設(shè)計(jì)師節(jié)省了0.41美元(小批量的RC4580)。
為所有人提供好系統(tǒng)？
擁有更高質(zhì)量的輸出，而價(jià)格差僅有0.80美元(100批量單位)能真正為你的產(chǎn)品提供差異化并在市場(chǎng)上脫穎而出的機(jī)會(huì)。推出真正好的產(chǎn)品，可以使你走在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的前面。而在同一點(diǎn)上，差異化的只能是價(jià)格。
因此，嘗試放慢在價(jià)格底部的競(jìng)賽...請(qǐng)把一些思想和關(guān)注放到你所設(shè)計(jì)的信號(hào)鏈中。無(wú)論是客戶(hù)的耳朵、還是你的銷(xiāo)售隊(duì)伍都將會(huì)獲益，而最重要的是，由于具有了優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的更好產(chǎn)品，貴公司的賬本底線(xiàn)將會(huì)因?yàn)槭杖朐黾佣鬄槭芤妗?
作者：Dafydd Roche
音頻市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理
TI公司
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論