1、现代音频系统是数字家庭技术的重要支撑
数字家庭逐渐进入消费者生活中，由于技术的快速进展，由于技术与基础环境的快速进展，相关的产品应用与服务，逐渐趋于明朗.而数字家庭中产品包含多媒体家电、家用多媒体服务器与家庭网络、行动家电、健康医疗保全、智能型白色家电、数字汽车电子等，其中消费类音频产品从模拟向数字、从居家系统向便携式单元的变化给消费类音频产品带来了深刻的变化。音频不再像过去一样留是以多媒体娱乐与安全监控网大应用为主流的初期阶段，即诸如MP 3播放器、USB音频设备和电视机顶盒这样的音频产品严重依赖于数字信号处理。而音频不再作为模拟信号传递，而是作为数字数据流。也就是说现代音频系统是数字家庭技术的重要支撑。
既然当今数字家庭之应用及发展趋势以为如迅速，现代的音频系统从设计构成与芯片应用又带来了哪些新的应用特征？值此本文将对基于全数字音频组件以及数字+模拟的音频系统作分析研讨。
2、何谓全数字音频组件以及数字+模拟的音频系统
音频系统需要一系列的模拟和数字器件的支持。因为当今的音频系统，设计者所面临的挑战就是要以更具价格竞争力且更富有特色的高质量、多功能的音频产品来适应高要求的消费者，消费者才能从各种音频格式、音频源以及家庭式和便携式音频系统中得到最好的听觉体验。而设计者在将工程设计的缺陷最小化，只有实施全数字音频组件以及数字+模拟音频的解决方案（见图1所示现代音频系统基本架构），才能更快地将更新、更引人注目的音频产品推向市场。
图1
图1中所采用的可编程组件性能上的优越性和设计上的适用性，使得设计者可以以更具竞争力的价格去建构一个拥有更多功能、更逼真音效体验的音频系统。如TI的模拟、数字信号处理(DSP)解决方案庞就是典型代表。具提供硅产品、相关软件，系统专家建议，并为整个音频信号通道提供支持。从数字信号处理(DSPs)、高性能的模拟器件到逻辑、扩展的应用软件组合，都将为从最复杂的到最简单的音频设计给出最可信赖的、精确的、高效能的解决方案。
*现代音频系统设计中需要考虑的问题
模拟组合支持从最低到最高端的性能标准。音频应用解决方案中包括数据转换器(即ADCS、Cddecs与DAC)、音频放大器与时钟分配回路的主要性能参数。如PCM1802单端模拟输入立体声ADC与单端模拟输入24位96KHz立体声ADC。
复杂的音频／视频应用有时需要应用外部时钟发生器同步时钟或控制电磁干扰。所提供的扩频时钟发生器(SSC)、零延迟锁相环路、内存时钟发生器正是针对于高性能音频／视频的应用。
*现代音频系统应用范围
应该说现代音频系统目标应用包含下列几个方面。
乐器：乐器放大器、多音轨录音机、合成器、吉它音效；
专业音频：数字混音器、信号处理器、广播编码器、DSP阵列；家庭音响：AV接收机、DVD接收机、家庭音频点唱机、网络化音频播放机；
便携式音频设备：基于硬盘的MP3播放机、基于闪存／光盘的MP3播放机、无线音频耳机；
数宇无线电广播
3、全数字音频组件以及数字+模拟的现代音频系统解析
3.1 DSP领导了音频技术的新潮流
数字音频技术的进步使消费者能够随时随地在任何设备上享受美妙音乐。DSP领导了音频技术的新潮流，在实现便利性的同时还不会降低品质。多通道聆听体验是消费类音频产品的另一个诱人潮流，DSP技术在此领域也居于前列。由于价位迅速降低，消费者能够在基于DSP的高质量5.1声道音频系统上欣赏音乐，观看电影、电视。
正如音频技术的进步推动了消费类音频市场一样，专业乐器市场也正以经济实惠的价位推出可保持最高音质的新型产品。通过不断提升DSP的性能，上述市场给予音乐家及音响工程师足够的能力，以实现与所预期高度一致的音效。
为了使数字音频产品设计人员提升其先进的数字音频技术，如今有些著名制造厂商（TI、AD、NSC）可提供了完全针对数字音频技术的硅芯片、软件、系统专业技术以及支持。目前提供了包括DSP、D类放大器、A／D、D／A以及SRC在内的众多产品，完全从底层开始设计，可以低价位实现最逼真的音频体验。由于的解决方案建立在可编程的平台以及灵活的模拟组件基础之上，因此开发人员能够非常灵活地设计产品，以满足日新月异的数字音频市场的需求。例如，TMS320C6713 DSP就是能够以合适的价位来提供精妙的音频应用性能的高集成度32／64位浮点器件。
3.2 TMS320C6713 DSP芯片特征与应用
TMS320C6713 DSP面向高质量音频系统的极高性能浮点DSPTMS320C6713凭借高达300MHz的工作频率和集成外设，TMS320C6713DSP提供了无可比拟的32／64位浮点性能，是专业及高分辨率音频应用的理想选择。
*主要特点
高达2400MIPS／1800MFLOPS的处理性能；针对IEEE754的本机指令支持32位和64位数据；LI／L2高速缓冲存储器架构；32位外部存储器接口(EMIF)；至SRAM、EPROM、快闪存储器、SBSRAM和SDRAM的独立连接；两个多通道音频串行端口(McASP)，支持各种 和相似的位流格式，集成数字音频接口发送器(DIT)可支持：S／PDIF、IEC60958-1、AES-3、CP-430格式和多达16个发送引脚、增强型通道状态／用户数据与两个 接口及16位主端口接口(HPI)。
应用例举：可在专业音频设备(为如数字混合器、演播室设备、乐器)与高端音频会议设备及高端商用音频系统等设备上应用。图2为TMS320C6713 DSP在专业音频信号链路中的起核心作用的应用示意图。
图2
此外，通过与先进的模拟技术以及高质量音频转换和处理产品的组合使用，这些产品为身处重压之下的系统设计师提供了全面的工具套件。
3.3先进的模拟技术与器件及其应用
应该说，各种数字音频应用进一步推动了模拟技术的创新，它们不仅增加了对高性能ADC、DAC、前置放大器、运算放大器、模拟开关、模拟多路复用器、电压参考、运算放大器、PLL、比较器、DC／DC转换器等传统模拟器件需求，还推动了新型模拟器件的开发。
而音频应用解决方案中包括数据转换器(即ADCS、Cddecs与DAC)、音频放大器与时钟分配回路的主要性能参数。为此对现代音频系统中应用的最新音频放大器模拟器件的独特技术，以及应用作介绍。
3.31音频放大器
*无输出电容器立体声耳机放大器成为热门
当今人们希望手机具有更丰富的音频功能，如和弦铃声、MP3音乐、带音频的视频流及3D环绕立体声效果。而美国国家半导体公司(NSC)的Boomer音频子系统除了内置2.2W的立体声D类音频放大器外，还具有可编程3D音效增强功能、自动耳机检测以及155mW无输出电容器立体声耳机放大器。它的立体声耳机放大器可选择采用电容器耦合模式或无需输出电容器模式，以满足不同设计的要求。系统设计工程师若选用无输出电容器的结构，便无需像传统的耳机放大器一样，要另外增加体积大但昂贵的输出耦合电容器。
又如具有头戴式耳机／扬声器放大器和12位电池／温度辅助ADC的低功耗、立体声音频编解码器TLV320AIC26代庇就是典型一例。因TLV320AIC26(AIC26)是高性能音频编解码器，可在高达48kSPS的采样速率条件下提供16／20／24／32位97dB立体重放、单声道录音功能。传声器输入包括内置的前置放大器和硬自动增益控制，以及单端或全差分输入能力。其主要特点是立体声音频DAC和单声道音频ADC支持高达48kSPS的采样速率；高质量97dB立体声音频播放性能；传声器前置放大器和硬件自动增益控制；音频输出驱动器可为8Ω负载提供330mW功率，并支持具有无电容器型输出选项的立体声头戴式耳机；用于实现灵活的音频时钟发生的集成PLL；11 mW低功耗立体声音频低音／高音／EQ／去加重；直接电池测量接受高达6V的输入；片上温度和辅助输入测量；SPI和 串行接口；全断电控制；封装型式32引脚QFN。可在蜂窝电话和智能型电话、PDA、MP3播放机、数码相机与数字摄录机设备上应用。
*驱动陶瓷扬声器对放大器的要求
如今的便携式设备需要更小、更薄、更省电的电子元器件。对于设计小巧的手机，动圈式扬声器成为了制造商能否生产出超薄手机的制约因素。在这一需求的推动下，陶瓷或压电扬声器迅速兴起，成为动圈式扬声器的替代方案。陶瓷扬声器能以超薄、紧凑的封装提供极具竞争力的声压电平(SPL)，具有取代传统的动圈式扬声器的巨大潜力。动圈式扬声器和陶瓷扬声器的区别.但它们要求对更复杂的负载阻抗提供更高的驱动电压。
如MAX9788是一款集成反相电荷泵电源的单声道G类功率放大器，设计用于驱动高容量陶瓷扬声器。在电源电压为5.5VDC时，电荷泵可输出超过700mA的峰值电流，保证14VP-P输出电压。MAX9788通过提高效率来最大限度的延长电池寿命。Maxim公司专利的输出级可提供比AB类放大器更高的效率而不会遇到D类放大器中常见的EMI问题。MAX9788非常适合提供驱动陶瓷/压电扬声器所需的高摆幅输出电压。该器件采用全差分输入和输出电路，具有完整的咔嗒/噼噗声抑制电路、关断控制电路和软起动电路。MAX9788可工作于-40℃至+85℃扩展级温度范围，并提供小型、无铅、28引脚TQFN (4mm x 4mm)或20焊球WLP (2mm x 2.5mm)封装。
关键特性：集成电荷泵电源—无需电感；为压电扬声器提供14VP-P电压摆幅；2.7V至5.5V单电源工作；无咔哒声/啪噗声工作。图3为采用MAX9788 G类放大器的应用电路。
图3
G类放大器有两个电源电压幅度，高压和低压。当输出信号较小时采用低压供电；当输出信号需要较高的电压摆幅时，将高压切换到输出级供电。由于G类放大器具有低压电源，因此，当输出信号较小时，效率比AB类放大器高。由于具有高压电源，G类放大器可承受瞬态峰值电压。
*音频信号通道的热消耗及功率消耗与防止干扰问题
液晶电视(LCDTV)及多功能监视器及等离子显示电视音频信号通道需要高效率的D类音频功率放大器以更高的功率解决了平板式显示器音频的两个问题：热消耗及功率消耗。低热量消散不再需要大的散热器。低功耗有效降低了交流/直流(AD/DC)电源的尺寸和成本。同样的，这些优点还使的平板式引示器尽可能的轻薄。值此以20-W单声道D类音频放大器(如TPA3001D1)作为解决方案比较合适。因TPA3001D1是模拟输入D类音频功率放大器，以20W功率驱动8D单声道扬声器，且无需外接散热器和大的输出滤波组件。
其主要技术是无滤波器调制，即功效和音频质量不依靠滤波器，采用低成本铁氧体磁珠以降低电磁干扰(EMl)，能改善的功效与改善的信噪比(SNR)达102dB。
该芯片特征为：18V电压，以20W功率驱动8Ω负载，总谐波失真+噪声为(THD+N)10％；全套的短路保护及热保护；集成增益设定与低电源电流叫2V时8mA。所以对等离子显示器与大屏幕液晶电视非常适用。图4为TPA3001D1在液晶电视(LCDTV)音频信号通中应用示意图。
图4
音频放大器在PCB面积小时(如手机)的设计会迂到射频能量与电话中的基频部分或音频电路的音频信号产生串扰到的问题。上述TPA3001D1芯片应用铁氧体磁珠技术以降低电磁干扰(EMl)与对防止干扰非常有用。
4、解决高端系统需求的高保真音频系统举例
音频高端系统就是全数字音频组件以及数字+模拟的音频系统，(即音频领域，高端消费电子产品、专业音响)中对音频放大器、立体声驱动的性能要求越来越高，其低失真率、低噪声、快速反应、广阔的操作电压及高输出功率等成为关键的性能指标。值此应用美国国家半导体(NSC)的LM4562和LM4702芯片组成的高保真音频方案就能满足高品质音频需求。其设计方案见图5所示。其LM4562为几乎没失真(在20-10KHz范围)的音频运算放大器，而LM4702为高集成度立体声驱动器。
图5 (点击看大图)
*方案特征
LM4562芯片具有极低失真率、低噪声、高速、广阔的操作电压范围以及高输出功率.其内部由输入级预放大器与音调、低音、重音和音量控制、线性驱动器及声音预放大阶段等组成.其LM4562芯片主要技术规格：供电电压范围，+2.5V至~17V；总谐波失真及噪声(Av=1，VOUT=3VRmS，fIN=IkHz)；负载电阻(RL)=2kΩ／600Ω，0.00003％(典型值)；输入噪声密度 (典型值)；压摆率+20V／μs(典型值)；增益带宽积55MHz(典型值)；开环增益(RL=600Ω)140dB(典型值)；输入偏置电流10nA(典型值)；输入偏移电压0.1 mV(典型值)；直流电增益线性误差0.000009％。
LM4562芯片突出优点，其总谐波失真及噪声只有0.00003％，故适用于专业级及高端的音频系统，如音像系统接收器、前置放大器和混频器以及各种不同的34V医疗成像系统及上业设备。内置高速的6MHz单位增益带宽运算放大器，还另外加设了一个专有的立体声音频功率放大器，后者更是整套音频系统的关键电路，其具备了信号调节功能，确保音频系统可发挥卓越的音响效果。
LM4702是适用高达200V供电电压的单芯片输出级驱动器。LM4702芯片主要技术规格宽工作电压范围，LM4702A／B为+20V至±100V，LM4702C为±20V至±75V；等效噪声为3μV；电源抑制比(PSRR) 为110dB(典型值)；总谐波失真及噪声(THD+N)， LM4702M为0.0003％，LM4702C为0.0053％。产品特征：可以利用极高电压操作，可灵活调节输出功率，只需极少外置元件，外部补偿与过热停机及静音功能。
5、现代音频系统开发工具例举
从中仅例举之一。专业音频开发工具包(PADK)，PADK是基于新型TMS320C672x浮点型DSP的硬件／软件解决方案。C672x系列DSP为专业音频、乐器、无线电音频及商业音频应用进行了优化。PADK集成了TMS320C6727DSP及Burr-Brown的ADC和DAC，该模板以众多的I／O选项及连接器为特色。除了硬件，PADK还包括了真实世界(reaI-world)音频软件示例代码，用于演示C627x DSP的性能并为开发者开发定制应用提供了一个很好的参考。功能齐全的PADK包含了所需的硬件及软件，以便更快的设计出独特的高级音频应用。
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