-歐勝微電子應(yīng)用開發(fā)經(jīng)理Duncan MacadieI
基于△-∑調(diào)制器(SDM)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器已經(jīng)在音頻IC行業(yè)出現(xiàn)很多年了，當(dāng)設(shè)計(jì)師考慮設(shè)計(jì)策略時(shí)，△-∑調(diào)制是一個(gè)顯而易見的選擇。不過，為了滿足不斷變化的市場(chǎng)需求，這一技術(shù)仍在演進(jìn)和改善中，從而在性能、穩(wěn)定性、尺寸和成本方面達(dá)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(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)架構(gòu)，該DAC在5V電源下可提供1.7Vrms級(jí)別的輸出，這使得客戶能夠在保持如DVD播放機(jī)、游戲終端和機(jī)頂盒的音頻性能的同時(shí)，還能降低總的BOM成本。
△-∑調(diào)制器適合音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換
△-∑調(diào)制器通常用復(fù)雜的形式(如使用數(shù)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(duì)完整地了解△-∑調(diào)制的復(fù)雜性是必要的，但就本文的目的而言，只要你能了解SDM架構(gòu)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)以及它在音頻轉(zhuǎn)換器IC中的應(yīng)用就足夠了。
△-∑調(diào)制的兩大基本原理是：
一是過采樣。采樣過程會(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(zhuǎn)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(duì)一個(gè)從模擬域到數(shù)字域的信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣頻率必須至少是信號(hào)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(hào)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(dǎo)致信號(hào)混疊，即輸入信號(hào)在奈奎斯特頻率左右被當(dāng)作一個(gè)鏡像信號(hào)又混疊到音頻頻帶中。
在一個(gè)SDM轉(zhuǎn)換器中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法相比，把量化誤差擴(kuò)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(kuò)散到一個(gè)更寬的頻段上，SDM對(duì)輸入信號(hào)來說也起一個(gè)低通濾波器的作用，并對(duì)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(shù)轉(zhuǎn)換情況下，這允許轉(zhuǎn)換器的分辨率更低，但又不降低SNR(信噪比)。
在數(shù)模轉(zhuǎn)換情況下，盡管不可能在原始信號(hào)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(shù)，從而導(dǎo)致更小的復(fù)雜度和成本。過采樣要求意味著，△-∑調(diào)制器設(shè)計(jì)最適合于低帶寬應(yīng)用，如音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
SDM架構(gòu)設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)
基于SDM的架構(gòu)是復(fù)雜的，設(shè)計(jì)師擁有多種選擇來針對(duì)特定的應(yīng)用優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵的權(quán)衡因素是階數(shù)、分辨率和架構(gòu)的拓?fù)洹Ｆ渲校凇?∑調(diào)制器階數(shù)方面，一階和二階SDM本質(zhì)上就是穩(wěn)定的，它們會(huì)產(chǎn)生較大的帶內(nèi)噪聲，但產(chǎn)生的帶外噪聲較低。更高階SDM穩(wěn)定方面是有條件的，它們會(huì)產(chǎn)生更多的帶外噪聲，其結(jié)果是對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)更敏感。
歐勝微電子公司的最新DAC架構(gòu)基于一個(gè)二階△-∑調(diào)制器，它的時(shí)鐘頻率很高，以降低帶內(nèi)噪聲，而且本質(zhì)上對(duì)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(xiàn)基于一個(gè)5位或6位轉(zhuǎn)換器，它與SDM一起提供高達(dá)24位的分辨率。不同噪聲源(不管是模擬還是數(shù)字)都將SNR局限在理論最大值144dB以下。不過，隨著設(shè)計(jì)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(wěn)定性、尺寸和成本均會(huì)直接受到上述設(shè)計(jì)問題的影響。
DAC架構(gòu)
一個(gè)典型的△-∑DAC可以認(rèn)為由以下部件構(gòu)成：內(nèi)插濾波器——允許DAC對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)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(shù)可對(duì)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(duì)DAC的影響。
△-∑調(diào)制器——提供對(duì)上述高性能音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過采樣。
數(shù)模轉(zhuǎn)換器——將SDM輸出轉(zhuǎn)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(hào)值。
實(shí)際上，上述四個(gè)部件并不是完全獨(dú)立的模塊，一些功能需要幾個(gè)部件之間的配合。
當(dāng)采用5V電源時(shí)，音頻DAC通常輸出1.0Vrms到1.1Vrms級(jí)別的滿刻度信號(hào)，電源為3.3V時(shí)，輸出0.66Vrms到0.72Vrms級(jí)別的滿刻度信號(hào)。在大多數(shù)應(yīng)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(zhuǎn)換過程中固有產(chǎn)生的高頻噪聲；放大器——輸出級(jí)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，包括滿足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及遵守連接音頻設(shè)備的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。
不同的官方和事實(shí)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都已發(fā)展到要求在不同的消費(fèi)類音頻設(shè)備(如DVD錄像機(jī)和TV)之間采用2Vrms級(jí)別的電壓。事實(shí)上，在大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)測(cè)試中，如DVD錄像機(jī)這樣的音頻設(shè)備必須接受2Vrms+某個(gè)特定容差這樣的信號(hào)，如DVD播放機(jī)這樣的設(shè)備必須能夠輸出不大于2Vrms+某個(gè)特定容差級(jí)別的信號(hào)。沒有最低的信號(hào)級(jí)別規(guī)范，盡管為了滿足一些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，輸出信號(hào)級(jí)別必須在1Vrms左右。
總的來說，音頻發(fā)送器必須輸出1Vrms到2Vrms之間的信號(hào)級(jí)別，音頻接收器必須接收高達(dá)2Vrms信號(hào)的級(jí)別。隨著大多數(shù)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(shè)計(jì)師必須使用一個(gè)外部有源器件來從DAC電路上產(chǎn)生一個(gè)必要的輸出信號(hào)級(jí)別。
考慮到這些電壓級(jí)別要求，歐勝微電子公司已經(jīng)設(shè)計(jì)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(jí)別的模擬音頻信號(hào)，以為其客戶在性能、成本節(jié)省和終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單性方面提供更多的好處。 |
