新一代音频DAC的架构分析与设计

本文介绍了欧胜微电子公司最新一代音频数字-模拟转换器(DAC)的架构，专注于设计用于消费电子应用中提供高电压线驱动器输出的新器件系列。

　　基本原理

　　增量累加调制器通常用复杂的术语进行描述，使用数学公式、状态表和理论模型。尽管所有这些对于理解增量累加调制的复杂性是必要的，对于本文的目的来说关键是了解SDM架构的好处以及他们在音频转换器IC中的应用。

　　增量累加调制的两个基本原理是：

　　● 过采样

　　采样过程产生量化误差;输出处的采样电平和期望的输出电平之间的差值。量化噪声的能量取决于音频转换器的分辨率，分散到采样频率的带宽上。

　　奈奎斯特采样原理表明，为准确对一个信号进行从模拟到数字域的转换，信号必须在信号最高频率分量的频率的两倍进行采样。最高频率分量也称为奈奎斯特频率。对于音频，典型的带宽在20Hz到20KHz之间，采样频率倾向于44.1KHz(对于CD音频)到192kHz(DVD音频)。

　　采样频率低于奈奎斯特频率的两倍，会导致混叠，输入信号以奈奎斯特频率附近的镜像折叠回到音频频段。

　　在SDM转换器中，数据转换器工作在远远高于奈奎斯特频率两倍的频率上，通常是在最低采样频率的128倍～768倍。

　　过采样过程将量化噪声在比其他数据转换方法更宽的带宽上扩散量化噪声，因此在音频频段内的量化噪声就非常少。

　　● 噪声整形

　　除了在很宽的频谱上扩散量化噪声外，SDM还用作低通滤波器来对输入信号滤波，一个高通滤波器对量化噪声滤波，将量化噪声推倒音频频带之外。对于ADC，这允许在不减少SNR的情况下，转换器使用更少的比特数。

　　过采样的要求意味着增量累加调制器设计最适合低带宽应用，例如音频数据转换，例如音频数据转换。

　　设计考虑

　　基于SDM的架构很复杂，设计师有很多选项来针对特定应用优化他们的设计。关键的折中考虑阶数、分辨率和架构拓扑。

　　增量累加调制器的阶数：

　　一阶和二阶SDM本身是很稳定的，产生很大的带内噪声，但是具有很低的带外噪声。高阶SDM能有条件稳定，会产生更大的带外噪声，因此对时钟抖动很敏感。

　　欧胜微电子公司最近的DAC架构基于二阶增量累加调制解调器，驱动时钟速度很高以减少带内噪声，因此对于时钟抖动不敏感。

　　● DAC分辨率

　　DAC分辨率的增加降低了量化误差，因此改善了DAC的理论信噪比(SNR)。

　　对于每个比特的分辨率，理论的最大SNR近似为6xn，这里n是比特位数。因此，24比特的音频DAC理论的最大SNR接近144dB。

　　欧胜公司的DAC设计是基于5比特或6比特转换器，结合SDM架构提供最高24比特的分辨率。

　　不同的噪声源，包括模拟和数字噪声，SNR不能达到理论的最大值-144dB。然而，因为设计方法改善，欧胜每一代的高性能DAC努力接近理论最大值。

　　性能、稳定性、尺寸和成本直接受上面的设计问题影响。

　　● DAC架构

　　可以认为典型的增量累加DAC 包含下面的要素：插入滤波器—增加有效的比特率，允许DAC对输入信号进行过采样。

　　欧胜使用三阶级联积分梳状滤波器(CIC)来对8fs～128fs的镜像进行衰减。这种方法对于输入采样率若干倍的频率分量的衰减很大，改善了DAC对于时钟抖动的耐受性。

　　增量累加调制器—具有过采样和噪声整形优点，这对于上面介绍的高性能音频数据转换来说很关键。

　　数模转换器—将SDM输出转换成模拟输出。使用开关电容方法来精确地控制输出电压，通过噪声整形器对引入的噪声进行滤波，进一步提高对时钟抖动的免疫力。

　　欧胜采用的专利方法包括独特的动态单元匹配(DEM)方案，这能使电容失配误差最小，与其它可选的方案相比较，大大改善了DAC线性度。

　　低通滤波器—去除任何保留的高频分量，实现音频信号最准确的再现。

　　事实上，这4个单元之间不是完全孤立的模块，在这些模块之间处理某些功能。

　　● 输出电平要求

　　音频DAC通常输出一个满刻度信号，在5V电源供电条件下，电平在1.0 Vrms～1.1Vrms之间，当电源电压为3.3V时为0.66Vrms～0.72Vrms。在主流的应用中，DAC的输出被馈入到有源电路，它有两个目的：

　　低通滤波器—它能去除在转换过程中固有的高频噪声。

　　放大器—输出电平通常增加到2Vrms，它需要高电压电源轨(通常在9V～12V之间)对外部电路的有源器件进行供电。它的实现有几个原因，包括满足行业标准、提供对噪声的耐受性，以及满足与音频设备接口的事实标准。
为什么是2Vrms呢?

　　各种正式的和事实的行业标准都得到了发展，这些标准要求在消费音频设备(例如DVD刻录机)和电视之间使用2Vrms的线电平。然而，存在一个普遍的误解，认为信号电平必须为2Vrms加上或减去一个规定的公差。事实上，在大多数标准行业测试中，音频设备，例如DVD刻录机必须能接受最大为2Vrms加上一个公差的信号电平。像DVD播放器这样的设备必须的输出电平不能超过2Vrms加上公差。对于信号电平并没有最小的规范，尽管为满足某些行业标准，输出信号电平必须在1Vrms左右。

　　总之，音频发送器必须输出在1Vrms～2Vrms之间的信号电平，音频接收器必须能接收最高为2Vrms的输入信号。因为大多数消费音频IC的电源为5V或3.3V，不可能从5V的电源产生2Vrms，设计师不得已采用外部有源器件来从DAC电路产生所需要的输出电平。

　　WM8501和WM8522

　　欧胜微电子在设计中考虑了这些线电平需求，设计出了新的系列音频器件，这些器件的输出模拟音频信号为1.7Vrms的线电平，电源为5V。这满足了行业标准，不再需要对DAC输出进行升压的高电压电源轨需求。这种高电压轨在某些应用中依然需要，例如SCART信号处理。但这并不是在所有应用中都要求，消除12V的电源轨以及相关的电源走线、DAC输出滤波器的有源器件以及相关的PCB空间，实现了大量成本节省和电路面积的减小。

　　在DAC输出处采用无源滤波器可以得到相同的高质量音频输出。与要求用于提供必要的增益，以将1.0Vrms放大到 2.0Vrms的有源滤波器相比，复杂度和成本都大大降低。

　　WM8501是一款立体声音频DAC，具有1.7Vrms的线驱动器输出。WM8522是同种产品的一个6通道版本，设计用于多通道音频系统。两款芯片都能产生动态范围大于100dB的音频信号，这大大的超过了任何的行业标准要求，因此能满足消费音频设备评论家设定的事实标准。

　　结语

　　事实表明，增量累加调制器的设计在不断地发展，以满足市场对性能和成本的需求。除了改善他们IC的核心架构，欧胜微电子还不断地发现如何向各户提供在性能、成本节省和简化终端产品设计上更多好处的新途径。