新一代音頻DAC的架構分析與設計

本文介紹了歐勝微電子公司最新一代音頻數字-模擬轉換器(DAC)的架構，專(zhuān)注于設計用于消費電子應用中提供高電壓線(xiàn)驅動(dòng)器輸出的新器件系列。

　　基本原理

　　增量累加調制器通常用復雜的術(shù)語(yǔ)進(jìn)行描述，使用數學(xué)公式、狀態(tài)表和理論模型。盡管所有這些對于理解增量累加調制的復雜性是必要的，對于本文的目的來(lái)說(shuō)關(guān)鍵是了解SDM架構的好處以及他們在音頻轉換器IC中的應用。

　　增量累加調制的兩個(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，為準確對一個(gè)信號進(jìn)行從模擬到數字域的轉換，信號必須在信號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。對于音頻，典型的帶寬在20Hz到20KHz之間，采樣頻率傾向于44.1KHz(對于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 )導致混疊，輸入信號以奈奎斯特頻率附近的鏡像折疊回到音頻頻段。

　　在SDM轉換器中，數據轉換器工作在遠遠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據轉換方法更寬的帶寬上擴散量化噪聲，因此在音頻頻段內的量化噪聲就非常少。

　　● 噪聲整形

　　除了在很寬的頻譜上擴散量化噪聲外，SDM還用作低通濾波器來(lái)對輸入信號濾波，一個(gè)高通濾波器對量化噪聲濾波，將量化噪聲推倒音頻頻帶之外。對于A(yíng)DC，這允許在不減少SNR的情況下，轉換器使用更少的比特數。

　　過(guò)采樣的要求意味著(zhù)增量累加調制器設計最適合低帶寬應用，例如音頻數據轉換，例如音頻數據轉換。

　　設計考慮

　　基于SDM的架構很復雜，設計師有很多選項來(lái)針對特定應用優(yōu)化他們的設計。關(guān)鍵的折中考慮階數、分辨率和架構拓撲。

　　增量累加調制器的階數：

　　一階和二階SDM本身是很穩定的，產(chǎn)生很大的帶內噪聲，但是具有很低的帶外噪聲。高階SDM能有條件穩定，會(huì )產(chǎn)生更大的帶外噪聲，因此對時(shí)鐘抖動(dòng)很敏感。

　　歐勝微電子公司最近的DAC架構基于二階增量累加調制解調器，驅動(dòng)時(shí)鐘速度很高以減少帶內噪聲，因此對于時(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。因此，24比特的音頻DAC理論的最大SNR接近144dB。

　　歐勝公司的DAC設計是基于5比特或6比特轉換器，結合SDM架構提供最高24比特的分辨率。

　　不同的噪聲源，包括模擬和數字噪聲，SNR不能達到理論的最大值-144dB。然而，因為設計方法改善，歐勝每一代的高性能DAC努力接近理論最大值。

　　性能、穩定性、尺寸和成本直接受上面的設計問(wèn)題影響。

　　● DAC架構

　　可以認為典型的增量累加DAC 包含下面的要素：插入濾波器—增加有效的比特率，允許DAC對輸入信號進(jìn)行過(guò)采樣。

　　歐勝使用三階級聯(lián)積分梳狀濾波器(CIC)來(lái)對8fs～128fs的鏡像進(jìn)行衰減。這種方法對于輸入采樣率若干倍的頻率分量的衰減很大，改善了DAC對于時(shí)鐘抖動(dòng)的耐受性。

　　增量累加調制器—具有過(guò)采樣和噪聲整形優(yōu)點(diǎn)，這對于上面介紹的高性能音頻數據轉換來(lái)說(shuō)很關(guān)鍵。

　　數模轉換器—將SDM輸出轉換成模擬輸出。使用開(kāi)關(guān)電容方法來(lái)精確地控制輸出電壓，通過(guò)噪聲整形器對引入的噪聲進(jìn)行濾波，進(jìn)一步提高對時(shí)鐘抖動(dòng)的免疫力。

　　歐勝采用的專(zhuān)利方法包括獨特的動(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)現音頻信號最準確的再現。

　　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，在5V電源供電條件下，電平在1.0 Vrms～1.1Vrms之間，當電源電壓為3.3V時(shí)為0.66Vrms～0.72Vrms。在主流的應用中，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)對外部電路的有源器件進(jìn)行供電。它的實(shí)現有幾個(gè)原因，包括滿(mǎn)足行業(yè)標準、提供對噪聲的耐受性，以及滿(mǎn)足與音頻設備接口的事實(shí)標準。