将音频编解码器植入28nm高级移动多媒体芯片系统

芯片系统设计都将过渡到1.8伏IO晶体管。将供给电压限制在1.8伏，会对音频输出性能产生根本性的制约。目前，最大输出电压摆幅限制在0.6VRMS，而电源电压3.3伏时摆幅为1.1 VRMS。32欧姆耳机的耳机驱动输出功率限制在11mW。在过去的65纳米和40纳米工艺时代，耳机驱动能够从较高电源电压提供40mW功率。

　　在电源电压为1.8伏的28纳米工艺中采用输出驱动的平衡方法

　　当今市场上的许多设备，包括各种商业化的智能手机和平板电脑，提供给耳机的输出功率不到10mW。这种情况下，对1.8伏电源电压没有输出性能限制。有些芯片系统设计人员在明知有更高电源电压可用的情况下，有意让音频编解码器工作在1.8V，目的是降低总体功耗。

　　对于为达到更好收听体验所要求的40mW而提供更高输出功率的移动多媒体设备，许多都使用外置音频IC，例如，智能手机和平板电脑有拆解报告，你会发现他们使用专用的音频编解码器IC。在这些情况下，使用外置音频IC不再有28纳米工艺电源电压的限制，但代价是使用功率更高、面积更大、成本更高的额外元件。

　　有两种方案都支持耳机直接从芯片系统获得较高的输出功率，并消除外置音频编解码器IC带来的系统成本和复杂度。

　　· 第一个方案就是使用USB接口所需的3.3伏电源电压。绝大多数移动多媒体芯片系统至少有一个USB接口，因此都有3.3伏电源电压。由于电源电压用于高速USB接口，因此可能会限制其支持的电流负荷，以确保USB性能不受影响。

　　·第二种方案是使用电荷泵生成3.3伏电源电压，这需要利用现有的1.8伏电源电压和形成负1.8伏电源电压，如图4所示。由于线路输出和耳机驱动所需电流相对较低，电荷泵的开关可以很小。负电源电压的另一个优点是，输出驱动将在地成为中心，形成真实地（true ground）而不是虚拟地（vitual ground），使音频编解码器输出直接连接其他设备，无需使用大的隔直流电容器。

　　在以上两种方案中，1.8伏的器件需要正确地进行级联，以承受3.3伏电源电压。级联由串联在一起的堆叠晶体管组成，需占用额外的硅芯片面积。不过，如果采用适当的设计技术，如扩散-合并（diffusion-merging）布局技术，可尽量减小增加的面积。

　　图4：true ground输出驱动可提供以ground为中心的输出信号，不需要使用隔直流电容器。

　　深入了解芯片系统之外的系统分区

　　在一些情况下，性能降低可显著削弱系统的整体竞争力，扬声器驱动就是其中之一。典型的扬声器驱动必须将最高500mW的功率传输到8欧姆负荷中。这在3.3伏电源电压工艺能力范围之内。但是，对于1.8伏电源电压的28纳米芯片系统而言，限制在300mW和4欧姆负荷范围内。但是，只有1.8V电压驱动晶体管门，必须大量增加驱动晶体管个数，以支持大电流要求，这会导致硅面积成本高昂难以承受。

　　最理想的情况是，高压工艺可用来产生所需电源。幸运的是，移动多媒体设备都使用电池，有一些电源管理集成电路（PMICs）用来在整个系统中合理分配电压，并监控电池的充电和放电状态。许多这些设备都采用高压模拟工艺制成，完全能够驱动扬声器输出。

　　图5提供了在移动多媒体系统中部署扬声器驱动的四种常用方案。第一个是完全将驱动集成到芯片系统中（图5a）。第二个方案是将整个音频编解码器功能转移到专用的音频集成电路，并在专用音频集成电路和芯片系统之间采用I2S数字接口（图5b）。第三种方案是将所有音频功能集成到芯片系统（但扬声器驱动除外），并使用低成本的专用扬声器驱动（图5c）。第四个方案是将扬声器驱动集成到电源管理集成电路（PMIC）中（图5d）。由于PMIC已经支持高压和大电流，它是放置大功率电路的理想位置。

　　如果音频编解码器所占面积大小充分合理并能够保证集成到芯片系统中，将扬声器驱动集成到PMIC中可降低系统成本和功耗，并减少元件数量。如果找不到带有集成扬声器驱动的PMIC，或是它与系统不兼容，可使用专用的扬声器功放代替。这种方法具有集成PMIC的许多优点，只是需要额外IC（尽管体积很小）。

　　图5：将扬声器驱动植入移动多媒体系统中的不同方案

　　小结

　　在28纳米芯片系统中实现音频编解码器的模拟功能需要采用新方法新技术，而先进工艺既有优点，也有局限性。系统设计人员只需牢记以下技术，就可开发出高性能低成本的音频系统。

　　·利用摩尔定律，将功能转移到数字域实现。28纳米工艺的关键优点是数字电路的密度和性能。设计人员需要考虑哪些音频编解码器功能可以迁入数字域，以利用工艺上的改进，并将模拟模块重点集中在外界的接口上。