为助听器市场带来突破的半导体技术

方珺逸 2016-12-16

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很少有应用比现代助听器面临更多的技术限制。针对这个领域，在较小型的设计中提高性能水平和降低功耗的需求更大于消费电子。这种压力还因助听器产业目前每年成长4-6%(根据一些知名市场公司的研究资料)的事实而加剧，并由中国和印度人口老龄化以及新市场发展而推动。因此，有必要以改善的功能满足更广泛患者的需求。

透过整合更精密的数字信号处理(DSP)半导体方案，将使制造商能够满足助听器用户的这些需求。本文将详细介绍影响DSP技术的各种设计考虑，以及在当今助听器内的应用。

简单来说，助听器的工作原理是：声波由麦克风接收，并转换成一个模拟电子信号。透过模拟-数字转换器(ADC)拾取这个模拟信号，并把它转换成一个数字信号；接着再用DSP算法进行处理和调节。然后该数字信号被重新转换为模拟形式，传递到接收器，并转换成由助听器用户听到的声波。 20161214 Onsemi TA31P1 现代数字助听器的运作原理

为了尽量减少这些设备的视觉冲击，提高佩戴者的舒适性，市场上开始导入更分离式的新款式。常用的耳背式(BTE)设备现在开始被位于耳道内更深处的助听器所取代，如深耳道(CIC)和耳道内不可见(IIC)的设备，或微型耳罩式设备，又称微型耳背式(mini-BTE)或OTE。助听器这种“可听到但看不见” 的趋势需要大量系统微缩小型化到为设备供电的IC。 20161214 Onsemi TA31P2 传统的BTE助听器必须将多个组件(包括电池)整合于轻量的小型系统中。新兴的入耳式(ITE)设计更面临空间限制的严苛挑战

客制化需求

原始设备制造商(OEM)正探索可实现助听器本身独特的数据信号处理算法的IC解决方案。这将支持更高能效的“平台”策略到位，让不同的助听器款式都可利用同样的核心DSP创建。例如，轻度听力受损可由一组特定的算法加以解决，而高功率组件则克服严重的听力受损，均可使用相同的平台，但以更多的优点或功能与性能加以区别。

与可携式电子设备无线互连

业界对于以无线技术实现助听器和电子设备(如智能手机)之间的音频信号传输极其感兴趣。透过2.4GHz频段(基于蓝牙和ZigBee无线标准)，无线连接可以使助听器用户直接从电子设备体验音频。例如，用户可以从手持设备串流音乐，或以其助听器作为耳机进行通话。无线连接还能增加用户和设备之间的互动。使用智能手机，助听器用户可以很容易地调整和自定义参数和设置(如音量控制)，而不需要繁琐的继电器配件。由于无线技术没有最终的标准，工程师必须能够快速适应新兴标准，如蓝牙低功耗(BLE)。

选择DSP架构

有许多不同类型的DSP架构可用于现代半导体。由于该架构对于助听器设计的整体能效将有相当大的影响，OEM工程团队应确保认真考虑可用的选择，最后做出决定选择一个最适用的方案。

封闭式架构

采用一个DSP直接硬线连架构的封闭式固定功能架构，可为系统的功耗和尺寸实现优化。遗憾的是，其代价却是牺牲了系统的灵活性。虽然一些较小的参数仍然可调整，但如果没有大规模的重设工作(这极其昂贵和耗时)，也无法改变IC的基本功能。

开放式可编程架构

开放式可编程架构为OEM提供了更好的设计灵活性，因为DSP算法相对上易于修改。然而，这种灵活性可容纳在一个更大的系统中，但这无法满足现代助听器严苛的功率和尺寸要求。

半可编程及特定应用、开放式可编程架构

一种能够结合封闭式和开放式可编程架构有利特性的替代架构正在崛起。半可编程架构的基本DSP功能是硬线接入逻辑模块和额外的可编程DSP元素，额外的能力可以在软件中实现。虽然这提供了一些灵活性，但半可编程架构仍然比封闭式架构有更大的功率预算。

特定应用、开放式可编程架构提出了另一种方法。在此的DSP架构是基于深入了解应用需求而设计并优化的，以便为特定应用处理特殊的信号处理要求。它有开放可编程架构的软件可编程能力，以及相对上接近封闭式架构的电源能效，提供妥善实施的设计布局以及利用适合的半导体几何结构。这样的架构有助于促进OEM厂商目前所需要的平台途径。

例如，安森美半导体(ON Semiconductor)的Ezairo 7100是精巧且极其精密的系统单芯片(SoC)解决方案，针对下一代助听器而设计。它结合了模拟前端、ARM Cortex-M3处理器以及24位四核心DSP(基于特定应用、开放式可编程架构)于一个半导体芯片中。封闭式和开放式可编程混合架构的实施，意味着IC在10.24MHz的最大频率速度作业时的功耗小于0.7mA。这能够降低系统功耗，同时仍然赋予工程师必要的设计灵活性(算法可调整)，以创建功能丰富的助听器设计，使其从市场竞争中脱颖而出。 20161214 Onsemi TA31P3 ON Ezairo 7110方块图