專利名稱：一種微型數(shù)字可編程音頻處理芯片模組和走線方法
一種微型數(shù)字可編程音頻處理芯片模組和走線方法本發(fā)明涉及嵌入式微型數(shù)字可編程音頻處理芯片模組設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種微型數(shù)字可編程音頻處理芯片模組和走線方法。國(guó)內(nèi)目前在超微型音頻放大器領(lǐng)域還是處于相對(duì)落后的狀態(tài)，只有模擬放大器可以做得小些，但是由于不可編程，功能單一，應(yīng)用領(lǐng)域有限。而數(shù)字放大器大都使用TI通用 DSP搭建，體積太大，功耗太高，不適于便攜領(lǐng)域使用。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的空白，是業(yè)內(nèi)一個(gè)重要的里程碑事件，也從此擺脫了高端微型便攜設(shè)備音頻領(lǐng)域國(guó)外產(chǎn)品一統(tǒng)天下的局面，為國(guó)內(nèi)批量生產(chǎn)高性能經(jīng)濟(jì)型同類產(chǎn)品打開(kāi)了大門。一旦該產(chǎn)品批量市場(chǎng)化，就可以進(jìn)行芯片掩膜定制，進(jìn)一步提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。放大器設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)首先在于總體方案設(shè)計(jì)，既要保證功能足夠強(qiáng)大，又要保證體積足夠小，功耗足夠低。完成總體設(shè)計(jì)后難點(diǎn)就是硬件設(shè)計(jì)，由于產(chǎn)品使用便攜性，輕便性和隱蔽性的要求，模塊不能比米粒大多少。要求使用超小體積器件和超低功耗器件，硬件完成后的難點(diǎn)是相關(guān)軟件算法和實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究和百余篇學(xué)術(shù)論文的查詢， 發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)相關(guān)水準(zhǔn)還處于理論而非實(shí)用階段，理論上基本上也是相對(duì)國(guó)外前沿水準(zhǔn)差15 到20年水平。無(wú)法進(jìn)行商業(yè)轉(zhuǎn)換使用。本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，設(shè)計(jì)一種以便攜設(shè)備用微型通用音頻芯片為核心，通過(guò)精心布局設(shè)計(jì)，能把配套的存儲(chǔ)器，振蕩器，泵壓源，濾波器做到最小定制，并能結(jié)合相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在2mm*3. 6mm*6. 3mm的厚膜電路上，實(shí)現(xiàn)完整的音頻模塊功能的微型數(shù)字可編程音頻處理芯片模組和走線方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的設(shè)計(jì)一種微型數(shù)字可編程音頻處理芯片模組，包括微型超薄板、 數(shù)字音頻芯片，存儲(chǔ)芯片，振蕩器，微型阻容，電池，導(dǎo)線，其特征在于所述的微型超薄板正面設(shè)有存儲(chǔ)芯片和數(shù)字音頻芯片，反面設(shè)有振蕩器和濾波電路，所述的存儲(chǔ)芯片豎立設(shè)置， 數(shù)字音頻芯片橫放設(shè)置，所述的存儲(chǔ)芯片靠近數(shù)字音頻芯片管腳端放置，2520晶振設(shè)置于存儲(chǔ)芯片單板背面，接口焊盤設(shè)置于音頻芯片管腳下方，所述的微型超薄板制板加工時(shí)采用拼板結(jié)構(gòu)，拼板之間設(shè)有橋連郵票孔，拼板上設(shè)有若干定位孔。所述的微型超薄板制板加工時(shí)拼板上設(shè)有mark點(diǎn)(電路板設(shè)計(jì)中PCB應(yīng)用于自動(dòng)貼片機(jī)上的位置識(shí)別點(diǎn))，拼板板框部分覆銅，所述的微型超薄板表面沉金，并采用無(wú)防焊罩設(shè)計(jì)工藝和樹(shù)脂塞孔工藝，保證微型元器件貼片精度和平整度。所述的數(shù)字音頻芯片采用晶圓級(jí)芯片mxsp(晶圓片級(jí)芯片規(guī)模封裝)封裝， 所述的存儲(chǔ)芯片采用DFN封裝(即DFN/QFN封裝，是一種最新的的電子封裝工藝.ON Semiconductor公司的各種元器件都采用了先進(jìn)的雙邊或方形扁平無(wú)鉛封裝，DFN/QFN平臺(tái)是最新的表面貼裝封裝技術(shù)，印刷電路板(PCB)的安裝墊、阻焊層和模版樣式設(shè)計(jì)以及組裝過(guò)程，都需要遵循相應(yīng)的原則。DFN/QFN封裝概述DFN/QFN平臺(tái)具有多功能性，可以讓一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體器件在無(wú)鉛封裝內(nèi)連接)，所述的貼片電阻及小參數(shù)電容采用0201封裝，數(shù)字電源濾波電容為0403封裝IOUF貼片電容，所述的振蕩器為2520封裝IV振蕩器， 所述的導(dǎo)線采用超細(xì)的0. 05毫米7股柔性彩色漆包線。本發(fā)明還包括一種微型數(shù)字可編程音頻處理芯片模組的走線方法，其特征在于結(jié)合主芯片管腳分部特點(diǎn)，把走線分成數(shù)字區(qū)域、模擬區(qū)域、輸入?yún)^(qū)域、輸出區(qū)域和振蕩時(shí)鐘區(qū)域，各區(qū)域分塊走線，控制串?dāng)_；同時(shí)對(duì)數(shù)字電源地、模擬電源地、輸出模擬地、電池電源地和射頻地進(jìn)行分塊走線，并單點(diǎn)匯接于電池電源地；對(duì)電池電源，泵壓電源，數(shù)字電源，音頻輸出電源進(jìn)行就近濾波；音頻輸出線進(jìn)行并行等長(zhǎng)走線，保證抗擾；無(wú)用模擬輸入口選擇接地，減少輸入干擾；時(shí)鐘線短并遠(yuǎn)離模擬線，用數(shù)字地包裹，保證時(shí)鐘可靠穩(wěn)定；存儲(chǔ)芯片SPI通訊線短，并遠(yuǎn)離模擬輸入線；音頻芯片編程加載I2C線(兩線式串行總線)短， 靠近輸出焊盤口就近出線；數(shù)字區(qū)空余位置進(jìn)行數(shù)字鋪地，增加抗擾；模擬區(qū)空余位置進(jìn)行模擬鋪地，保護(hù)輸入。本發(fā)明芯片模組體積小，性能強(qiáng)，功耗低，可編程，高保真?？梢杂糜谥谱髦?tīng)器， 音樂(lè)耳機(jī)，口吃矯正儀，微型監(jiān)聽(tīng)器，消噪頭盔，心率計(jì)，脈搏分析儀，超大觸摸屏等多種音頻相關(guān)設(shè)備。產(chǎn)品性能特點(diǎn)體積小模塊大小2mm*3. 6mm*6. 3mm,相當(dāng)于一顆稻粒大小，卻有強(qiáng)大的高保真音頻處理功能。性能高本產(chǎn)品核心芯片為130納米工藝制造，4路16位輸入 ADJ4位雙核DSP，110DB動(dòng)態(tài)輸入范圍，88DB輸出動(dòng)態(tài)范圍，功耗低標(biāo)準(zhǔn)工作電壓1. 25V, 靜態(tài)工作電流0.8mA。典型工作電流2 3mA?？删幊炭梢詫?duì)濾波特性，頻譜特性，放大倍率等參數(shù)進(jìn)行編程，從而提供定制化產(chǎn)品服務(wù)。高保真16位AD，8K頻寬，M位信號(hào)通道， 加速引擎的設(shè)計(jì)為便攜設(shè)備高保真提供支撐。其創(chuàng)新點(diǎn)在于1、方案經(jīng)濟(jì)從ASIC芯片設(shè)計(jì)切換到芯片模組設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)同樣的使用功能，方法更經(jīng)濟(jì)。相對(duì)于原數(shù)百萬(wàn)元的設(shè)計(jì)及掩膜費(fèi)用和2年以上穩(wěn)定期，模組方案只要一半以下的直接投入和開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)有ASIC設(shè)計(jì)沒(méi)有的靈活性和低風(fēng)險(xiǎn)。2、超微組合精選了最小的晶圓級(jí)芯片尺寸WXSP封裝高端可編程音頻芯片和 DFN封裝存儲(chǔ)芯片，其他配件器件對(duì)應(yīng)各需參數(shù)也是目前封裝最小的設(shè)計(jì)能力。3、布局精巧存儲(chǔ)芯片靠近數(shù)字管腳端放置，對(duì)模擬輸入端干擾小，距離遠(yuǎn)，能充分保證音頻質(zhì)量不受干擾。存儲(chǔ)豎立，音頻橫放的方案，實(shí)現(xiàn)總體長(zhǎng)寬最短，最窄。2520晶振放置于存儲(chǔ)芯片單板背面，在縮小整體面積的同時(shí)保證布局布線的便利。接口焊盤布局于音頻芯片管腳下方，大都對(duì)應(yīng)管腳功能就近輸出，確保干擾最小，同時(shí)便于走線。4、單板布線嚴(yán)格約束。5、功耗精細(xì)控制使用時(shí)長(zhǎng)由原來(lái)無(wú)電源控制的平均工作30小時(shí)正常使用時(shí)間延長(zhǎng)到了 80小時(shí)。

圖1是本發(fā)明的放大器模塊A面示意圖；圖2是本發(fā)明的放大器模塊B面示意圖3是典型的音頻放大接線圖；圖4是本發(fā)明數(shù)字芯片軟件流程示意圖；圖5是本發(fā)明助聽(tīng)器管理軟件流程示意圖；圖中1.存儲(chǔ)芯片2.數(shù)字音頻芯片3.震蕩器件4. I2C接口 5.預(yù)留I/O 口 6.預(yù)留I/O 口 7.濾波器件8.音量調(diào)節(jié)口 9.MIC輸入口 10.電池電源接口 11.音頻輸出接口 12.泵壓器件。結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，這種裝置的制造技術(shù)對(duì)本專業(yè)的人來(lái)說(shuō)是非常清楚的。方案首先，考慮產(chǎn)品小而強(qiáng)的需求，精選對(duì)應(yīng)各需參數(shù)是目前封裝最小的設(shè)計(jì)能力的配件器件。另外，除了空間上得縮小，在功耗上也要進(jìn)行精細(xì)控制a.在不明顯降低音頻質(zhì)量的前提下，盡量降低模組工作頻率，選取小于20M的振蕩器；b.根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，選配不同的振蕩頻率，聽(tīng)音樂(lè)可以通過(guò)軟件選配20M頻率，語(yǔ)音識(shí)別可以選用IOM頻率，心率計(jì)數(shù)則可選5M左右頻率；c.對(duì)某時(shí)刻不參與實(shí)際工作的器件實(shí)行休眠控制，如不讀取存儲(chǔ)器期間使存儲(chǔ)器不工作，可大大減小系統(tǒng)功耗，其他器件同樣；d.通過(guò)軟件時(shí)序的適當(dāng)控制，對(duì)器件分時(shí)上電，錯(cuò)開(kāi)峰值沖擊。e.在無(wú)需處理音頻或語(yǔ)音時(shí)，針對(duì)不同種類產(chǎn)品通過(guò)不同檢測(cè)門限和方法，使芯片可以立刻切換到極低功耗的深度休眠模式，功耗可以降到正常工作的百分之幾。大大降低待機(jī)功耗，延長(zhǎng)電池使用壽命。于是，選擇以下硬件和軟件A、硬件特制微型超薄板3. 6*6. 3*0. 5mm ；便攜音頻芯片ILCSP封裝， 2. 68*3. 63mm ；微型存儲(chǔ)芯片DFN封裝，2*3mm ；定制微型超低壓振蕩器2520封裝， 2. 5*2mm ；超微阻容0201封裝，0. 5*0. 25mm ；泵壓電路100PF泵壓電容結(jié)合主芯片實(shí)現(xiàn)2 倍泵壓；微型電池接口 1.25V 1.5V電池接口 ；微型麥克接口 3線MIC;微型受話器接口 差分D類受話器；音量調(diào)整接口 接微型電位器；模式切換接口 軟件模式切換選擇；無(wú)線識(shí)別接口 電話模式識(shí)別；微型加載編程接口 I2C程序加載；濾波電路數(shù)字，模擬電源濾波；可選IO 2路備用I/O 口 ；配套專用導(dǎo)線7芯漆包，0. 05mm*7。B、對(duì)軟件進(jìn)行選擇模塊運(yùn)行軟件(M⑶軟件1)；模塊配置接口軟件(MCU軟件2)； 模塊音頻處理功能(MCU軟件幻；配套配置界面軟件(管理軟件1)；配套管理用戶軟件(管理軟件2)。其中MCU軟件(即數(shù)字芯片軟件)的流程圖如附圖4所示，模塊上電啟動(dòng)后先進(jìn)行內(nèi)外參數(shù)配置，包括1/0，音量，濾波器等，然后開(kāi)放中斷，進(jìn)入主循環(huán)。不同的產(chǎn)品管理軟件的流程圖是不同的，以助聽(tīng)器為例，管理軟件的流程圖如附圖5所示，管理軟件獲取客戶信息，然后根據(jù)相應(yīng)產(chǎn)品算法獲得配置數(shù)據(jù)，加載到放大器模塊后即實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的個(gè)性化定制，類似方法可以實(shí)現(xiàn)多種產(chǎn)品的調(diào)校。
選擇好軟件和硬件后進(jìn)行單板設(shè)計(jì)a.拼板設(shè)計(jì)，拼接10*10 = 100PCS ；b.板間做橋連郵票孔，便于貼片加工后拆解；c.拼板上加定位孔；d.板上加MARK點(diǎn)，便于貼片時(shí)精確定位；e.拼板考慮貼片加工時(shí)的單板強(qiáng)度，如板框部分保留覆銅以加強(qiáng)單板強(qiáng)度； f.單板表面沉金，防氧化，提高可焊性；g.樹(shù)脂塞孔工藝使用，保證過(guò)孔不得高于BGA焊盤， 過(guò)孔焊盤和BGA焊盤重疊部分不能有阻焊，保證BGA焊盤可焊接，其余部分阻焊；h.阻焊設(shè)計(jì)，BGA焊盤不能有阻焊，尤其過(guò)孔重疊部分，NSMD工藝要求，阻焊層的開(kāi)度應(yīng)大于金屬焊點(diǎn)。i.精細(xì)圖符輔助貼片定位，走線重疊處可有殘段，PCB冗余線輔助定位。j.減少單板層數(shù)，通過(guò)單板走線布局優(yōu)化并適當(dāng)犧牲面積控制，實(shí)現(xiàn)2層單板的走線。然后，根據(jù)音頻芯片的管腳分布特點(diǎn)，存儲(chǔ)芯片靠近數(shù)字管腳端放置，對(duì)模擬輸入端干擾小，距離遠(yuǎn)，能充分保證音頻質(zhì)量不受干擾。存儲(chǔ)豎立，音頻橫放實(shí)現(xiàn)總體長(zhǎng)寬最短， 最窄?？紤]音頻芯片BGA管腳密集，存儲(chǔ)芯片DFN封裝管腳稀少，2520晶振放置于存儲(chǔ)芯片單板背面，在縮小整體面積的同時(shí)保證布局布線的便利。若放于正面芯片模組面積太大，背面若放于音頻芯片下方則必然導(dǎo)致BGA走線受阻和接口焊盤無(wú)法布局。接口焊盤布局于音頻芯片管腳下方，大都對(duì)應(yīng)管腳功能就近輸出，確保干擾最小，同時(shí)便于走線。如附圖3所
7J\ ο最后，對(duì)多種走線進(jìn)行約束a.結(jié)合主芯片管腳分部特點(diǎn)，把走線分成了數(shù)字區(qū)域，模擬區(qū)域，輸入?yún)^(qū)域，輸出區(qū)域，振蕩時(shí)鐘區(qū)域；各區(qū)域分塊走線，控制串?dāng)_。b.同時(shí)對(duì)數(shù)字電源地，模擬電源地，輸出模擬地，電池電源地，射頻地進(jìn)行分塊走線，并單點(diǎn)匯接于電池電源地。C.對(duì)電池電源，泵壓電源，數(shù)字電源，音頻輸出電源進(jìn)行就近濾波；d.音頻輸出線進(jìn)行并行等長(zhǎng)走線，保證抗擾，提高音質(zhì)；e.無(wú)用模擬輸入口可以選擇接地，減少輸入干擾；f.時(shí)鐘線短并遠(yuǎn)離模擬線，用數(shù)字地包裹，以保證時(shí)鐘可靠穩(wěn)定；g.存儲(chǔ)芯片SPI通訊線短，并遠(yuǎn)離模擬輸入線；h.音頻芯片編程加載I2C線短，靠近輸出焊盤口就近出線；i.數(shù)字區(qū)空余位置進(jìn)行數(shù)字鋪地，增加抗擾；j.模擬區(qū)空余位置進(jìn)行模擬鋪地，保護(hù)輸入。根據(jù)以上步驟得到的微型數(shù)字可編程音頻處理芯片模組，其放大器模塊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2所示，正面為存儲(chǔ)器EEROM和數(shù)字處理芯片，反面為振蕩器和濾波電路，整個(gè)模塊高度緊湊，全部器件采用了當(dāng)今最前沿技術(shù)，封裝最小，性能極強(qiáng)，再通過(guò)精心的布局組合，使得總模塊體積小巧，可在多種便攜產(chǎn)品中使用；其典型的音頻放大接線圖如附圖 3所示，可以作為CIC，ITC，ITE或耳背式助聽(tīng)器使用，有雙麥克風(fēng)，有音量調(diào)節(jié)，有聆聽(tīng)狀態(tài)識(shí)別，可自動(dòng)切換到電話模式，接D類差動(dòng)受話器，可根據(jù)型號(hào)佩A675，A13，A312，AlO等鋅空電池，另有外接加載口，可以根據(jù)客戶聽(tīng)力圖加載對(duì)應(yīng)頻響曲線并進(jìn)行參數(shù)微調(diào)。如做成盒式助聽(tīng)器或口吃矯正儀也可配7#普通電池。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出，采用上述方法可以使CIC原型機(jī)的A13鋅空電池使用時(shí)長(zhǎng)由原來(lái)無(wú)電源控制的平均工作30小時(shí)正常使用時(shí)間延長(zhǎng)到了 80小時(shí)。
權(quán)利要求
1.一種微型數(shù)字可編程音頻處理芯片模組，包括微型超薄板、數(shù)字音頻芯片，存儲(chǔ)芯片，振蕩器，微型阻容，電池，導(dǎo)線，其特征在于所述的微型超薄板正面設(shè)有存儲(chǔ)芯片和數(shù)字音頻芯片，反面設(shè)有振蕩器和濾波電路，所述的存儲(chǔ)芯片豎立設(shè)置，數(shù)字音頻芯片橫放設(shè)置，所述的存儲(chǔ)芯片靠近數(shù)字音頻芯片管腳端放置，2520晶振設(shè)置于存儲(chǔ)芯片單板背面，接口焊盤設(shè)置于音頻芯片管腳下方，所述的微型超薄板制板加工時(shí)采用拼板結(jié)構(gòu)，拼板之間設(shè)有橋連郵票孔，拼板上設(shè)有若干定位孔。
2.如權(quán)利要求1所述的一種微型數(shù)字可編程音頻處理芯片模組，其特征在于所述的微型超薄板制板加工時(shí)拼板上設(shè)有mark點(diǎn)，拼板板框部分覆銅，所述的微型超薄板表面沉金，并采用無(wú)防焊罩設(shè)計(jì)工藝和樹(shù)脂塞孔工藝。
3.如權(quán)利要求1所述的一種微型數(shù)字可編程音頻處理芯片模組，其特征在于所述的數(shù)字音頻芯片采用晶圓級(jí)芯片WLCSP封裝，所述的存儲(chǔ)芯片采用DFN封裝，所述的貼片電阻及小參數(shù)電容采用0201封裝，數(shù)字電源濾波電容為0403封裝IOUF貼片電容，所述的振蕩器為2520封裝IV振蕩器，所述的導(dǎo)線采用超細(xì)的0. 05毫米7股柔性彩色漆包線。
4.一種微型數(shù)字可編程音頻處理芯片模組的走線方法，其特征在于結(jié)合主芯片管腳分部特點(diǎn)，把走線分成數(shù)字區(qū)域、模擬區(qū)域、輸入?yún)^(qū)域、輸出區(qū)域和振蕩時(shí)鐘區(qū)域，各區(qū)域分塊走線，控制串?dāng)_；同時(shí)對(duì)數(shù)字電源地、模擬電源地、輸出模擬地、電池電源地和射頻地進(jìn)行分塊走線，并單點(diǎn)匯接于電池電源地；對(duì)電池電源，泵壓電源，數(shù)字電源，音頻輸出電源進(jìn)行就近濾波；音頻輸出線進(jìn)行并行等長(zhǎng)走線，保證抗擾；無(wú)用模擬輸入口選擇接地，減少輸入干擾；時(shí)鐘線短并遠(yuǎn)離模擬線，用數(shù)字地包裹，保證時(shí)鐘可靠穩(wěn)定；存儲(chǔ)芯片SPI通訊線短，并遠(yuǎn)離模擬輸入線；音頻芯片編程加載I2C線短，靠近輸出焊盤口就近出線；數(shù)字區(qū)空余位置進(jìn)行數(shù)字鋪地，增加抗擾；模擬區(qū)空余位置進(jìn)行模擬鋪地，保護(hù)輸入。
全文摘要
本發(fā)明涉及嵌入式微型數(shù)字可編程音頻處理芯片模組設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種微型數(shù)字可編程音頻處理芯片模組和走線方法，包括微型超薄板、數(shù)字音頻芯片，存儲(chǔ)芯片，振蕩器，微型阻容，電池，導(dǎo)線，微型超薄板正面設(shè)存儲(chǔ)芯片和數(shù)字音頻芯片，反面設(shè)振蕩器和濾波電路，存儲(chǔ)芯片豎立，數(shù)字音頻芯片橫放，存儲(chǔ)芯片靠近數(shù)字音頻芯片管腳端，2520晶振設(shè)于存儲(chǔ)芯片單板背面，接口焊盤設(shè)于音頻芯片管腳下方，所述的微型超薄板制板加工時(shí)采用拼板結(jié)構(gòu)，拼板之間設(shè)橋連郵票孔，拼板上設(shè)若干定位孔，構(gòu)成芯片模塊整體，本發(fā)明體積小，性能強(qiáng)，功耗低，可編程，高保真?？梢杂糜谥谱鞫喾N音頻相關(guān)設(shè)備。
文檔編號(hào)H04R3/00GK102510549SQ20111034054
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月1日
發(fā)明者劉謙, 王飛, 肖升茂, 郭俊清, 陳代軍 申請(qǐng)人:上海思萌特電子科技有限公司