|
作者：Synopsys公司 資深模擬設計專(zhuān)家Carlos Azeredo-Leme, 高級產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Craig Zajac 在當今的多媒體系統級芯片中整合進(jìn)經(jīng)過(guò)硅驗證并針對特定音頻功能優(yōu)化過(guò)的音頻IP，有利于降低功耗、減少體積、縮減成本。但隨著(zhù)下一代設計走向28nm工藝技術(shù)，也隨之出現了新的挑戰。音頻編解??碼器中的音頻設計包括了很多模擬電路，它不隨著(zhù)工藝技術(shù)的發(fā)展而與時(shí)俱“小”，因此并不遵循傳統的摩爾定律。 28nm工藝技術(shù)增加了晶圓成本，系統架構師和SoC設計師必須要考慮這對將音頻編解碼器整合進(jìn)SoC的經(jīng)濟性產(chǎn)生了何種影響。Synopsys公司測試了幾款目前在市場(chǎng)上出售的移動(dòng)多媒體設備，發(fā)現目前多數智能手機和平板電腦可以支持用28nm工藝開(kāi)發(fā)的音頻編解碼器。 本文介紹了測試結果還討論了將音頻功能整合進(jìn)28nm移動(dòng)多媒體SoC所面臨的商業(yè)和技術(shù)挑戰，同時(shí)闡述了如何克服這些挑戰的見(jiàn)解。本文還解釋了一些關(guān)鍵的設計考慮，包括縮放限制、電源電壓的要求和系統劃分選擇等。 音頻編解碼器基礎：為解釋清楚和便于討論，可使用下圖1描述的一款音頻編解碼器。音頻編解??碼器包含麥克風(fēng)和線(xiàn)輸入、信號流送和混合、放大器模塊、多通道ADC和DAC。它還包括各種輸出驅動(dòng)器，包括線(xiàn)輸出、耳機和揚聲器驅動(dòng)器以及一個(gè)包含抽取/插值濾波器的小數字信號處理模塊和一個(gè)標準的I2S數字音頻接口。 
圖1：典型的音頻編解碼器方框圖。 28nm工藝技術(shù)的成本考慮：在28nm工藝技術(shù)，晶圓成本比65nm技術(shù)高得多。對遵循摩爾定律的數字電路來(lái)說(shuō)，更高的晶圓成本可以通過(guò)增加的門(mén)密度、可能整合進(jìn)更多功能和更高性能予以補償以證明其物有所值。 模擬電路，諸如廣泛使用I/O器件的音頻編解碼器，不以與主要使用內核器件的數字電路一樣的方式隨工藝節點(diǎn)的縮小而減小。除非晶圓面積可減少25-30％，否則更高的晶圓成本將顯著(zhù)增加音頻技術(shù)的整體硅成本。 例如，為保持相同的硅成本，用65nm技術(shù)實(shí)現的一款2.5mm2的音頻編解碼器，在用28nm工藝實(shí)現時(shí)，需要縮小至1.9mm2。下圖2顯示了到2013年，每個(gè)12英寸晶圓的成本預測(以65nm工藝為標準)。而28nm晶圓的生產(chǎn)成本預計將比65nm晶圓的高近40％。
圖2：2013年，不同工藝的晶圓生產(chǎn)成本，以65nm為標準 (資料來(lái)源：Selantek公司)。 因為與65nm技術(shù)實(shí)現的相同功能音頻電路比，28nm技術(shù)的該電路性能并沒(méi)有顯著(zhù)提升，所以決定是否集成音頻功能的關(guān)鍵因素之一是硅芯片的成本。下圖3顯示了與用65nm工藝實(shí)現的2.5mm2的音頻編解碼器相比，為保持相同的硅成本，用不同的工藝技術(shù)實(shí)現所要求的面積。
圖3：與用65nm工藝實(shí)現的2.5mm2的音頻編解碼器相比，為保持相同的硅成本，不同的工藝技術(shù)實(shí)現所要求的面積。 本文以下各節將討論在28nm工藝幾何尺寸，整合音頻編解碼器的關(guān)鍵技術(shù)挑戰。每個(gè)挑戰都可以通過(guò)改進(jìn)電路或系統來(lái)解決，以為SoC提供最優(yōu)化的功耗和成本。 音頻編解碼器的尺寸縮小限制 有三個(gè)主要的電路模塊制約著(zhù)音頻編解碼器隨工藝的發(fā)展而縮�。� 有源放大器和梯形電阻：有源放大器和梯形電阻用于混合不同音頻源的眾多音量控制和開(kāi)關(guān)應用中。器件匹配特性制約著(zhù)有源放大器的性能。減少單個(gè)器件的體積對器件匹配性能產(chǎn)生負面影響并顯著(zhù)降低了有源放大器的性能�；谠撛�，與40nm或65nm工藝的放大器相比，采用28nm工藝節點(diǎn)實(shí)現相同性能的有源放大器的面積并不會(huì )減少很多。為避免任何可察覺(jué)的雜音(如拉鏈噪音)，音量增益步進(jìn)必須低于1dB。這就需要可變抽頭電阻具有大量的抽頭，從而增加了總面積。 數據轉換器：大多數的音頻編解碼器采用Σ-Δ(sigma-delta)ADC和DAC電路實(shí)現。開(kāi)關(guān)電容電路的噪音水平與電容值成反比。因此，對于一個(gè)給定的音頻性能要求來(lái)說(shuō)，就對應一個(gè)所需的最小電容值，所以，電容面積不會(huì )隨工藝節點(diǎn)的縮小而減小。使問(wèn)題進(jìn)一步復雜的是，隨著(zhù)電源電壓從2.5V(或3.3V)降低到28nm工藝的1.8V，為保持相同的動(dòng)態(tài)范圍，必須降低噪聲水平。所以，電容的面積和容值必須加大。 輸出驅動(dòng)器：必須低失真地提供大輸出電流。為了支持驅動(dòng)耳機和揚聲器所需的大輸出電流，輸出器件必須很大，它也不會(huì )隨工藝技術(shù)的縮小而變小。數據轉換器模塊與此一樣，如將在下面更詳細討論的，當工作電壓從2.5V降至1.8V時(shí)，會(huì )對輸出驅動(dòng)電路的面積和性能有影響。 以下兩節將探討在28nm工藝、采用1.8V電壓實(shí)現輸出驅動(dòng)器時(shí)的權衡與影響。 工作電壓對輸出驅動(dòng)器性能的制約 在65nm和40nm工藝，許多集成的音頻編解碼器的模擬電路使用2.5V的I/O晶體管且實(shí)際上將2.5V器件過(guò)驅至3.3V以提高音頻性能。然而，在28nm工藝，大多數SoC設計將轉而采用1.8V的I/O晶體管。目前，還沒(méi)能普遍支持將1.8V晶體管過(guò)驅至2.5V或3.3V。最終結果是電源電壓和實(shí)現線(xiàn)和耳機驅動(dòng)器的晶體管工作電壓被限制在1.8V。 因電源電壓被限制在1.8V，所以對音頻輸出性能有根本制約。對線(xiàn)輸出驅動(dòng)器來(lái)說(shuō)，與3.3V工作電壓時(shí)1.0Vrms的可用輸出電壓擺幅比，1.8V時(shí)擺幅被限制在僅有0.54Vrms。對32歐姆的耳機來(lái)說(shuō)，耳機驅動(dòng)器的輸出功率被限制在只有12mW，而以前的65 nm和40nm工藝，耳機驅動(dòng)器可從更高的工作電壓提供40mW功率(詳見(jiàn)表1“耳機功率要求”)。 表1: 耳機功率要求
Synopsys測試了13款最新型號的移動(dòng)多媒體設備，包括智能手機、平板電腦、MP3播放器和筆記本電腦，以評估目前市場(chǎng)上出售的音頻設備的實(shí)際性能。在這13款產(chǎn)品中，55％在1.8V工作電壓時(shí)，具有良好性能，就線(xiàn)輸出電壓RMS擺幅來(lái)說(shuō)，其中3款略高于比對指標。圖4所示，一款0.54Vrms和12mW耳機驅動(dòng)器的線(xiàn)驅動(dòng)器的輸出功能表現良好或優(yōu)于目前市場(chǎng)出售的許多設備。
圖4：一款市售的移動(dòng)多媒體設備、平板電腦和智能手機樣品用的耳機驅動(dòng)器的輸出功率 。 但其他的樣品測試使用了一款專(zhuān)用音頻集成電路(IC)，以根據更好的聆聽(tīng)體驗所需的40mW功率提供更高輸出功率。無(wú)論是智能手機還是平板電腦，都有公開(kāi)發(fā)表的拆解報告，其中指認了獨立、專(zhuān)用音頻編解碼器IC。在這些情況下，使用外部音頻IC消除了28nm工藝對電源電壓的限制，但代價(jià)是：一個(gè)額外組件將需要更多系統功耗、更大面積和更高費用。 此外，也有消費類(lèi)電子產(chǎn)品絕對要求更高的輸出驅動(dòng)水平(或出于系統要求或基于消費者可覺(jué)察到性能差異的市場(chǎng)差異化策略)，這使得有必要支持典型的40mW功率要求。在這種情況下，接入3.3V電源有兩種主要途徑： 第一個(gè)選擇是接入用于USB接口的3.3V電源。絕大多數的移動(dòng)多媒體SoC會(huì )有至少一個(gè)USB接口(通常是幾個(gè))，因此有一個(gè)3.3V電源。由于該電源用于高速USB接口，因此，可能存在一個(gè)在不影響USB性能的前提下，可提供的最大負載電流限制。 第二個(gè)選擇是采用現有的1.8V電源、借助電荷泵來(lái)產(chǎn)生3.3V正電源及一個(gè)1.8V負電源(圖5)。由于線(xiàn)輸出和耳機驅動(dòng)器需要相對較低的電流，電荷泵所需的開(kāi)關(guān)可以做得很小。負電源的一個(gè)額外好處是，輸出驅動(dòng)器是中點(diǎn)接地的，從而生成了一個(gè)真正的接地(True-Ground)配置，它允許音頻編解碼器的輸出直接連接到其他器件，而不需要大塊頭的直流阻隔電容。
圖5：真正接地(True-Ground)的配置提供了一個(gè)以地電位為中心的輸出信號，它不需要隔直電容。 在這兩個(gè)選擇中，1.8V器件都需要進(jìn)行正確的級聯(lián)以承受3.3V電壓。 為揚聲器驅動(dòng)器找到合適的系統位置 對在28nm工藝整合進(jìn)音頻編解碼器提出特殊挑戰的輸出驅動(dòng)器是揚聲器驅動(dòng)器。通常情況下，采用3.3V電源供電的揚聲器驅動(dòng)器可提供高達500mW功率。為了獲得上好的音頻性能，揚聲器的驅動(dòng)功率不應低于250mW。然而，因只有1.8V可用來(lái)驅動(dòng)揚聲器驅動(dòng)器的邏輯門(mén)，所以必須顯著(zhù)增加輸出器件的體積以支持大電流需求，從而導致往往不可接受的硅片面積成本的增加。 結果是，在28nm SoC內集成進(jìn)揚聲器驅動(dòng)器在技術(shù)上并不總是可行或實(shí)際的，這使得設計師有必要考慮系統級選項。圖6顯示了在移動(dòng)多媒體系統內實(shí)現揚聲器驅動(dòng)器的四種常見(jiàn)選擇。第一種，是將驅動(dòng)器完全集成到SoC內(圖6a)。第二種，是將整個(gè)音頻編解碼器功能由一個(gè)專(zhuān)用音頻IC來(lái)實(shí)現，并使用I2S數字接口連接專(zhuān)用音頻IC和SoC(圖6b)。
圖6: 移動(dòng)多媒體系統內的揚聲器驅動(dòng)器實(shí)施選項。 第三種，是將除揚聲器驅動(dòng)器外的所有音頻功能都集成到SoC內，并使用一款低成本、專(zhuān)用的揚聲器驅動(dòng)器(圖6c)。第四種選擇，是將揚聲器驅動(dòng)器整合進(jìn)電源管理IC(PMIC)(圖6d)。因為PMIC業(yè)已支持高電壓和大電流，它成為高功率電路合乎邏輯的一個(gè)所在。此外，表2列出了每個(gè)選擇的優(yōu)缺點(diǎn)。 表2：在移動(dòng)多媒體系統內實(shí)現揚聲器驅動(dòng)器的優(yōu)缺點(diǎn)。
總之，基于揚聲器驅動(dòng)器的大功率和大電流要求，它是在1.8V電壓下、以一種有面積效率的方式最難整合的輸出驅動(dòng)器。為了支持揚聲器驅動(dòng)器，SoC設計師必須決定是否將該功能集成到系統內的另一個(gè)模塊(如電源管理IC)，或采用外部揚聲器驅動(dòng)器對其進(jìn)行支持。 將模擬功能轉移到數字域 在智能手機或平板電腦中，在音頻編解碼器上可能存在三個(gè)數字宿主。一個(gè)是基帶處理器，它處理語(yǔ)音信號并送至蜂窩射頻用來(lái)發(fā)送和接收。第二個(gè)是應用處理器，它處理智能手機存儲器上的媒體文件。第三個(gè)是藍牙射頻，它無(wú)線(xiàn)連接立體聲耳機。 每個(gè)音頻信號都工作在不同的時(shí)鐘域。第一個(gè)，工作在通常是13MHz的射頻時(shí)鐘。第二個(gè)，可能工作在480MHz的USB時(shí)鐘。第三個(gè)，可能工作在16MHz，即藍牙芯片的典型工作頻率。這樣一個(gè)系統內的音頻編解碼器不僅橋接了數字域和模擬域，它同時(shí)還橋接了數字生態(tài)系統中的不同時(shí)鐘域。 典型的音頻編解碼器將若干模擬信號源連接在一起并輸出到一個(gè)單一的數字宿主(digital host)。然而，在當今有眾多數字宿主的系統中，每個(gè)數字宿主都有其自己的時(shí)鐘域且往往互相并不同步。因此，將大多信號控制(音量、混合和交換)移到數字域，使ADC和DAC盡可能地接近模擬終端就很有好處(圖7)。
圖7：借助多個(gè)數字音頻宿主的基于數字化的音頻處理。 借助將更多的信號處理從模擬域轉到數字域，音頻編解碼器可以增加遵循摩爾定律的數字電路的百分比并減少不那么隨工藝的縮小而減小的電路比例。這將導致一種新的以數字為中心的架構，其中，所有的信號處理在數字模塊實(shí)施；而其外圍是模擬電路，不僅包含數據轉換器，還包含異步采樣率轉換器(ASRC)以匹配輸入時(shí)鐘域。 本文小結 隨著(zhù)移動(dòng)多媒體SoC縮小到28nm工藝技術(shù)，集成音頻編解碼器功能的挑戰就變得更加棘手。系統架構師和SoC設計師必須考慮到如下五個(gè)重點(diǎn)事項： 1. 先進(jìn)節點(diǎn)所增加的硅成本。與65nm工藝相比，先進(jìn)工藝節點(diǎn)增加的晶圓成本要求將音頻編解碼器的面積減少25％。 2. 音頻編解碼器隨工藝縮小而減小的限制。對28nm技術(shù)來(lái)說(shuō)，音頻編解??碼器設計中對I/O器件的使用限制了在保持相同性能的前提下，減少芯片面積的能力。 3. 電源電壓制約了輸出驅動(dòng)器的性能。以1.8V電壓驅動(dòng)音頻輸出信號，會(huì )限制輸出驅動(dòng)的性能。 4. 為揚聲器驅動(dòng)器在系統內找到合適的位置。揚聲器驅動(dòng)器是將音頻編解碼器整合進(jìn)28nm技術(shù)所遭遇的最具挑戰性的工作。為揚聲器驅動(dòng)器功能找到合適的系統劃分對優(yōu)化整體性能至關(guān)重要。 5. 將模擬功能轉移到數字域�？蓪σ纛l編解碼器架構進(jìn)行改造，通過(guò)用數字域實(shí)現更多功能，以充分分享數字域隨28nm工藝技術(shù)的縮小而減小帶來(lái)的好處。 |
