-歐勝微電子應用開(kāi)發(fā)經(jīng)理Duncan MacadieI

　　基于△-∑調制器(SDM)的數據轉換器已經(jīng)在音頻IC行業(yè)出現很多年了，當設計師考慮設計策略時(shí)，△-∑調制是一個(gè)顯而易見(jiàn)的選擇。不過(guò)，為了滿(mǎn)足不斷變化的市場(chǎng)需求，這一技術(shù)仍在演進(jìn)和改善中，從而在性能、穩定性、尺寸和成本方面達到一個(gè)最佳平衡。歐勝微電子公司推出了最新一代音頻數模轉換器(DAC)架構，該DAC在5V電源下可提供1.7Vrms級別的輸出，這使得客戶(hù)能夠在保持如DVD播放機、游戲終端和機頂盒的音頻性能的同時(shí)，還能降低總的BOM成本。

　　△-∑調制器適合音頻數據轉換

　　△-∑調制器通常用復雜的形式(如使用數學(xué)等式、狀態(tài)圖和理論模型)進(jìn)行描述。盡管所有這些對完整地了解△-∑調制的復雜性是必要的，但就本文的目的而言，只要你能了解SDM架構的關(guān)鍵優(yōu)勢以及它在音頻轉換器IC中的應用就足夠了。

　　△-∑調制的兩大基本原理是：

　　一是過(guò)采樣。采樣過(guò)程會(huì )產(chǎn)生量化誤差，即在輸出端的采樣值和期望的輸出值之間的差別。量化噪聲的大小取決于音頻轉換器的分辨率，它遍布在采樣頻率的帶寬上。

　　Nyquist(奈奎斯特)采樣理論指出，為了精確地對一個(gè)從模擬域到數字域的信號進(jìn)行采樣，采樣頻率必須至少是信號最高頻率分量的兩倍。這一最高頻率分量也稱(chēng)為奈奎斯特頻率。由于音頻信號的典型帶寬在20Hz到20kHz之間，因此要得到CD音頻質(zhì)量采樣頻率至少要到44.1kHz，如要得到DVD音頻質(zhì)量，采樣頻率至少要到192kHz。

　　采樣頻率如低于兩倍奈奎斯特頻率將導致信號混疊，即輸入信號在奈奎斯特頻率左右被當作一個(gè)鏡像信號又混疊到音頻頻帶中。

　　在一個(gè)SDM轉換器中，數據轉換器工作的頻率大大高于兩倍的奈奎斯特頻率，一般比最低采樣頻率還要高出128倍到768倍。過(guò)采樣過(guò)程與其他數據轉換方法相比，把量化誤差擴散到一個(gè)寬得多的頻段上，從而使得音頻頻段上的量化誤差大幅降低。

　　二是噪聲波整形。除了將量化誤差擴散到一個(gè)更寬的頻段上，SDM對輸入信號來(lái)說(shuō)也起一個(gè)低通濾波器的作用，并對量化噪聲起一個(gè)高通濾波器的作用，從而將量化噪聲趕到音頻頻段以外的頻率上。在模數轉換情況下，這允許轉換器的分辨率更低，但又不降低SNR(信噪比)。

　　在數模轉換情況下，盡管不可能在原始信號源降低量化噪聲的大小，但過(guò)采樣和噪聲整形可以用來(lái)降低DAC的分辨率位數，從而導致更小的復雜度和成本。過(guò)采樣要求意味著(zhù)，△-∑調制器設計最適合于低帶寬應用，如音頻數據轉換。

　　SDM架構設計考慮事項

　　基于SDM的架構是復雜的，設計師擁有多種選擇來(lái)針對特定的應用優(yōu)化他們的設計。關(guān)鍵的權衡因素是階數、分辨率和架構的拓撲。其中，在△-∑調制器階數方面，一階和二階SDM本質(zhì)上就是穩定的，它們會(huì )產(chǎn)生較大的帶內噪聲，但產(chǎn)生的帶外噪聲較低。更高階SDM穩定方面是有條件的，它們會(huì )產(chǎn)生更多的帶外噪聲，其結果是對時(shí)鐘抖動(dòng)更敏感。

　　歐勝微電子公司的最新DAC架構基于一個(gè)二階△-∑調制器，它的時(shí)鐘頻率很高，以降低帶內噪聲，而且本質(zhì)上對時(shí)鐘抖動(dòng)不敏感。

　　在DAC分辨率方面，提高DAC的分辨率可降低量化噪聲，并改善DAC的理論SNR值。歐勝的DAC實(shí)現基于一個(gè)5位或6位轉換器，它與SDM一起提供高達24位的分辨率。不同噪聲源(不管是模擬還是數字)都將SNR局限在理論最大值144dB以下。不過(guò)，隨著(zhù)設計技術(shù)的進(jìn)步，歐勝正努力使每個(gè)新一代高性能DAC的SNR接近理論最大值。

　　性能、穩定性、尺寸和成本均會(huì )直接受到上述設計問(wèn)題的影響。

　　DAC架構

　　一個(gè)典型的△-∑DAC可以認為由以下部件構成：內插濾波器——允許DAC對輸入信號進(jìn)行過(guò)采樣。歐勝采用3階CIC濾波器將所有帶外圖像從8fs衰減到128fs。這一技術(shù)可對高出采樣頻率幾倍的頻率分量進(jìn)行大幅衰減，從而改善時(shí)鐘抖動(dòng)對DAC的影響。

　　△-∑調制器——提供對上述高性能音頻數據轉換的過(guò)采樣。

　　數模轉換器——將SDM輸出轉換成一個(gè)模擬量輸出。

　　低通濾波器——濾除任何剩余的高頻分量，提供一個(gè)最終的精確音頻信號值。

　　實(shí)際上，上述四個(gè)部件并不是完全獨立的模塊，一些功能需要幾個(gè)部件之間的配合。

　　當采用5V電源時(shí)，音頻DAC通常輸出1.0Vrms到1.1Vrms級別的滿(mǎn)刻度信號，電源為3.3V時(shí)，輸出0.66Vrms到0.72Vrms級別的滿(mǎn)刻度信號。在大多數應用中，DAC的輸出提供給一個(gè)有源電路，該有源電路起以下兩個(gè)作用：低通濾波器——它用于濾除轉換過(guò)程中固有產(chǎn)生的高頻噪聲；放大器——輸出級別通常要提高到2Vrms，這要求外部電路的有源器件必須采用一個(gè)更高的電源(典型是9V或12V)進(jìn)行供電。這樣做有好幾個(gè)原因，包括滿(mǎn)足工業(yè)標準，以及遵守連接音頻設備的事實(shí)標準。

　　不同的官方和事實(shí)工業(yè)標準都已發(fā)展到要求在不同的消費類(lèi)音頻設備(如DVD錄像機和TV)之間采用2Vrms級別的電壓。事實(shí)上，在大多數標準工業(yè)測試中，如DVD錄像機這樣的音頻設備必須接受2Vrms+某個(gè)特定容差這樣的信號，如DVD播放機這樣的設備必須能夠輸出不大于2Vrms+某個(gè)特定容差級別的信號。沒(méi)有最低的信號級別規范，盡管為了滿(mǎn)足一些工業(yè)標準，輸出信號級別必須在1Vrms左右。

　　總的來(lái)說(shuō)，音頻發(fā)送器必須輸出1Vrms到2Vrms之間的信號級別，音頻接收器必須接收高達2Vrms信號的級別。隨著(zhù)大多數音頻IC采用5V或3.3V電源，從5V電源產(chǎn)生2Vrms是不可能的，因此設計師必須使用一個(gè)外部有源器件來(lái)從DAC電路上產(chǎn)生一個(gè)必要的輸出信號級別。

　　考慮到這些電壓級別要求，歐勝微電子公司已經(jīng)設計出一個(gè)新系列的音頻DAC，借助一個(gè)5V電源，它可輸出一個(gè)1.7Vrms級別的模擬音頻信號，以為其客戶(hù)在性能、成本節省和終端產(chǎn)品設計簡(jiǎn)單性方面提供更多的好處。