- 音頻DAC的架構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理
- 音頻DAC的架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)分析
- 增量累加調(diào)制技術(shù)
- 輸出電平調(diào)節(jié)
基于增量累加調(diào)制器(SDM)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在音頻集成電路行業(yè)已經(jīng)存在很多年。增量累加調(diào)制的固有好處意味著它是設(shè)計(jì)師在選擇他們的基本設(shè)計(jì)策略時(shí)最根本的原因。然而，盡管基本增量累加調(diào)制器設(shè)計(jì)的基本原理的建立很完善，實(shí)際的實(shí)現(xiàn)在不斷的發(fā)展之中，并不斷改善來提供性能、穩(wěn)定性、尺寸和成本的最佳均衡，來滿足當(dāng)前的市場(chǎng)需求。
本文介紹了歐勝微電子公司最新一代音頻數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)的架構(gòu)，專注于設(shè)計(jì)用于消費(fèi)電子應(yīng)用中提供高電壓線驅(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)于本文的目的來說關(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：
●過采樣
采樣過程產(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。過采樣過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?br />
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)行過采樣。歐勝使用三階級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器(CIC)來對(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)換來說很關(guān)鍵。數(shù)模轉(zhuǎn)換器—將SDM輸出轉(zhuǎn)換成模擬輸出。使用開關(guān)電容方法來精確地控制輸出電壓，通過噪聲整形器對(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)滿刻度信號(hào)，在5V電源供電條件下，電平在1.0Vrms～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，包括滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、提供對(duì)噪聲的耐受性，以及滿足與音頻設(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2Vrms加上公差。對(duì)于信號(hào)電平并沒有最小的規(guī)范，盡管為滿足某些行業(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的線電平，電源為5V。這滿足了行業(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、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)，這大大的超過了任何的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，因此能滿足消費(fèi)音頻設(shè)備評(píng)論家設(shè)定的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。
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，以滿足市場(chǎng)對(duì)性能和成本的需求。
