模擬技術(shù)對(duì)數(shù)字化設(shè)備創(chuàng)造的重要必不可少因素

1、前言

數(shù)字化電子設(shè)備快速而準(zhǔn)確地從我們的周?chē)h(huán)境收集圖象、語(yǔ)音和音頻數(shù)據(jù)，并在數(shù)字領(lǐng)域內(nèi)管理和控制這些數(shù)據(jù)的能力能引發(fā)任何時(shí)間與任何地點(diǎn)的通信，從而提高了計(jì)算性能。數(shù)字化電子設(shè)備還產(chǎn)生了更可靠和更便宜的醫(yī)用電子設(shè)備，它為多樣性消費(fèi)類設(shè)備帶來(lái)了激動(dòng)人心的、交互式的多媒體內(nèi)容?？傮w來(lái)說(shuō)，上述這些進(jìn)步已經(jīng)將我們生活的世界置于數(shù)字化的控制和管理之中。

2、數(shù)字化電子設(shè)備中的模擬技術(shù)舉足輕重

數(shù)字化電子設(shè)備中數(shù)字技術(shù)所信賴的優(yōu)勢(shì)只有當(dāng)它和模擬技術(shù)的能力一樣好時(shí)才能體現(xiàn)出來(lái)，其模擬技術(shù)能夠正確地將由“1”和“0”表示的數(shù)字信號(hào)還原為人能夠聽(tīng)到、看到、感覺(jué)或感知到的模擬信號(hào)。如果沒(méi)有重大而且同步的模擬技術(shù)創(chuàng)新，那么數(shù)字革命的效果可能黯然失色。我們用數(shù)字方式捕獲的信息越多，我們必須轉(zhuǎn)換和還原的數(shù)據(jù)就越多-不論是實(shí)時(shí)的語(yǔ)音傳輸、音頻信號(hào)還是視頻圖象。當(dāng)今，如蜂窩手機(jī)不斷減小外形尺寸并且不斷增加功能設(shè)置，高端汽車(chē)音響系統(tǒng)的聲音質(zhì)量以及廣播數(shù)字電視的高清晰度(HD)圖象不僅是智能電路設(shè)計(jì)、先進(jìn)制造工藝和高性能數(shù)字處理技術(shù)的產(chǎn)物，也是模擬設(shè)計(jì)不斷進(jìn)行創(chuàng)新的產(chǎn)物。例如，高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)能使數(shù)字音頻接收機(jī)通過(guò)增加多個(gè)音頻通道來(lái)提高其性能。但是，每個(gè)新的通道都需要一個(gè)獨(dú)立的功率放大器以便按照人耳容易分辨和舒適的方式驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)，見(jiàn)圖1所示，為此作如下說(shuō)明。

2.1 圖1所示就是全數(shù)字音頻組件以及數(shù)字+模擬音頻的解決方案。

圖1為其組成框圖

為滿足當(dāng)今數(shù)字音頻器件市場(chǎng)設(shè)計(jì)的需求，采用圖1全數(shù)字音頻組件以及數(shù)字十模擬音頻的解決方案?？?a target="_blank">編程組件性能上的優(yōu)越性和設(shè)計(jì)上的適用性，使得設(shè)計(jì)者可以以更具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格去建構(gòu)一個(gè)擁有更多功能、更逼真音效體驗(yàn)的音頻系統(tǒng)。其模擬+數(shù)字信號(hào)處理(DSP)解決方案能是業(yè)界領(lǐng)先的數(shù)字信號(hào)處理(DSPs)、高性能的模擬器件到邏輯、擴(kuò)展的應(yīng)用軟件組合，都將為從最復(fù)雜的到最簡(jiǎn)單的音頻設(shè)計(jì)給出最可信賴的、精確的、高效能的解決方案。

數(shù)字電子設(shè)備的迅速增長(zhǎng)實(shí)際上更加推動(dòng)了對(duì)模擬IC的需求。在許多情況下，新的數(shù)字產(chǎn)品需要高集成度和高性能模擬IC達(dá)到新的水平，以便能夠轉(zhuǎn)換(見(jiàn)圖2高性能24位，雙/四通道立體聲音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器)、調(diào)理和穩(wěn)定信號(hào)以及控制和給鏈路供電，從而決定當(dāng)今的高級(jí)系統(tǒng)功能。

2.2 高性能24位，雙/四通道立體聲音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)PCM4202、PCM4204的主要特征。

圖2為PCM4202、PCM4204的組成框圖

PCM4204是專為專業(yè)音頻應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高性能、四通道ADC。它支持采樣頻率高達(dá)216kHz的24位線性脈沖編碼調(diào)制(PCM)輸出數(shù)據(jù)。它也可通過(guò)配置而為兩個(gè)通道輸出經(jīng)過(guò)64倍或128倍過(guò)采樣的單比特直接流數(shù)字(DSD)數(shù)據(jù)。PCM4204同時(shí)也是DVD音頻和超級(jí)音頻CD(SACD)錄音應(yīng)用的理想選擇。

應(yīng)用：可在專業(yè)演播室設(shè)備與DVD音頻和超級(jí)音頻CD(SACD)上使用。

實(shí)際上，由于模擬技術(shù)創(chuàng)新使消費(fèi)類終端獲得了數(shù)字產(chǎn)品中的許多功能。值此，從應(yīng)用趨勢(shì)的舉例作說(shuō)明。

3、從應(yīng)用趨勢(shì)的舉例觀察模擬技術(shù)推動(dòng)了和決定了數(shù)字化技術(shù)的前景

3.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)的進(jìn)步促使數(shù)碼相機(jī)(DSC)性能提高有了突破

雖然DSP和微控制器(MCU)處理技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)以數(shù)字方式為快速地處理圖象提供了所需的帶寬，但是那些圖象的質(zhì)量依賴數(shù)碼照相機(jī)模擬前端(AFE見(jiàn)圖3的DSC方框圖)中的高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的能力來(lái)降低噪聲并且增大動(dòng)態(tài)范圍。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的進(jìn)步還使得AFE解決了其它常見(jiàn)的性能問(wèn)題.例如，降低功耗以延長(zhǎng)電池的工作壽命，提高模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣速率以提高照相機(jī)快門(mén)的速度，還有提高圖象傳感器的感光靈敏度以降低高分辨率照相機(jī)對(duì)閃光的要求。

圖3為數(shù)碼照相機(jī)方框圖。從圖3中可看出照相機(jī)模擬前端(AFE)和高速ADC將使DSC性能提高產(chǎn)生突破。

另外，模擬技術(shù)創(chuàng)新不僅僅提高了數(shù)碼照相機(jī)的性能，它還有助于生產(chǎn)出多種新的數(shù)碼照相機(jī)設(shè)計(jì)。例如，模擬技術(shù)和基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的傳感器相結(jié)合，為了避免拍出模糊的照片，通過(guò)增加陀螺儀和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)用于補(bǔ)償照相機(jī)的“顫動(dòng)”。

3.2 數(shù)字音頻處理中的音頻編解碼器是DSP的性能充分發(fā)揮的關(guān)鍵

無(wú)論是處理家庭影院應(yīng)用中的杜比5.1通道環(huán)繞立體聲，還是高端汽車(chē)系統(tǒng)中的12通道音頻，當(dāng)今的音頻信號(hào)鏈日益數(shù)字化。但是，實(shí)際上，信號(hào)鏈僅僅是名義上“全數(shù)字”而已，因?yàn)榇罅康亩嗤ǖ酪纛l對(duì)模擬技術(shù)提出了新的性能要求。例如，多通道數(shù)字音頻結(jié)構(gòu)中存在固有的數(shù)字信號(hào)處理難題，需要設(shè)計(jì)工程師采用多個(gè)高性能模擬功率放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器(從圖4中可看出)和能夠轉(zhuǎn)換模擬音頻信號(hào)的音頻編解碼器，才能夠不犧牲，或者說(shuō)“放棄”DSP的性能。

3.21 杜比5.1通道環(huán)繞立體聲家庭影院AV接收機(jī)。

圖4為AV接收機(jī)方框圖

該AV終端設(shè)備能夠利用DVD音頻和SACD高質(zhì)量音頻格式格式并不僅提供了最高的性能，還為客戶提供了最經(jīng)濟(jì)的解決方案。。Aureus音頻DSP提供了對(duì)種種音頻解碼格式的處理能力;Burr-Brown音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換產(chǎn)品以其全方位的性能，同時(shí)支持最高端及最廉價(jià)的系統(tǒng)。從圖4看出，它采用多個(gè)高性能模擬功率放大器-立體聲數(shù)字功率調(diào)節(jié)放大控制器TAS5182(為具有更高性能的模擬功放)來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器及能夠轉(zhuǎn)換模擬音頻信號(hào)的音頻編解碼器PCM1850. 故該家庭影院AV接收機(jī)具有貫穿整個(gè)音頻信號(hào)通路的優(yōu)良模擬特性的高速傳輸率。

3.22 立體聲數(shù)字功率調(diào)節(jié)放大控制器TAS5182的主要特征。

圖5為T(mén)AS5182組成框圖

TAS5182是TI高功率立體聲數(shù)字音放大驅(qū)動(dòng)器。功放功率150W時(shí)(RMS)能使波失真+噪聲(THD+N)小于0.1%。

*主要特點(diǎn)為：立體聲半橋(H-Bridge)驅(qū)動(dòng);高功率輸出:150W 4Ω負(fù)載RMS狀態(tài)，總諧波失真+噪聲(THD+N)小于0.1%;100W 6Ω負(fù)載RMS狀態(tài)，總諧波失真十噪聲(THD+N)小于0.1%;90W 8Ω負(fù)載RMS狀態(tài)，總諧波失真+噪聲(THD+N)小于0.2%;全功率范圍20-20kHz的總諧波失真十噪聲(THD+N)小于0.10%;帶錯(cuò)誤報(bào)告自保護(hù)設(shè)定(包括低壓、過(guò)溫，短路保護(hù));優(yōu)異的音頻特性為與TAS5518連接使用時(shí)信噪比(SNR)為110dB和總諧波失真+噪聲(THD+N)為0?%(典型);支持從32kHz至192kHz的取樣率;低電磁干擾設(shè)計(jì)通過(guò)必要的穩(wěn)壓實(shí)現(xiàn);無(wú)暴音(pop)及點(diǎn)滴音(Cick)

*應(yīng)用：AV接收機(jī)、DVD接收機(jī)、有源低頻擴(kuò)音器、微型/便攜式組件及車(chē)載數(shù)字放大器。

另外在許多應(yīng)用中，將多通道音頻引入到越來(lái)越小的系統(tǒng)中，這就需要能夠以高效率工作的低功耗和低成本的模擬IC。即使大批量生產(chǎn)的消費(fèi)類音頻系統(tǒng)也需要一流的音頻轉(zhuǎn)換器以便保證數(shù)字處理器達(dá)到最高性能所需的高性能和高精密度。

3.3 “數(shù)字”蜂窩手機(jī)的新款層出無(wú)窮推動(dòng)了對(duì)新的模擬功能的需求

隨著蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施從2G和2.5G到更高性能的2.75G和3G業(yè)務(wù)升級(jí)，推動(dòng)了新一代智能更高、功能更豐富的手機(jī)的發(fā)展。語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)的快速會(huì)聚允許在下一代手機(jī)中增加這樣一些令人興奮的功能，例如MP3或MP4音樂(lè)和廣播電視。蜂窩手機(jī)市場(chǎng)已經(jīng)朝著各種方向發(fā)展，因?yàn)橹圃焐虒澐制洚a(chǎn)品系列以便滿足不同用戶的需求和習(xí)慣。

然而，這些“數(shù)字”蜂窩手機(jī)中的功能也正在推動(dòng)對(duì)新的模擬功能的需求，即高分辨率照相機(jī)集成到無(wú)線手機(jī)中的發(fā)展趨勢(shì)，則要求提高模擬圖象處理的性能、圖象穩(wěn)定性、聚焦和伸縮控制以及支持這些功能所必需的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和放大器。

再則，新的帶有易讀的彩色顯示屏和用戶界面更友好的手機(jī)，更需要先進(jìn)的液晶顯示屏(LCD)背光功率器件(見(jiàn)圖6所示)。而且因?yàn)樵O(shè)計(jì)者將新的語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)功能集成到這些平臺(tái)中并且要管理多達(dá)20種不同的穩(wěn)壓電壓，所以也需要先進(jìn)的電源管理和電池充電IC來(lái)保證照相機(jī)的性能提高也不會(huì)縮短電池的壽命。

3.31 LCD及OLED顯示屏的偏壓電源TPS65120典型應(yīng)用。

圖6為T(mén)PS65120典型應(yīng)用示意圖

用于簡(jiǎn)化TFT顯示器結(jié)構(gòu)因素的四輸出電源TPS65120為L(zhǎng)CD及OLED顯示器的偏壓電源糸列之一。

3.311 其主要特點(diǎn)

*主要輸出電壓參數(shù)VMAIN：可調(diào)節(jié)電壓，3.0V至5.6V/25mA;后穩(wěn)壓調(diào)節(jié)以減小紋波(5mVpp);±0.8%典型的精確正相輸出，VGH;最高可至20V/2mA的電壓調(diào)節(jié);±3%典型的精確負(fù)相輸出，VGL最低可至-18V/2mA的電壓調(diào)節(jié);±3%典型精度。

*互補(bǔ)的1.8V/3.3V線性調(diào)整.

*自動(dòng)或可程序化的供電順序。

*2.5V至5.5V的輸入電壓范圍.

*輸出短路保護(hù)。

*封裝模式：16引腳QFN封裝(3×3×0.9mm)

3.312 應(yīng)用范圍

可在蜂窩電話、智能電話、PDA、微型電腦PC、便攜式DVD、數(shù)字靜態(tài)相機(jī)(DSC)及數(shù)碼攝像機(jī)等領(lǐng)域使用。

上述這些需求，再加上實(shí)現(xiàn)3G手機(jī)中基本通信引擎所需的先進(jìn)的多頻帶、多模式射頻(RF)和模擬接口功能涉及到的挑戰(zhàn)，將使得無(wú)線手機(jī)中平均的模擬IC成本會(huì)在不久的將來(lái)從如今大約8美元上升到15美元以上。

3.4醫(yī)學(xué)圖象處理應(yīng)用尤為突出，磁共振成像(MRI)中的應(yīng)用就是典型之一

在醫(yī)療保健領(lǐng)域，大量數(shù)字技術(shù)的可用性和固定的系統(tǒng)向便攜式設(shè)備的轉(zhuǎn)變正推動(dòng)著對(duì)各種新的高性能模擬IC的需求。例如，在醫(yī)學(xué)圖象處理應(yīng)用中，高速的數(shù)字計(jì)算允許醫(yī)生觀察高分辨率的CT掃描圖象和超聲設(shè)備圖象，以便更快更準(zhǔn)確地評(píng)定重要器官或血管的狀況。但是要想巧妙地利用這些新的性能，必須通過(guò)提高通道密度和改進(jìn)AFE(模擬前端)性能來(lái)增強(qiáng)其產(chǎn)品的信號(hào)撲獲能力。

可編可變?cè)鲆娣糯笃?/u>和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC，見(jiàn)圖7(a)所示)的最新進(jìn)展增大了動(dòng)態(tài)范圍并且提高了圖象質(zhì)量.同時(shí)正交(I/Q)解調(diào)器和移相器IC提高了多普勒超聲波系統(tǒng)的性能。另外，通過(guò)將多種功能和多通道集成到一顆單芯片中，這些高性能的模擬IC有助于設(shè)計(jì)工程師構(gòu)建出更小、更便攜的系統(tǒng)，因?yàn)轱@著減小了產(chǎn)品的外形尺寸和功耗。