-歐勝微電子應用開發經理Duncan MacadieI
基于△-∑調制器(SDM)的數據轉換器已經在音頻IC行業出現很多年了，當設計師考慮設計策略時，△-∑調制是一個顯而易見的選擇。不過，為了滿足不斷變化的市場需求，這一技術仍在演進和改善中，從而在性能、穩定性、尺寸和成本方面達到一個最佳平衡。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，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(如使用數學等式、狀態圖和理論模型)進行描述。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架構的關鍵優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：
一是過采樣。采樣過程會產生量化誤差，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，為了精確地對一個從模擬域到數字域的信號進行采樣，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音頻質量采樣頻率至少要到44.1kHz，如要得到DVD音頻質量，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鏡像信號又混疊到音頻頻帶中。
在一個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。過采樣過程與其他數據轉換方法相比，把量化誤差擴散到一個寬得多的頻段上，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更寬的頻段上，SDM對輸入信號來說也起一個低通濾波器的作用，并對量化噪聲起一個高通濾波器的作用，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，但過采樣和噪聲整形可以用來降低DAC的分辨率位數，從而導致更小的復雜度和成本。過采樣要求意味著，△-∑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針對特定的應用優化他們的設計。關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本質上就是穩定的，它們會產生較大的帶內噪聲，但產生的帶外噪聲較低。更高階SDM穩定方面是有條件的，它們會產生更多的帶外噪聲，其結果是對時鐘抖動更敏感。
歐勝微電子公司的最新DAC架構基于一個二階△-∑調制器，它的時鐘頻率很高，以降低帶內噪聲，而且本質上對時鐘抖動不敏感。
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實現基于一個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，隨著設計技術的進步，歐勝正努力使每個新一代高性能DAC的SNR接近理論最大值。
性能、穩定性、尺寸和成本均會直接受到上述設計問題的影響。
DAC架構
一個典型的△-∑DAC可以認為由以下部件構成：內插濾波器——允許DAC對輸入信號進行過采樣。歐勝采用3階CIC濾波器將所有帶外圖像從8fs衰減到128fs。這一技術可對高出采樣頻率幾倍的頻率分量進行大幅衰減，從而改善時鐘抖動對DAC的影響。
△-∑調制器——提供對上述高性能音頻數據轉換的過采樣。
數模轉換器——將SDM輸出轉換成一個模擬量輸出。
低通濾波器——濾除任何剩余的高頻分量，提供一個最終的精確音頻信號值。
實際上，上述四個部件并不是完全獨立的模塊，一些功能需要幾個部件之間的配合。
當采用5V電源時，音頻DAC通常輸出1.0Vrms到1.1Vrms級別的滿刻度信號，電源為3.3V時，輸出0.66Vrms到0.72Vrms級別的滿刻度信號。在大多數應用中，DAC的輸出提供給一個有源電路，該有源電路起以下兩個作用：低通濾波器——它用于濾除轉換過程中固有產生的高頻噪聲；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更高的電源(典型是9V或12V)進行供電。這樣做有好幾個原因，包括滿足工業標準，以及遵守連接音頻設備的事實標準。
不同的官方和事實工業標準都已發展到要求在不同的消費類音頻設備(如DVD錄像機和TV)之間采用2Vrms級別的電壓。事實上，在大多數標準工業測試中，如DVD錄像機這樣的音頻設備必須接受2Vrms+某個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+某個特定容差級別的信號。沒有最低的信號級別規范，盡管為了滿足一些工業標準，輸出信號級別必須在1Vrms左右。
總的來說，音頻發送器必須輸出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。隨著大多數音頻IC采用5V或3.3V電源，從5V電源產生2Vrms是不可能的，因此設計師必須使用一個外部有源器件來從DAC電路上產生一個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設計出一個新系列的音頻DAC，借助一個5V電源，它可輸出一個1.7Vrms級別的模擬音頻信號，以為其客戶在性能、成本節省和終端產品設計簡單性方面提供更多的好處。 |
