-欧胜微电子应用开发经理Duncan MacadieI

　　基于△-∑调制器(SDM)的数据转换器已经在音频IC行业出现很多年了，当设计师考虑设计策略时，△-∑调制是一个显而易见的选择。不过，为了满足不断变化的市场需求，这一技术仍在演进和改善中，从而在性能、稳定性、尺寸和成本方面达到一个最佳平衡。欧胜微电子公司推出了最新一代音频数模转换器(DAC)架构，该DAC在5V电源下可提供1.7Vrms级别的输出，这使得客户能够在保持如DVD播放机、游戏终端和机顶盒的音频性能的同时，还能降低总的BOM成本。

　　△-∑调制器适合音频数据转换

　　△-∑调制器通常用复杂的形式(如使用数学等式、状态图和理论模型)进行描述。尽管所有这些对完整地了解△-∑调制的复杂性是必要的，但就本文的目的而言，只要你能了解SDM架构的关键优势以及它在音频转换器IC中的应用就足够了。

　　△-∑调制的两大基本原理是：

　　一是过采样。采样过程会产生量化误差，即在输出端的采样值和期望的输出值之间的差别。量化噪声的大小取决于音频转换器的分辨率，它遍布在采样频率的带宽上。

　　Nyquist(奈奎斯特)采样理论指出，为了精确地对一个从模拟域到数字域的信号进行采样，采样频率必须至少是信号最高频率分量的两倍。这一最高频率分量也称为奈奎斯特频率。由于音频信号的典型带宽在20Hz到20kHz之间，因此要得到CD音频质量采样频率至少要到44.1kHz，如要得到DVD音频质量，采样频率至少要到192kHz。

　　采样频率如低于两倍奈奎斯特频率将导致信号混叠，即输入信号在奈奎斯特频率左右被当作一个镜像信号又混叠到音频频带中。

　　在一个SDM转换器中，数据转换器工作的频率大大高于两倍的奈奎斯特频率，一般比最低采样频率还要高出128倍到768倍。过采样过程与其他数据转换方法相比，把量化误差扩散到一个宽得多的频段上，从而使得音频频段上的量化误差大幅降低。

　　二是噪声波整形。除了将量化误差扩散到一个更宽的频段上，SDM对输入信号来说也起一个低通滤波器的作用，并对量化噪声起一个高通滤波器的作用，从而将量化噪声赶到音频频段以外的频率上。在模数转换情况下，这允许转换器的分辨率更低，但又不降低SNR(信噪比)。

　　在数模转换情况下，尽管不可能在原始信号源降低量化噪声的大小，但过采样和噪声整形可以用来降低DAC的分辨率位数，从而导致更小的复杂度和成本。过采样要求意味着，△-∑调制器设计最适合于低带宽应用，如音频数据转换。

　　SDM架构设计考虑事项

　　基于SDM的架构是复杂的，设计师拥有多种选择来针对特定的应用优化他们的设计。关键的权衡因素是阶数、分辨率和架构的拓扑。其中，在△-∑调制器阶数方面，一阶和二阶SDM本质上就是稳定的，它们会产生较大的带内噪声，但产生的带外噪声较低。更高阶SDM稳定方面是有条件的，它们会产生更多的带外噪声，其结果是对时钟抖动更敏感。

　　欧胜微电子公司的最新DAC架构基于一个二阶△-∑调制器，它的时钟频率很高，以降低带内噪声，而且本质上对时钟抖动不敏感。

　　在DAC分辨率方面，提高DAC的分辨率可降低量化噪声，并改善DAC的理论SNR值。欧胜的DAC实现基于一个5位或6位转换器，它与SDM一起提供高达24位的分辨率。不同噪声源(不管是模拟还是数字)都将SNR局限在理论最大值144dB以下。不过，随着设计技术的进步，欧胜正努力使每个新一代高性能DAC的SNR接近理论最大值。

　　性能、稳定性、尺寸和成本均会直接受到上述设计问题的影响。

　　DAC架构

　　一个典型的△-∑DAC可以认为由以下部件构成：内插滤波器——允许DAC对输入信号进行过采样。欧胜采用3阶CIC滤波器将所有带外图像从8fs衰减到128fs。这一技术可对高出采样频率几倍的频率分量进行大幅衰减，从而改善时钟抖动对DAC的影响。

　　△-∑调制器——提供对上述高性能音频数据转换的过采样。

　　数模转换器——将SDM输出转换成一个模拟量输出。

　　低通滤波器——滤除任何剩余的高频分量，提供一个最终的精确音频信号值。

　　实际上，上述四个部件并不是完全独立的模块，一些功能需要几个部件之间的配合。

　　当采用5V电源时，音频DAC通常输出1.0Vrms到1.1Vrms级别的满刻度信号，电源为3.3V时，输出0.66Vrms到0.72Vrms级别的满刻度信号。在大多数应用中，DAC的输出提供给一个有源电路，该有源电路起以下两个作用：低通滤波器——它用于滤除转换过程中固有产生的高频噪声；放大器——输出级别通常要提高到2Vrms，这要求外部电路的有源器件必须采用一个更高的电源(典型是9V或12V)进行供电。这样做有好几个原因，包括满足工业标准，以及遵守连接音频设备的事实标准。

　　不同的官方和事实工业标准都已发展到要求在不同的消费类音频设备(如DVD录像机和TV)之间采用2Vrms级别的电压。事实上，在大多数标准工业测试中，如DVD录像机这样的音频设备必须接受2Vrms+某个特定容差这样的信号，如DVD播放机这样的设备必须能够输出不大于2Vrms+某个特定容差级别的信号。没有最低的信号级别规范，尽管为了满足一些工业标准，输出信号级别必须在1Vrms左右。

　　总的来说，音频发送器必须输出1Vrms到2Vrms之间的信号级别，音频接收器必须接收高达2Vrms信号的级别。随着大多数音频IC采用5V或3.3V电源，从5V电源产生2Vrms是不可能的，因此设计师必须使用一个外部有源器件来从DAC电路上产生一个必要的输出信号级别。

　　考虑到这些电压级别要求，欧胜微电子公司已经设计出一个新系列的音频DAC，借助一个5V电源，它可输出一个1.7Vrms级别的模拟音频信号，以为其客户在性能、成本节省和终端产品设计简单性方面提供更多的好处。