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| 新一代音頻DAC的架構設計 |
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| 文章來(lái)源： 更新時(shí)間：2015/7/13 9:28:00 |
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基本原理
增量累加調制器通常用復雜的術(shù)語(yǔ)進(jìn)行描述，使用數學(xué)公式、狀態(tài)表和理論模型。盡管所有這些對于理解增量累加調制的復雜性是必要的，對于本文的目的來(lái)說(shuō)關(guān)鍵是了解SDM架構的好處以及他們在音頻轉換器IC中的應用。
增量累加調制的兩個(gè)基本原理是：
● 過(guò)采樣
采樣過(guò)程產(chǎn)生量化誤差;輸出處的采樣電平和期望的輸出電平之間的差值。量化噪聲的能量取決于音頻轉換器的分辨率，分散到采樣頻率的帶寬上。
奈奎斯特采樣原理表明，為準確對一個(gè)信號進(jìn)行從模擬到數字域的轉換，信號必須在信號最高頻率分量的頻率的兩倍進(jìn)行采樣。最高頻率分量也稱(chēng)為奈奎斯特頻率。對于音頻，典型的帶寬在20Hz到20KHz之間，采樣頻率傾向于44.1KHz(對于CD音頻)到192kHz(DVD音頻)。
采樣頻率低于奈奎斯特頻率的兩倍，會(huì )導致混疊，輸入信號以奈奎斯特頻率附近的鏡像折疊回到音頻頻段。
在SDM轉換器中，數據轉換器工作在遠遠高于奈奎斯特頻率兩倍的頻率上，通常是在最低采樣頻率的128倍～768倍。
過(guò)采樣過(guò)程將量化噪聲在比其他數據轉換方法更寬的帶寬上擴散量化噪聲，因此在音頻頻段內的量化噪聲就非常少。
● 噪聲整形
除了在很寬的頻譜上擴散量化噪聲外，SDM還用作低通濾波器來(lái)對輸入信號濾波，一個(gè)高通濾波器對量化噪聲濾波，將量化噪聲推倒音頻頻帶之外。對于A(yíng)DC，這允許在不減少SNR的情況下，轉換器使用更少的比特數。
過(guò)采樣的要求意味著(zhù)增量累加調制器設計最適合低帶寬應用，例如音頻數據轉換，例如音頻數據轉換。
設計考慮
基于SDM的架構很復雜，設計師有很多選項來(lái)針對特定應用優(yōu)化他們的設計。關(guān)鍵的折中考慮階數、分辨率和架構拓撲。
增量累加調制器的階數：
一階和二階SDM本身是很穩定的，產(chǎn)生很大的帶內噪聲，但是具有很低的帶外噪聲。高階SDM能有條件穩定，會(huì )產(chǎn)生更大的帶外噪聲，因此對時(shí)鐘抖動(dòng)很敏感。
歐勝微電子公司最近的DAC架構基于二階增量累加調制解調器，驅動(dòng)時(shí)鐘速度很高以減少帶內噪聲，因此對于時(shí)鐘抖動(dòng)不敏感。
● DAC分辨率
DAC分辨率的增加降低了量化誤差，因此改善了DAC的理論信噪比(SNR)。
對于每個(gè)比特的分辨率，理論的最大SNR近似為6xn，這里n是比特位數。因此，24比特的音頻DAC理論的最大SNR接近144dB。
歐勝公司的DAC設計是基于5比特或6比特轉換器，結合SDM架構提供最高24比特的分辨率。
不同的噪聲源，包括模擬和數字噪聲，SNR不能達到理論的最大值-144dB。然而，因為設計方法改善，歐勝每一代的高性能DAC努力接近理論最大值。
性能、穩定性、尺寸和成本直接受上面的設計問(wèn)題影響。
● DAC架構
可以認為典型的增量累加DAC 包含下面的要素：插入濾波器—增加有效的比特率，允許DAC對輸入信號進(jìn)行過(guò)采樣。
歐勝使用三階級聯(lián)積分梳狀濾波器(CIC)來(lái)對8fs～128fs的鏡像進(jìn)行衰減。這種方法對于輸入采樣率若干倍的頻率分量的衰減很大，改善了DAC對于時(shí)鐘抖動(dòng)的耐受性。
增量累加調制器—具有過(guò)采樣和噪聲整形優(yōu)點(diǎn)，這對于上面介紹的高性能音頻數據轉換來(lái)說(shuō)很關(guān)鍵。
數模轉換器—將SDM輸出轉換成模擬輸出。使用開(kāi)關(guān)電容方法來(lái)精確地控制輸出電壓，通過(guò)噪聲整形器對引入的噪聲進(jìn)行濾波，進(jìn)一步提高對時(shí)鐘抖動(dòng)的免疫力。
歐勝采用的專(zhuān)利方法包括獨特的動(dòng)態(tài)單元匹配(DEM)方案，這能使電容失配誤差最小，與其它可選的方案相比較，大大改善了DAC線(xiàn)性度。
低通濾波器—去除任何保留的高頻分量，實(shí)現音頻信號最準確的再現。
事實(shí)上，這4個(gè)單元之間不是完全孤立的模塊，在這些模塊之間處理某些功能。
● 輸出電平要求
音頻DAC通常輸出一個(gè)滿(mǎn)刻度信號，在5V電源供電條件下，電平在1.0 Vrms～1.1Vrms之間，當電源電壓為3.3V時(shí)為0.66Vrms～0.72Vrms。在主流的應用中，DAC的輸出被饋入到有源電路，它有兩個(gè)目的：
低通濾波器—它能去除在轉換過(guò)程中固有的高頻噪聲。
放大器—輸出電平通常增加到2Vrms，它需要高電壓電源軌(通常在9V～12V之間)對外部電路的有源器件進(jìn)行供電。它的實(shí)現有幾個(gè)原因，包括滿(mǎn)足行業(yè)標準、提供對噪聲的耐受性，以及滿(mǎn)足與音頻設備接口的事實(shí)標準。
為什么是2Vrms呢?
各種正式的和事實(shí)的行業(yè)標準都得到了發(fā)展，這些標準要求在消費音頻設備(例如DVD刻錄機)和電視之間使用2Vrms的線(xiàn)電平。然而，存在一個(gè)普遍的誤解，認為信號電平必須為2Vrms加上或減去一個(gè)規定的公差。事實(shí)上，在大多數標準行業(yè)測試中，音頻設備，例如DVD刻錄機必須能接受最大為2Vrms加上一個(gè)公差的信號電平。像DVD播放器這樣的設備必須的輸出電平不能超過(guò)2Vrms加上公差。對于信號電平并沒(méi)有最小的規范，盡管為滿(mǎn)足某些行業(yè)標準，輸出信號電平必須在1Vrms左右。
總之，音頻發(fā)送器必須輸出在1Vrms～2Vrms之間的信號電平，音頻接收器必須能接收最高為2Vrms的輸入信號。因為大多數消費音頻IC的電源為5V或3.3V，不可能從5V的電源產(chǎn)生2Vrms，設計師不得已采用外部有源器件來(lái)從DAC電路產(chǎn)生所需要的輸出電平。
WM8501和WM8522
歐勝微電子在設計中考慮了這些線(xiàn)電平需求，設計出了新的系列音頻器件，這些器件的輸出模擬音頻信號為1.7Vrms的線(xiàn)電平，電源為5V。這滿(mǎn)足了行業(yè)標準，不再需要對DAC輸出進(jìn)行升壓的高電壓電源軌需求。這種高電壓軌在某些應用中依然需要，例如SCART信號處理。但這并不是在所有應用中都要求，消除12V的電源軌以及相關(guān)的電源走線(xiàn)、DAC輸出濾波器的有源器件以及相關(guān)的PCB空間，實(shí)現了大量成本節省和電路面積的減小。
在DAC輸出處采用無(wú)源濾波器可以得到相同的高質(zhì)量音頻輸出。與要求用于提供必要的增益，以將1.0Vrms放大到 2.0Vrms的有源濾波器相比，復雜度和成本都大大降低。
WM8501是一款立體聲音頻DAC，具有1.7Vrms的線(xiàn)驅動(dòng)器輸出。WM8522是同種產(chǎn)品的一個(gè)6通道版本，設計用于多通道音頻系統。兩款芯片都能產(chǎn)生動(dòng)態(tài)范圍大于100dB的音頻信號，這大大的超過(guò)了任何的行業(yè)標準要求，因此能滿(mǎn)足消費音頻設備評論家設定的事實(shí)標準。
結語(yǔ)
事實(shí)表明，增量累加調制器的設計在不斷地發(fā)展，以滿(mǎn)足市場(chǎng)對性能和成本的需求。除了改善他們IC的核心架構，歐勝微電子還不斷地發(fā)現如何向各戶(hù)提供在性能、成本節省和簡(jiǎn)化終端產(chǎn)品設計上更多好處的新途徑。 |
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