以電池為動力的智慧型手機、平板電腦目前最強調的就是使用時數，而將多種技術結合在一顆音訊IC的高效節能音訊系統能夠有效提升能源效率，兩者一拍即合。
過去這段期間，系統日趨複雜，已從單一立體聲數位類比轉換器(DAC)IC發展至內建多個DAC、類比數位轉換器(ADC)及音訊數位訊號處理器(DSP)的晶片，以因應消費性電子市場日益苛刻的需求。
低成本精密半導體技術的發展，以及大量需求的出現，落實了這些趨勢的發展。在ADC、DAC、頭戴式耳機驅動器及揚聲器驅動器的設計上必須要有新思維，才能改善消費性產品中音訊訊號鏈的能源效率。
類比挑戰越來越艱難
當電晶體越來越小時，一般使用者對類比效能的期望卻不斷升高，或至少也必須維持相同的效能，而且還必須把最大電壓越降越低。假如電壓減半，雜訊也必須減半以維持同樣的效能，這表示電晶體電流必須增為四倍，而功耗則會倍增。
此外，當串接類比輸出級來滿足現今系統較複雜的功能性需求時，訊噪比(SNR)也會更進一步降低。例如，把兩個100分貝(dB)輸出級串接，會得到一個97dB的路徑。類比只會讓人更頭痛。
在數位世界中，在較低的電壓下運作的小型電晶體，有較低的閘級電容值(Gate Capacitance)。由於邏輯閘的功耗大約與電容值和電壓的乘積成正比，因此整體效能會較佳。
數位與類比須相互搭配
改善能源效率及類比效能的解答，就是使用數位元件來增加類比效能。藉由詳細計算與模擬各種半導體製程，能夠了解它們是如何達到最佳的平衡點。當製程從0.5微米(μm)進入0.35微米、0.18微米，甚至是之後更微縮的製程，可以發現串接輸出級已明顯不利於功耗和訊噪比。這表示具有多個輸入至立體聲ADC及類比混合電路的IC，效率其實遠不及具有多個ADC及數位混合電路的IC。這對DAC而言亦是如此。圖1顯示了舊型與新型編碼解碼器(Codec)架構的不同。
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| 圖1 舊型(上)與新型(下)編碼解碼器的架構 |
具有較多數位邏輯的其他優點包括以下幾點：串接輸出級將變得相當簡單，因為訊號會降級至數學精確度，而非像類比雜訊那樣不準確；數位混合及繞線可以較有彈性；音訊的數位過濾將較為簡單；可輕易關閉未使用的部分以節省電力；能夠降低製造成本，因為可使用較便宜的數位掃描模式進行測試，而非使用類比效能量測(由於無法改變音訊頻寬的頻率，此種方式很難加速音訊系統測試)。
在缺點方面，當不同來源的音訊訊號有不同的取樣率時，其訊號的數位混合並不是那麼簡單，而是須要經過取樣率轉換器的調整。不過，隨著製程微縮及電晶體價格下跌，成本也得以降低。再者，整個數位解決方案變得更為複雜，因此設計和驗證所需的時間也更長。
設法避免電力浪費
另外一個會造成電力浪費的部分，則是剩餘直流電壓跨越揚聲器或頭戴式耳機時所造成的。揚聲器驅動器是直接與橋接式負載(Bridge-tied Load, BTL)結構中的揚聲器連接，藉此從電池的低電壓來得到最大的功率輸出。
一個終端被反相位驅動至另一端，以達到四倍的輸出功率。在待機時，由於類比線路的偏差，因此會有幾毫伏特(mV)的小偏差，而這些加總起來的數量如果太大，將對於一個8歐姆(Ω)的揚聲器造成相當可觀的電力浪費，然而這些都是可以透過謹慎的設計將浪費減至最小。同樣地，當揚聲器驅動器不被使用時，可透過軟體來關閉，進而將待機功耗從幾毫瓦(mW)減少至低於1微瓦(μW)。
數年前，頭戴式耳機驅動器在待機時，輸出約是電池提供的軌電壓的一半，而且會在地線和供電軌間產生音訊訊號。為移除這種直流偏移，必須使用串聯電容。這種元件對頭戴式耳機而言顯得相當笨重，這是因為頭戴式耳機需要較低的阻抗，因此須要使用較大的電容，如此才可讓低音頻率在沒有衰減的情況下通過，它們同時也會一起形成一個高通濾波器(High-pass Filter)。
另外一個折衷的解決方案是以供應電壓一半的電壓來製造一個人工地線，如此可以抵銷對電容的需求性，但是這種方式需要另外的輸出，而這就會導致電力的浪費。從那時開始，歐勝(Wolfson)已發展出W類的驅動器，使用智慧型的電荷泵(Charge Pump)來產生正負電供給。這樣一來，由於輸出可以在地線之上及之下擺盪，所以能夠移除對大型電容的需求，但也會導致小的直流偏移及電力的浪費，不過，現在利用低成本數位控制器的優點，已能自動進行校正，將這種偏移降至最低。
W類技術大幅降低功耗
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| 圖2 W類技術的運作原理 |
W類也包含可變的電荷泵電壓。因為此音訊IC可產生頭戴式耳機揚聲器所需電壓及處理音訊訊號，所以電荷泵得以不間斷地調整，讓頭戴式耳機揚聲器總是能有剛好足夠的供應電壓，以產生音訊輸出，而不會有暫態音訊訊號那種不悅耳的喀擦聲(Clipping)產生(圖2)。因為大多數的音訊訊號是遠低於放大器的最大輸出功率，所以這種可變的供電對改善效率有很顯著的效果。相同的技術也可以應用在耳塞式耳機上。
揚聲器的驅動器在過去也是屬於無效率的AB類放大器，但是現在通常是使用D類放大器，用高頻交換式波形來驅動揚聲器。揚聲器本身則過濾波形以產生音訊。
由於放大器的輸出電晶體是扮演著開關而不是電阻的角色，所以效率可以超過90%。而一旦不需要放大器時，它的功率會降低，而且僅需要1微瓦以下的功率。使用D類放大器會發生的問題，例如電磁干擾(EMI)已大致被解決，現在處理這個問題就好像是例行工作一般容易。
高效節能的音訊系統就是把許多技術結合在一顆音訊IC，這種音訊系統能夠有效提升能源效率。而這對智慧型手機、平板電腦等以電池為動力的裝置而言，就產生極大的幫助，能讓通話或使用時數從個位數增加為兩位數。
(本文作者任職於歐勝)