新一代SoC整合音频编解码器的挑战与设计实现

还没能普遍支持将1.8V晶体管过驱至2.5V或3.3V。最终结果是电 源电压和实现线和耳机驱动器的晶体管工作电压被限制在1.8V。

因电源电压被限制在1.8V，所以对音频输出性能有根本制约。对线输出驱动器来说，与3.3V工作电压时1.0Vrms的可用输出电压摆幅 比，1.8V时摆幅被限制在仅有0.54Vrms。对32欧姆的耳机来说，耳机驱动器的输出功率被限制在只有12mW，而以前的65 nm和40nm工艺，耳机驱动器可从更高的工作电压提供40mW功率（详见表1“耳机功率要求”）。

　　表1： 耳机功率要求

Synopsys测试了13款最新型号的移动多媒体设备，包括智能手机、平板电脑、MP3播放器和笔记本电脑，以评估目前市场上出售的音频设备的实际 性能。在这13款产品中，55％在1.8V工作电压时，具有良好性能，就线输出电压RMS摆幅来说，其中3款略高于比对指标。图4所示，一款 0.54Vrms和12mW耳机驱动器的线驱动器的输出功能表现良好或优于目前市场出售的许多设备。

　　图4：一款市售的移动多媒体设备、平板电脑和智能手机样品用的耳机驱动器的输出功率 。

但其他的样品测试使用了一款专用音频集成电路（IC），以根据更好的聆听体验所需的40mW功率提供更高输出功率。无论是智能手机还是平板电脑，都有 公开发表的拆解报告，其中指认了独立、专用音频编解码器IC。在这些情况下，使用外部音频IC消除了28nm工艺对电源电压的限制，但代价是：一个额外组 件将需要更多系统功耗、更大面积和更高费用。

此外，也有消费类电子产品绝对要求更高的输出驱动水平（或出于系统要求或基于消费者可觉察到性能差异的市场差异化策略），这使得有必要支持典型的40mW功率要求。在这种情况下，接入3.3V电源有两种主要途径：

第一个选择是接入用于USB接口的3.3V电源。绝大多数的移动多媒体SoC会有至少一个USB接口（通常是几个），因此有一个3.3V电源。由于该电源用于高速USB接口，因此，可能存在一个在不影响USB性能的前提下，可提供的最大负载电流限制。

第二个选择是采用现有的1.8V电源、借助电荷泵来产生3.3V正电源及一个1.8V负电源（图5）。由于线输出和耳机驱动器需要相对较低的电流，电 荷泵所需的开关可以做得很小。负电源的一个额外好处是，输出驱动器是中点接地的，从而生成了一个真正的接地（True-Ground）配置，它允许音频编 解码器的输出直接连接到其他器件，而不需要大块头的直流阻隔电容。

　　图5：真正接地（True-Ground）的配置提供了一个以地电位为中心的输出信号，它不需要隔直电容。

在这两个选择中，1.8V器件都需要进行正确的级联以承受3.3V电压。

为扬声器驱动器找到合适的系统位置

对在28nm工艺整合进音频编解码器提出特殊挑战的输出驱动器是扬声器驱动器。通常情况下，采用3.3V电源供电的扬声器驱动器可提供高达500mW 功率。为了获得上好的音频性能，扬声器的驱动功率不应低于250mW。然而，因只有1.8V可用来驱动扬声器驱动器的逻辑门，所以必须显著增加输出器件的 体积以支持大电流需求，从而导致往往不可接受的硅片面积成本的增加。

结果是，在28nm SoC内集成进扬声器驱动器在技术上并不总是可行或实际的，这使得设计师有必要考虑系统级选项。图6显示了在移动多媒体系统内实现扬声器驱动器的四种常见 选择。第一种，是将驱动器完全集成到SoC内（图6a）。第二种，是将整个音频编解码器功能由一个专用音频IC来实现，并使用I2S数字接口连接专用音频 IC和SoC（图6b）。

　　图6： 移动多媒体系统内的扬声器驱动器实施选项。

第三种，是将除扬声器驱动器外的所有音频功能都集成到SoC内，并使用一款低成本、专用的扬声器驱动器（图6c）。第四种选择，是将扬声器驱动器整合 进电源管理IC（PMIC）（图6d）。因为PMIC业已支持高电压和大电流，它成为高功率电路合乎逻辑的一个所在。此外，表2列出了每个选择的优缺点。

　　表2：在移动多媒体系统内实现扬声器驱动器的优缺点。

总之，基于扬声器驱动器的大功率和大电流要求，它是在1.8V电压下、以一种有面积效率的方式最难整合的输出驱动器。为了支持扬声器驱动器，SoC设计师必须决定是否将该功能集成到系统内的另一个模块（如电源管理IC），或采用外部扬声器驱动器对其进行支持。

　　将模拟功能转移到数字域

在智能手机或平板电脑中，在音频编解码器上可能存在三个数字宿主。一个是基带处理器，它处理语音信号并送至蜂窝射频用来发送和接收。第二个是应用处理器，它处理智能手机存储器上的媒体文件。第三个是蓝牙射频，它无线连接立体声耳机。

每个音频信号都工作在不同的时钟域。第一个，工作在