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          低功耗單芯片高性能音頻CODEC的設(shè)計(jì)

          作者: 時(shí)間:2012-10-02 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          近年來(lái)隨著主流工藝線寬的不斷縮小到90nm以下,同時(shí)人們對(duì)數(shù)字音頻回放的質(zhì)量要求越來(lái)越高,集成在SOC內(nèi)部的音頻處理模塊慢慢的轉(zhuǎn)變?yōu)閱?/font>芯片解決方案。這樣就對(duì)音頻的功耗,和功能提出了更高的要求。武漢光華芯科技有限公司針對(duì)移動(dòng)便攜的應(yīng)用設(shè)計(jì)的音頻 CJC8988,特別適用于對(duì)要求比較高的應(yīng)用領(lǐng)域如無(wú)線耳機(jī),便攜mp3等,其中ADC的功耗1mW, DAC的功耗0.5mW, 芯片帶有四路麥克風(fēng)輸入和四路耳機(jī)輸出。芯片采用成熟的0.18μ CMOS工藝,工作電壓1.8V,成本低廉,整個(gè)芯片所有通路工作時(shí)的總功耗為9mW,錄音和回放通路的信噪比大于96db, 總諧波失真大于85dB.

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/185694.htm

            1 CJC89888芯片特點(diǎn):

            芯片支持兩路立體聲輸入,即可支持線性輸入也可支持麥克風(fēng)輸入,單端輸入或者差分輸入可選,當(dāng)采用差分輸入可顯著提高電源抑制比取得更好的錄音效果。采用帶有自動(dòng)增益控制的可調(diào)增益放大器能保證恒定的錄音音量。

            芯片支持多路混音來(lái)應(yīng)對(duì)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境,DAC回放和各模擬通路的混音功能保證了芯片的靈活應(yīng)用。

            片上24bit ∑△ADC, DAC采用了多階過(guò)采樣∑△架構(gòu)來(lái)保證高和低的功耗要求。芯片帶有數(shù)字音頻處理功能,如3D音效增強(qiáng)功能和頻率均衡器調(diào)節(jié)功能。3D音效增強(qiáng)的原理是利用增強(qiáng)左右聲道的差異化的原理來(lái)達(dá)到空間立體感增強(qiáng)的效果。頻率均衡器是采用幾種不同的頻率響應(yīng)曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)各種聲音效果。

            芯片采用去pop聲的設(shè)計(jì)和上電配置順序,可使得POP聲的影響基本忽略不計(jì)。

          圖1: ∑△ADC  DAC block diagram

          圖1: ∑△ADC DAC block diagram

            2 芯片設(shè)計(jì)要點(diǎn)

            為了保證芯片低的功耗同時(shí)也沒(méi)有妥協(xié),需要對(duì)芯片的每個(gè)模塊精心設(shè)置電流比例。

            圖1為音頻處理簡(jiǎn)略框圖,單端信號(hào)經(jīng)過(guò)單轉(zhuǎn)雙驅(qū)動(dòng)放大器和抗混疊濾波后的差分信號(hào)輸入給調(diào)制器和抽取濾波器,完成AD的轉(zhuǎn)換。DA是經(jīng)過(guò)數(shù)字插值濾波器,重構(gòu)濾波器后完成模數(shù)的轉(zhuǎn)換。

            ADC采用單環(huán)三階多bit的架構(gòu),單環(huán)架構(gòu)對(duì)電路的失配和運(yùn)放的有限帶寬和增益不敏感,采用了高通butterworth濾波器的噪聲整形,在128倍過(guò)采樣率下經(jīng)過(guò)simulink仿真達(dá)到120bit的信噪比。在實(shí)際電路的實(shí)現(xiàn)中,一級(jí)運(yùn)放的等效噪聲和KT/C噪聲不能被噪聲整形,那么需要給予較多的面積和功耗的開(kāi)銷來(lái)滿足整個(gè)ADC的信噪比要求以及帶寬的要求。

            采用多位量化器可以直接提高調(diào)制器的性能,但是反饋回路中多位DAC引入的誤差會(huì)降低調(diào)制器的性能。由于工藝誤差的原因,每一個(gè)電容單元的實(shí)際值與理想值有一定的差異,DAC的實(shí)際輸出值與理想輸出值就會(huì)不同。該誤差會(huì)和該級(jí)的輸入信號(hào)一樣,沒(méi)有經(jīng)過(guò)衰減輸出,最后導(dǎo)致量化器的諧波增加。這里采用動(dòng)態(tài)校準(zhǔn),數(shù)據(jù)權(quán)重平均法DWA(Data Weighted Averaging),對(duì)DAC的誤差表現(xiàn)為一階噪聲整形,將DAC的工藝誤差移向高頻范圍,并依靠數(shù)字濾波器濾除。ADC前的驅(qū)動(dòng)級(jí)同時(shí)完成單轉(zhuǎn)雙和抗混疊濾波的功能,采用classAB兩級(jí)運(yùn)放并要仔細(xì)的選擇偏置電流,以保證在盡量低的偏置電流下避免交越失真同時(shí)保證THD諧波失真。

          圖2: ADC THD+N ratio vs input level with 1KHZ input

          圖2: ADC THD+N ratio vs input level with 1KHZ input

            DAC采用3階4bit DSM調(diào)制器,SC濾波器和重構(gòu)濾波器來(lái)完成數(shù)模轉(zhuǎn)換,這里仍然采用了DWA算法抑制電容工藝偏差,DAC的輸入等效噪聲要兼顧KT/C 噪聲和運(yùn)放噪聲和熱噪聲。而SC濾波器的開(kāi)關(guān)尺寸也要兼顧盡量小的時(shí)鐘饋通效應(yīng)下的線性度。測(cè)試取得了100dB的信噪比和88dB的THD+N, 而DAC的工作電流小于300μA.

          圖3: DAC THD+N ratio vs input level with 1KHZ input

          圖3: DAC THD+N ratio vs input level with 1KHZ input

            對(duì)于音頻芯片惱人的各種POP聲問(wèn)題,我們采用多種方法相結(jié)合。首先是上電的需要正確的配置順序,同時(shí)各通路和模塊的輸出電壓都盡量保持在共模電平,減小各通路切換時(shí)候因?yàn)殡娖讲町悗?lái)的沖擊。而音量調(diào)節(jié)需要在聲音信號(hào)過(guò)零的時(shí)間點(diǎn)調(diào)節(jié)可減小沖擊聲,最終的效果才能保證音頻芯片最好的客戶體驗(yàn)。

            以上是此低功耗音頻芯片的簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)特點(diǎn),在保證性能的同時(shí)獲得最優(yōu)化的功耗水平,得以滿足低功耗便攜設(shè)備的嚴(yán)格要求。



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