如何計(jì)算DAC功耗數(shù)據(jù)

功耗是需要考慮的重要因素之一，對(duì)于功耗，我們應(yīng)當(dāng)給予一定的關(guān)注。在往期功耗相關(guān)文章中，小編對(duì)FPGA低功耗設(shè)計(jì)有所介紹。為幫助大家對(duì)功耗有更深入的理解，本文將對(duì)DAC功耗加以闡述，主要內(nèi)容在于介紹如何進(jìn)行DAC功耗數(shù)據(jù)計(jì)算以及功耗數(shù)字的含義。如果對(duì)功耗具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

隨著便攜式多媒體系統(tǒng)設(shè)計(jì)師將電池壽命推向極限，他們正把前所未有的時(shí)間花在研究不同硅供應(yīng)商提供的功耗數(shù)據(jù)上。以牙還牙式的比較通常是困難的，因?yàn)樽兞繉?shí)在是太多了，而且競(jìng)爭(zhēng)器件之間的關(guān)鍵差異常常遠(yuǎn)不是那么明顯。

音頻輸入和輸出子系統(tǒng)尤其困難，因?yàn)樗鼈兺瑫r(shí)包含模擬和數(shù)字電路，而且通常需要幾個(gè)不同的電源電壓。其結(jié)果是，制造商針對(duì)這些器件提供的數(shù)據(jù)常常與實(shí)際使用案例不相關(guān)，在有些情況下甚至完全起誤導(dǎo)作用。不過(guò)，熟悉相關(guān)電路的基本知識(shí)、深入理解歐姆定律和拒絕相信制造商的面值數(shù)據(jù)，可以幫助設(shè)計(jì)工程師看穿這一令人糊涂的迷霧。

每個(gè)功耗數(shù)字到底包括了什么？

它可能看起來(lái)很明顯，但理解每一個(gè)功耗數(shù)字包括了什么電路是計(jì)算系統(tǒng)總體功耗的關(guān)鍵。不過(guò)，如果僅憑一本數(shù)據(jù)手冊(cè)來(lái)進(jìn)行這項(xiàng)工作，那么常常是說(shuō)比做容易?，F(xiàn)在讓我們思考一個(gè)便攜式系統(tǒng)的音頻輸出。圖1顯示了所有主要的功能塊。鏈上最后的幾塊（如數(shù)字信號(hào)增強(qiáng)、DAC、模擬混音和放大）通常集成在一個(gè)器件中，泛稱(chēng)為“音頻DAC”。

不過(guò)，當(dāng)這類(lèi)器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)列明“DAC功耗”或“DAC電源電流”時(shí)，它絕對(duì)僅指的是DAC本身，不會(huì)包括放大器和其它電路。那么如果說(shuō)“回放到耳機(jī)”又如何呢？那會(huì)包括片上信號(hào)增強(qiáng)功能（如限幅、3D信號(hào)增強(qiáng)或均衡）嗎？很有可能不會(huì)，因?yàn)楣韫?yīng)商很少有勇氣使他們的器件在與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手比較時(shí)看起來(lái)更差。有些硅供應(yīng)商甚至詳細(xì)說(shuō)明DAC電源電流不包括數(shù)字音頻接口。很明顯，這與任何實(shí)際的使用案例沒(méi)有任何類(lèi)似之處，因?yàn)榻涌诒仨毶想姴拍芙邮沼糜诨胤诺囊纛l數(shù)據(jù)。

讓事情變得進(jìn)一步復(fù)雜的是，這些器件的系統(tǒng)架構(gòu)也是不同的。例如，音量控制既可以用軟件在CPU上實(shí)現(xiàn)，也可以在音頻芯片的數(shù)字部分實(shí)現(xiàn)，或采用音頻芯片中的模擬增益可編程放大器實(shí)現(xiàn)。一個(gè)有益的明智的檢查是確定需要什么樣的功能，檢查這些音頻功能在哪個(gè)物理器件中實(shí)現(xiàn)，以及確保每個(gè)功能的功耗都已計(jì)算在內(nèi)。

揚(yáng)聲器和耳機(jī)的功耗通常占據(jù)總體功耗的一大塊。由于這一功率實(shí)際上并不是在IC中消耗，因此它幾乎從不包含在IC數(shù)據(jù)手冊(cè)中。幸運(yùn)的是，它可以很容易地從P = V2RMS / Z公式中計(jì)算出來(lái)，這里VRMS是整個(gè)揚(yáng)聲器的RMS電壓，Z是其阻抗（如是立體聲揚(yáng)聲器，別忘記把這一數(shù)字乘以2！）。困難的地方是選擇一個(gè)實(shí)際的VRMS。盡管最大的VRMS可以輕易地從放大器輸出的擺幅中計(jì)算出來(lái)，但在現(xiàn)實(shí)中VRMS取決于終端用戶的音量設(shè)置。即便在最大音量情況下，同一段音樂(lè)的高音和低音通道上的VRMS也是不同的，因此假定一個(gè)滿刻度信號(hào)幾乎是不可能的。

為了在不同的音頻器件之間進(jìn)行一個(gè)有意義的比較，就需要一個(gè)共同的基準(zhǔn)。例如，日本JEITA CP-2905B標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，帶耳機(jī)輸出的系統(tǒng)的電池壽命應(yīng)當(dāng)在16Ω負(fù)載上驅(qū)動(dòng)0.2mW （每通道0.1mW）時(shí)進(jìn)行測(cè)量。

該信號(hào)是什么？

驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器和耳機(jī)的放大器是另一個(gè)特別耗電的器件。目前業(yè)界的常見(jiàn)做法是列明它們的靜態(tài)功耗，也即絕對(duì)安靜地播放（在數(shù)字域的表示是一串零）。不過(guò)，只要有一個(gè)實(shí)際的信號(hào)通過(guò)該系統(tǒng)，放大器（以及負(fù)載）上的功耗就會(huì)增加。

無(wú)疑，放大器電源電流應(yīng)該可以用一個(gè)非零信號(hào)來(lái)表達(dá)，但應(yīng)該用一個(gè)什么樣的信號(hào)呢？一些標(biāo)準(zhǔn)（如JEITA CP-2905B）經(jīng)常使用一個(gè)1kHz正弦波，因?yàn)樗苋菀咨?。不過(guò)，它和現(xiàn)實(shí)世界中的用戶聽(tīng)到的任何聲音或音樂(lè)幾乎沒(méi)有雷同之處。粉紅噪聲（如同IEC 60268-5標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)揚(yáng)聲器定義的那樣）可能與放大器電源電流更接近，盡管從根本上來(lái)說(shuō)沒(méi)有一種信號(hào)能夠映射無(wú)限變化的音樂(lè)。

在比較放大器時(shí)，另外一個(gè)值得牢記的地方是，它們的功率效率取決于信號(hào)幅度。精確的關(guān)系取決于放大器（見(jiàn)圖2）。例如，在靜態(tài)條件下，D類(lèi)放大器因?yàn)殚_(kāi)關(guān)損失可能要比等效的線性放大器消耗更多的功率。同樣地，由于線性放大器在高音量時(shí)效率更高，它們?cè)跐M刻度處的效率可以接近D類(lèi)放大器。

不過(guò)，這些信號(hào)幅度的極端部分在很大程度上是不相關(guān)的，因?yàn)闆Q定電池壽命的戰(zhàn)役主要在信號(hào)幅度的中部打響，現(xiàn)實(shí)世界中的放大器主要在這里花費(fèi)大多數(shù)時(shí)間。D類(lèi)放大器正是在這里贏得了業(yè)內(nèi)的普遍認(rèn)可，因?yàn)樗墓β兽D(zhuǎn)換效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于線性放大器。
責(zé)任編輯 LK