本文介紹了歐勝微電子公司最新一代音頻" title="音頻">音頻數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC" title="DAC">DAC)的架構(gòu)" title="架構(gòu)">架構(gòu),，專(zhuān)注于設(shè)計(jì)用于消費(fèi)電子應(yīng)用中提供高電壓線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器輸出的新器件系列,。
基本原理
增量累加調(diào)制器通常用復(fù)雜的術(shù)語(yǔ)進(jìn)行描述,，使用數(shù)學(xué)公式、狀態(tài)表和理論模型,。盡管所有這些對(duì)于理解增量累加調(diào)制的復(fù)雜性是必要的,，對(duì)于本文的目的來(lái)說(shuō)關(guān)鍵是了解SDM架構(gòu)的好處以及他們?cè)谝纛l轉(zhuǎn)換器IC中的應(yīng)用。
增量累加調(diào)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(zhuǎn)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(zhǔn)確對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行從模擬到數(shù)字域的轉(zhuǎn)換,，信號(hào)必須在信號(hào)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(duì)于音頻,，典型的帶寬在20Hz到20KHz之間，采樣頻率傾向于44.1KHz(對(duì)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(dǎo)致混疊,，輸入信號(hào)以奈奎斯特頻率附近的鏡像折疊回到音頻頻段,。
在SDM轉(zhuǎn)換器中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器工作在遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法更寬的帶寬上擴(kuò)散量化噪聲，因此在音頻頻段內(nèi)的量化噪聲就非常少,。
● 噪聲整形
除了在很寬的頻譜上擴(kuò)散量化噪聲外,，SDM還用作低通濾波器來(lái)對(duì)輸入信號(hào)濾波，一個(gè)高通濾波器對(duì)量化噪聲濾波,，將量化噪聲推倒音頻頻帶之外,。對(duì)于ADC，這允許在不減少SNR的情況下,，轉(zhuǎn)換器使用更少的比特?cái)?shù),。
過(guò)采樣的要求意味著增量累加調(diào)制器設(shè)計(jì)最適合低帶寬應(yīng)用，例如音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,，例如音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,。
設(shè)計(jì)考慮
基于SDM的架構(gòu)很復(fù)雜,，設(shè)計(jì)師有很多選項(xiàng)來(lái)針對(duì)特定應(yīng)用優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵的折中考慮階數(shù),、分辨率和架構(gòu)拓?fù)洹?/p>
增量累加調(diào)制器的階數(shù)：
一階和二階SDM本身是很穩(wěn)定的,，產(chǎn)生很大的帶內(nèi)噪聲，但是具有很低的帶外噪聲,。高階SDM能有條件穩(wěn)定,，會(huì)產(chǎn)生更大的帶外噪聲，因此對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)很敏感,。
歐勝微電子公司最近的DAC架構(gòu)基于二階增量累加調(diào)制解調(diào)器,，驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘速度很高以減少帶內(nèi)噪聲，因此對(duì)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(duì)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(shù)。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(shè)計(jì)是基于5比特或6比特轉(zhuǎn)換器，結(jié)合SDM架構(gòu)提供最高24比特的分辨率,。
不同的噪聲源,，包括模擬和數(shù)字噪聲，SNR不能達(dá)到理論的最大值-144dB,。然而,，因?yàn)樵O(shè)計(jì)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(wěn)定性、尺寸和成本直接受上面的設(shè)計(jì)問(wèn)題影響,。
● DAC架構(gòu)
可以認(rèn)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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣,。
歐勝使用三階級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器(CIC)來(lái)對(duì)8fs～128fs的鏡像進(jìn)行衰減,。這種方法對(duì)于輸入采樣率若干倍的頻率分量的衰減很大，改善了DAC對(duì)于時(shí)鐘抖動(dòng)的耐受性,。
增量累加調(diào)制器—具有過(guò)采樣和噪聲整形優(yōu)點(diǎn),，這對(duì)于上面介紹的高性能音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換來(lái)說(shuō)很關(guān)鍵。
數(shù)模轉(zhuǎn)換器—將SDM輸出轉(zhuǎn)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(duì)引入的噪聲進(jìn)行濾波，進(jìn)一步提高對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)的免疫力,。
歐勝采用的專(zhuān)利方法包括獨(dú)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(xiàn)音頻信號(hào)最準(zhǔn)確的再現(xiàn),。
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(hào),，在5V電源供電條件下，電平在1.0 Vrms～1.1Vrms之間,，當(dāng)電源電壓為3.3V時(shí)為0.66Vrms～0.72Vrms,。在主流的應(yīng)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(zhuǎn)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(duì)外部電路的有源器件進(jìn)行供電,。它的實(shí)現(xiàn)有幾個(gè)原因,，包括滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、提供對(duì)噪聲的耐受性,，以及滿(mǎn)足與音頻設(shè)備接口的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn),。為什么是2Vrms呢?
各種正式的和事實(shí)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都得到了發(fā)展，這些標(biāo)準(zhǔn)要求在消費(fèi)音頻設(shè)備(例如DVD刻錄機(jī))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(rèn)為信號(hào)電平必須為2Vrms加上或減去一個(gè)規(guī)定的公差,。事實(shí)上,，在大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)測(cè)試中，音頻設(shè)備,，例如DVD刻錄機(jī)必須能接受最大為2Vrms加上一個(gè)公差的信號(hào)電平,。像DVD播放器這樣的設(shè)備必須的輸出電平不能超過(guò)2Vrms加上公差。對(duì)于信號(hào)電平并沒(méi)有最小的規(guī)范,，盡管為滿(mǎn)足某些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，輸出信號(hào)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(hào)電平,，音頻接收器必須能接收最高為2Vrms的輸入信號(hào),。因?yàn)榇蠖鄶?shù)消費(fèi)音頻IC的電源為5V或3.3V,，不可能從5V的電源產(chǎn)生2Vrms，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中考慮了這些線(xiàn)電平需求,，設(shè)計(jì)出了新的系列音頻器件，這些器件的輸出模擬音頻信號(hào)為1.7Vrms的線(xiàn)電平,，電源為5V,。這滿(mǎn)足了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不再需要對(duì)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(yīng)用中依然需要,，例如SCART信號(hào)處理。但這并不是在所有應(yīng)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(xiàn)了大量成本節(jié)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(fù)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(qū)動(dòng)器輸出,。WM8522是同種產(chǎn)品的一個(gè)6通道版本,，設(shè)計(jì)用于多通道音頻系統(tǒng)。兩款芯片都能產(chǎn)生動(dòng)態(tài)范圍大于100dB的音頻信號(hào),，這大大的超過(guò)了任何的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求,，因此能滿(mǎn)足消費(fèi)音頻設(shè)備評(píng)論家設(shè)定的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)語(yǔ)
事實(shí)表明,，增量累加調(diào)制器的設(shè)計(jì)在不斷地發(fā)展,，以滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)性能和成本的需求。除了改善他們IC的核心架構(gòu),，歐勝微電子還不斷地發(fā)現(xiàn)如何向各戶(hù)提供在性能,、成本節(jié)省和簡(jiǎn)化終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)上更多好處的新途徑。