无需外置IC ：在系统级芯片上集成模拟音频IP

关键词： 模拟 , 芯片 , 音频

音频处理对尺寸和功耗要求很高的手机、便携式媒体播放器、数码相机、便携式摄像机、电子玩具和许多其他产品至关重要。此外，GPS 导航设备和智能手机等先进便携产品，都需要通过设置音频功能来增值并区别于其他相似产品，这为音频处理建立了一个不断扩展的市场。

几年前，音频功能需要一个或多个分立式集成电路来处理，尤其是需要真正的Hi-Fi（如超过 96dB 动态范围）音频性能时。之前需要的多个不同 IC 现在可以集成在单个 SoC 中，得到了同等的质量，在许多情况下更超过了分立式音频 IC。这显著节省了芯片面积，同时降低了功耗，延长了电池的使用时间。最近，全数字“D 类”音频放大器已成为可集成到 SoC 设计的音频功能模块，其功率输出高达 1 瓦，足以驱动耳机和小型扬声器。

考虑到实现产品体积小型化，同时集成高质量音频、延长电池寿命，并以具有竞争力的价格推出产品的压力，IC 设计人员和终端产品制造商发现将音频功能集成到其 SoC 设计越来越具有吸引力。当前一流的 SoC 音频性能对分立式音频 IC 具有很大的竞争力。

SoC IC 技术概述

SoC 设计人员无需从头开始，他们可把已开发设计出来的构建模块拼到一起，在 SoC 上进行信号处理。这些构建模块被称为内核，构建这些内核所需的知识产权称为“IP 核”或“IP”。  

SoC 制造工厂或代工厂实现了各种尺寸不断缩小的半导体技术节点。目前，180nm 和 130nm 技术已经成熟，90nm 和 65nm 节点越来越受欢迎，45nm 和更小的技术节点也即将到来。每个更小的技术节点都代表着一系列新的挑战。例如，进入深亚微米区要求开发浅沟道隔离（STI）技术，以防止器件元件各部分间的漏电。在深亚微米工艺中提供足够的静电放电（ESD）保护非常关键，而且比以前更具挑战性。此外，模拟音频信号处理极易受到噪声的影响。随着越多越多工作在更高时钟频率的数字处理加到 SoC，从而能利用更小尺寸工艺的集成能力，日益成为设计人员面临的越多越巨大的挑战。

MIPS 科技为 SoC 设计人员提供一系列模拟音频 IP 产品，其中包括音频编解码器、转换器、放大器和专门用于便携设备设计人员的其他音频功能。有时，单个 SoC 很难实现特定功能，设计人员会把各种芯片集成到多芯片模块（MCM，MulTI-Chip Module）或系统级封装（SiP）中。MIPS 科技的音频 IP 可以用于所有这些系统设计方法。

动态范围

“动态范围”这个术语指的是最大可能的非失真声音与静音的比率。高动态范围是音频 IC 低噪声的最好证明——这就证明了它为什么是最重要的音频规格。标准音频 CD 的动态范围是 96dB，这对于消费音频系统可以说是最卓越的性能了。对于专业音频应用，在市场上可以找到具有高达 120dB 动态范围的分立式音频 IC，然而，如此高的性能对消费电子应用来说往往已超越实际需求，因为功耗和小尺寸都非常重要。

虽然分立式音频 IC 的编解码器和放大器等关键功能对于任何追求“Hi-Fi”再现音质的产品都是必需的，但现在这些功能可轻松集成到采用先进高性能音频 IP 的 SoC 设计当中。

MIPS 用于 Hi-Fi 应用的模拟音频 IP 内核可以实现全 96dB 的动态范围，适用于各种成本、功耗和尺寸要求。它们是移动电话和便携式设备非常理想的选择。

对于真正的发烧友音质的应用，MIPS 的 IP 可帮助 SoC 设计人员实现高达 104dB 的动态范围，而无需分立式音频 IC。虽然需要消耗相对多一点的芯片面积和功耗，这种平衡方案对于高端相机、便携式摄像机、数字电视和机顶盒等应用也颇具价值。

先进的模拟音频功能

帮助系统设计人员节省电能、改善性能的先进音频功能使 MIPS 科技公司的模拟音频 IP 在业界处于独特地位。这些先进的音频功能包括：

* 超低纹波线性相位数字滤波：具有真正的 Hi-Fi 音质，低于 ±0.02dB 的带内纹波和低于线性相位 0.1? 的偏差。

* 耳机检查（电子插座插入检测器）：如果没有耳机插入，为什么要为音频耳机放大器供电呢？不需要的时候，可以切断放大器电源，而无需额外的插座接线端子，像传统的“采用比较器的通用输入输出（GPIO）机械开关”一样。

* 无电容输出（capless）/ 虚拟接地（Phantom ground )/真接地（True-ground)：电容器是许多音频编解码器的 IC 和耳机插座之间所需的一种较大的外部元件。设计人员采用直接将 IC 连接到插座的音频输出，可节省空间和材料成本。

* 集成锁相环（PLL）：有利于音频 IP 与任何系统时钟协同工作，从 12MHz/24MHz USB 到 27MHz 视频，包括 GSM 13MHz 时钟。它甚至还可实现音频 IP 左右双声道的工作，而无需高速主时钟。

* 抽样率转换：允许多时域的同步音频帧与音频 IP 的连接。

* 自动电平控制：无论输入信号强度如何，都有利于录音电平保持一致。在记录来自未知强弱的信号源如运动主体时，这是非常有用的。

* 5/10 段音频均衡器：内置图形均衡器有助于 SoC 设计人员节省用于关键系统任务的非常宝贵的处理器 MOPS。

* 3-D 音频增强器: 为实现更丰富的音频效果，增加了伪中心音频通道  

* 麦克风偏置：为驻极体麦克风单元提供无噪声电源，这样记录的信号就可能实现最佳的质量。

* “柔性削峰”：平滑强信号，以避免严重的失真。

* 软增益斜率：平衡不同增益设置的斜率，避免 “zip” 噪声。

这些功能，连同标准的编解码器、模数/数模转换器、混音器/音量控制和放大器功能，构成了完整的“可集成”模拟音频 IP 系列。设计人员可以根据应用的具体需要选择所需的功能，在最小的芯片面积上实现这些功能。

按照“你的方式”定制 IP

在 SoC 设计中集成不需要的功能，对成本、芯片面积和功耗来讲并不高效。MIPS 科技公司音频 IP 的明显优势在于其能够根据客户所需的质量水平量身精确定制这些功能。

这对于材料成本非常敏感的消费电子类产品来说大有裨益，例如，价格低廉的电子玩具，整个产品可能只卖几美元。随着设计人员将 D 类音频功率放大器集成到 SoC，现在的系统设计人员可以实现低功耗、低成本定制 SoC 空前的音频功能。

对于无需全面编解码器的系统设计人员而言，MIPS 也为音频驱动器、数模/模数转换器授权 IP 恰如其分地提供了他们所需的功能。如果设计人员需要一个 44.1 kHz 的锁相环（PLL，phase locked loop），MIPS 科技公司就可以针对他们的需求提供。它是为 44.1 kHz（CD 音频采样频率）优化的，而不是通用设计。嵌入式音频模拟前端、输出放大器以及需要其中的任何功能 MIPS 科技都可以提供。

当系统产品设计人员设计采用现成的音频 IC 时，产品的音频声誉将归功于IC 制造商。而在集成音频 IP 到 SoC 设计的时候，SoC将 凭借其卓越的音质而获得好评，也就增加了定制 SoC 的价值。

此外，SoC 设计人员可通过集成音频 IP 控制他们自己的供应链。当然，他们也能够得益于为 SoC 从头开始设计音频，但是这会导致上市时间的显著增加甚至可能产生低劣的性能。

结论

无论是为手机、高性能媒体播放器、相机或廉价玩具设计音频，MIPS 科技的音频 IP 都可帮助设计工程师更快更好地实现。之前只能由分立式 IC 实现的 Hi-Fi 音频要求，包括驱动耳机和小型扬声器的高效 D 类放大器能力，现在都可以采用 MIPS 模拟音频 IP 的 SoC 设计来实现。