在設(shè)計sigma-delta音頻ADC時，需要就以下問題進(jìn)行均衡考慮，如器件的分辨率和順序，以及包括成本和尺寸在內(nèi)的一些商業(yè)性考慮，其中最關(guān)鍵的考慮因素是ADC的性能。本文以英商歐勝微電子有限公司(Wolfson Microelectronics plc.)的sigma-delta音頻ADC為例，探討了sigma-delta調(diào)制器ADC實施過程中的一些關(guān)鍵性設(shè)計變量，并討論了它們對ADC性能的影響。

Sigma-delta調(diào)制器(SDM)的基本組成是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D)和數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(D/A)，過去一直用于音頻系統(tǒng)，目前已經(jīng)開始在各種數(shù)碼應(yīng)用中普及，如DVD視盤機(jī)、MP3播放器和數(shù)碼照相機(jī)等。在音頻應(yīng)用領(lǐng)域，sigma-delta型ADC同采用其它拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換器(如逐次逼近型和閃速型)相比，其性能優(yōu)勢體現(xiàn)在兩個原理上：過采樣(oversampling)和噪聲整形(noise shaping)。

其中，音頻信號是在sigma-delta調(diào)制器內(nèi)，以一個明顯高于奈奎斯特(Nyquist)頻率的采樣速率進(jìn)行取樣的。這就將數(shù)字化過程中固有的量化噪聲(quantisation noise)傳播到了一個很寬的頻帶，音頻帶寬范圍內(nèi)出現(xiàn)的噪聲很少。

對于信號和噪聲來說，sigma-delta調(diào)制器還分別擔(dān)當(dāng)著低通濾波器和高通濾波器的角色，并對噪聲進(jìn)行整形處理，使很高比例的噪聲能量能夠包含于音頻信號帶寬的上部。然后，對過采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和選通(decimated)，以便在消除可能潛入音頻頻帶的信號頻率分量的同時，除去量化噪聲，并且將數(shù)據(jù)率從過采樣率降低到Nyquist速率。

Wolfson微電子公司將這兩項原理應(yīng)用于其sigma-delta音頻ADC轉(zhuǎn)換器，從而使用戶的音頻系統(tǒng)具有錄制更寬闊動態(tài)范圍音頻輸入的能力，這樣一來，在最后播放聲音的時候，終端用戶就能夠獲得同當(dāng)初的錄制現(xiàn)場一樣的聆聽體驗。

音頻ADC的結(jié)構(gòu)及操作

圖1是音頻ADC轉(zhuǎn)換器的高端方框圖。ADC由許多階段組成，其主要組成部分是sigma-delta調(diào)制器ADC。構(gòu)成sigma-delta調(diào)制器的方法有很多種，其中關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)變量有順序、分辨率和ADC轉(zhuǎn)換器的拓?fù)�。改變這些變量之中的任何一個，均將影響器件的性能、穩(wěn)定性、尺寸大小和成本。為了生產(chǎn)出不僅具有響亮音質(zhì)，同時也能滿足客戶對成本和PCB面積預(yù)算要求的ADC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，Wolfson微電子公司對這些變量進(jìn)行了妥善權(quán)衡。

最先順序的sigma-delta調(diào)制器具有固有的穩(wěn)定性。然而，它們的帶外噪聲(out of band noise)性能卻相對較差，從理論上講，其明顯的優(yōu)勢只能通過設(shè)計更較順序的調(diào)制器來獲得。按假設(shè)，調(diào)制器的順序越高，在給定的過采樣率(oversampling)情況下獲得的信噪比(SNR)就越大。另外，較高順序的調(diào)制器能夠在動態(tài)范圍表現(xiàn)方面提供顯著的改善，減少閑置的外形音調(diào)(idle pattern tones)。

不幸地是，在實際中，排序第三的單一環(huán)路(single-loop)調(diào)制器僅僅是有條件地穩(wěn)定。同較低順序的SDM相比，這種線路對元器件的匹配程度更敏感，而且其增益必須受到限制，以避免SDM進(jìn)入大振幅/低頻率振動狀態(tài), 因為即使這只是音頻應(yīng)用中最短暫的一個時刻，該狀態(tài)依然是無法接受的。選擇適當(dāng)?shù)脑鲆嫦禂?shù)和限制元器件的工作范圍，可能能夠防止SDM變得不穩(wěn)定。實現(xiàn)這樣的穩(wěn)定性的代價可能是復(fù)雜而昂貴的。因此，必須在改進(jìn)較高順序調(diào)制器的性能，以及較低順序調(diào)制器的穩(wěn)定性和簡單性之間進(jìn)行權(quán)衡。

ADC量化器(quantiser)的分辨率是問題的關(guān)鍵；分辨率每增加1位(bit)，量化噪聲就會降低一次，從而使SNR也提高了。顯然，這是以每附加1位，線路尺寸就加倍的代價換來的，同時，線路的功耗和成本也增加了。早期的sigma-delta ADC轉(zhuǎn)換器主要采用1位量化器設(shè)計，具有固有的線性優(yōu)勢，實施方案相對簡單和低廉。如果使用1位量化器，就允許將1位DAC包含在SDM反饋回路中，并具有固有的良好線性；而多位DAC具有將非線性成份引入音頻ADC的潛在可能性。

SDM設(shè)計彰顯了多位量化(multi-bit)的優(yōu)勢，主要是分辨率每增加1位，SNR就提高6dB，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)彌補(bǔ)了設(shè)計復(fù)雜性方面的不足。Wolfson公司的高性能ADC系列產(chǎn)品采用了多位設(shè)計，任何可能由DAC引入的潛在非線性(一般以諧波或內(nèi)部調(diào)制失真的形式出現(xiàn))，都已通過反饋通路中的動態(tài)元件匹配(Dynamic
Element Matching, DEM)方案降低到了最小。

SDM ADC結(jié)構(gòu)基于兩種拓?fù)洌簡我画h(huán)路和級聯(lián)或多級噪聲整形(multi-stage noise-shaping，MASH)。這樣，設(shè)計師在決定電路結(jié)構(gòu)的時候就擁有很多現(xiàn)成的備選方案，每一個都擁有各自的優(yōu)勢和缺點。

在單一環(huán)路情形中，ADC只有一個量化器，調(diào)制器的順序是由環(huán)路中的集分器(integrator)的數(shù)目決定的。雖然ADC里邊可能具有許多內(nèi)部環(huán)路，從輸入到輸出的數(shù)據(jù)路徑只有一個。此類設(shè)計實施起來相對比較簡單，并且對元件匹配狀況的敏感度也很穩(wěn)健。

基于級聯(lián)拓?fù)涞恼{(diào)制器有很多級，一般按照不同的順序和分辨率組合在輸出端。同單一環(huán)路模式相比，級聯(lián)具有很多優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：
· 穩(wěn)定性——調(diào)制器的總體順序是所有階段各個順序的總和，因此許多低順序階段就有可能在不至于導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況下，被組合到一個較高順序的調(diào)制器里。
· 分辨率——調(diào)制器的分辨率是各個階段分辨率的總和，這樣就有可能在無須設(shè)計一個達(dá)到禁止極限大小(prohibitively large)且非常昂貴的單一線路情況下，構(gòu)造一個高分辨率的ADC轉(zhuǎn)換器。
· 噪聲消除——來自級聯(lián)調(diào)制器第一階段的錯誤信號被饋送到第二個階段，經(jīng)過處理，然后用以在輸出端消除由第一階段中的重組(recombination)所引起的噪聲。
· 性能——上述因素的組合產(chǎn)生了一個較低復(fù)雜度的ADC，同相應(yīng)復(fù)雜度的單一環(huán)路設(shè)計相比，該設(shè)計具有明顯改善的性能。

Wolfson微電子公司的Sigma-delta ADC轉(zhuǎn)換器采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計，其環(huán)路增益系數(shù)經(jīng)過了細(xì)心地選擇，以便使器件的輸出SNR最大化。同時，該ADC中還添加了一些具有一定可能性密度功能(probability density function)的抖動或噪聲信號，以消除閑置音調(diào)，進(jìn)一步改良輸出的質(zhì)量。

該音頻ADC的下一階段是選通濾波器，它能夠完成許多工作。首先，該選通濾波器會除去SDM處理過程中引入的具有一定形狀的量化噪聲。其次，-該選通濾波器也能夠?qū)⑿盘柕臄?shù)據(jù)率從SDM的過采樣率降低到Nyquist速率水平，以便與標(biāo)準(zhǔn)的音頻數(shù)據(jù)率兼容。最后，選通濾波器還能防止選通濾波期間原始信號的混入(aliasing)。這是很有必要的，因為模擬式前置ADC濾波器很可能逐漸遠(yuǎn)離人們的視線，它也不會去除音頻頻帶內(nèi)的所有頻率成份。當(dāng)信號被過采樣處理后，這些頻率成份就不再受到人們的關(guān)注，但是當(dāng)這些信號在數(shù)字領(lǐng)域被選通處理的時候，濾波器必須保證這些頻率成份沒有倒混到可以聽得見的頻率帶寬內(nèi)。

雖然選通濾波可以在單一階段內(nèi)完成，Wolfson公司的ADC卻是在多個階段內(nèi)分別完成選通和濾波的。這是去除由SDM引入的帶外量化噪聲以及原始信號成份的最有效和最經(jīng)濟(jì)的方法，而原始信號成份則存在混入音頻帶寬的潛在可能性。

基于這種結(jié)構(gòu)，Wolfson微電子公司已經(jīng)有可能實施多位、低順序的sigma-delta ADC轉(zhuǎn)換器。在高質(zhì)量錄音如DVD等應(yīng)用中，這些ADC轉(zhuǎn)換器將具有出色的音頻捕獲性能，在8kHz到192kHz的取樣率范圍內(nèi)具有超過110dB的動態(tài)范圍。這種檔次的音頻性能如圖2所示。

小結(jié)

Wolfson微電子公司深知，一方面客戶需要在實驗室環(huán)境下具有出色表現(xiàn)的DAC產(chǎn)品，終端用戶卻希望他們的DVD錄像機(jī)、Hi-Fi系統(tǒng)和移動電話等設(shè)備能夠在家庭、辦公室和移動環(huán)境下提供高質(zhì)量的音頻捕獲和播放能力。Wolfson公司之所以在這些市場中繼續(xù)獲得成功，主要歸功于始終將目光聚焦在終端用戶的音頻體驗質(zhì)量上。

因此，Wolfson微電子公司的音頻ADC轉(zhuǎn)換器均采用低順序、多位、級聯(lián)sigma-delta結(jié)構(gòu)。低順序 sigma-delta調(diào)制器很穩(wěn)定，通過為該ADC提供范圍廣泛的音頻輸入，允許ADC處理各種不同的要求。多位量化器和級聯(lián)拓?fù)鋵崿F(xiàn)了ADC的SNR性能最佳化，使ADC器件能夠捕獲最大范圍的音頻輸入。基于該結(jié)構(gòu)，Wolfson公司的ADC產(chǎn)品能夠在范圍廣泛的音頻應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)越的音頻性能。

進(jìn)一步信息，請訪問http://www.wolfsonmicro.com/uploads/documents/ADC_Paper_v1.1.pdf。