Att konstruera A/D-omvandlare av typen sigma-delta för ljud Àr en balansakt mellan upplösning, dvs antalet bitar, och kommersiella hÀnsynstaganden, som pris och storlek. Avgörande Àr A/D-omvandlarens prestanda. Duncan Macadie, marknadsföringsingenjör vid Wolfson Microelectronics plc, beskriver hÀr de viktigaste utformningsvariablerna för en A/D-omvandlare med sigma-delta-modulator.

Klicka hÀr för att ladda ned hela artikeln med alla illustrationer i PDF- format.

Sigma-delta-modulatorbaserade (SDM) konverterare för analogt till digitalt och vice versa (A/D- respektive D/A-omvandlare) har funnits i ljudsystem en tid och förekommer nu i mÄnga olika tillÀmpningar, frÄn DVD-spelare med inspelningsfunktion till MP3-spelare och digitalkameror. Prestandafördelarna med sigma-delta-baserad A/D-omvandlare för ljudtillÀmpningar, jÀmfört med andra topologier som successiv approximation eller flash, beror pÄ tvÄ principer: översampling och brusformning.

Ljudsignalen samplas i en sigma-delta-modulator med en hastighet som Àr betydligt högre Àn Nyquist-frekvensen. Detta sprider kvantiseringsbruset över ett stort frekvensband sÄ att en mindre mÀngd av bruset ligger inom audiobandet.

Sigma-delta-modulatorn fungerar Ă€ven som ett lĂ„gpassfilter för signalen och ett högpassfilter för bruset sĂ„ att en hög andel av brusenergin begrĂ€nsas till över ljudsignalens bandbredd. Översamplade data filtreras sedan och decimeras för att ta bort kvantiseringsbruset och sĂ€nka datahastigheten frĂ„n den översamplade hastigheten till Nyquist-hastigheten samtidigt som signalfrekvenskomponenter, som potentiellt kan vikas in i ljudbandet, elimineras.

Wolfsons tillÀmpar dessa tvÄ principer i sina sigma-delta A/D-omvandlare för att ge system med kapacitet att spela in ett enormt dynamiskt ljudinmatningsomrÄde.

A/D-omvandlare för ljud
Den huvudsakliga komponenten i en A/D-omvandlare Àr dess sigma-delta-modulator. Denna kan konstrueras pÄ flera olika sÀtt. De viktigaste konstruktionsvariablerna Àr A/D-omvandlarens ordningstal, upplösning och topologi. FörÀndringar av nÄgon av delarna pÄverkar kostnaden för enheten och dess prestanda, stabilitet och storlek.

Sigma-delta-modulatorer av första ordningen Àr av naturen mycket stabila. Deras utombandsbrusegenskaper Àr dock relativt svaga och i teorin kan avsevÀrda fördelar vinnas med att utforma modulatorer av högre ordning. Teoretiskt sett gÀller att ju högre modulatorns ordning Àr, desto större blir förhÄllandet mellan ljud och brus för en given översamplingshastighet (OSR, oversampling ratio). Dessutom ger modulatorer av högre ordning ett betydligt större dynamiskt omrÄde och ett minskat mönster av toner vid tomgÄng.

SĂ€mre stabilitet
Modulatorer av tredje ordningen eller högre, med en enkel slinga, Àr olyckligtvis bara stabila under vissa förhÄllanden. SÄdana kretsar Àr kÀnsligare för komponentmatchning Àn sigma-delta-modulatorer av lÀgre ordning och förstÀrkningen av dem mÄste begrÀnsas för att förhindra oscillering med hög amplitud och lÄg frekvens.

Detta tillstÄnd som Àr oacceptabelt för ljudtillÀmpningar, Àven under mycket kort tid. Instabilitet kan förhindras genom att vÀlja lÀmpliga förstÀrkningskoefficienter och begrÀnsa enhetens funktionsintervall. Men det kan vara komplicerat och dyrt att Ästadkomma denna stabilitet. DÀrför mÄste man kompromissa mellan förbÀttrade prestanda hos en modulator av högre ordning och stabilitet relativt enkelheten hos modulatorer av lÀgre ordning.

Upplösningen i A/D-omvandlarens kvantiserare Àr en mycket viktig frÄga. Varje extra bit upplösning minskar kvantiseringsbruset och leder dÀrmed till en förbÀttring av signal/brusförhÄllandet. Priset för detta Àr en fördubbling av kretsstorleken för varje extra bit och en dÀrpÄ följande ökning av energikonsumtionen och kostnader.

Tidiga sigma-delta A/D-omvandlare utformades i första hand med enbits kvantiserare. De Àr av naturen linjÀra och relativt enkla och billiga att integrera. Med en enbits kvantiserare kan man lÀgga in en enbits D/A-omvandlare i motkopplingsslinga för sigma-delta-modulatorn, Àven den linjÀr av naturen, medan ett flerbits D/A kan introducera olinjÀritet.

Fördelarna med flerbits kvantisering, framför allt 6 dB bÀttre S/N för varje extra bits upplösning, har blivit större Àn nackdelarna med de mer komplexa utformningarna i takt med utvecklingen av sigma-delta-modulatorn. Wolfsons urval högpresterande A/D har flerbitsutformning. All eventuell olinjÀritet, som visar sig som harmonisk distorsion eller intermodulationsdistorsion, minimeras med ett schema för dynamisk elementmatchning (DEM - Dynamic Element Matching) i Äterkopplingsslingan.

Sigma-delta-omvandlarens konstruktion bygger pÄ tvÄ topologier: enkel slinga eller kaskad, ibland kallad MASH (brusformning i flera steg). Den som utvecklar kretsar kan vÀlja bland mÄnga olika alternativ i dessa kategorier. Alla har sina fördelar och nackdelar.

I fallet med enkel slinga har A/D-omvandlaren en enkel kvantiserare och modulatorns ordning avgörs av antalet integratorer i slingan. Det kan finnas ett flertal interna slingor inuti A/C-omvandlaren, men bara en enda datavÀg frÄn in- till utmatningen. SÄdana utformningar Àr relativt enkla att anvÀnda och Àr robusta eftersom de inte Àr kÀnsliga för komponentmatchning.

I kaskadtopologin har modulatorn flera steg, vanligtvis av olika ordningstal och upplösning, som kombineras vid utmatningen. Kaskadkonstruktionen har mÄnga fördelar i förhÄllande till modellen med enkel slinga:

Stabilitet: Modulatorns ordningstal Àr summan av samtliga stegs ordningstal. DÀrför kan ett antal steg av lÄg ordning kombineras med en modulator av högre ordning, utan att systemet blir instabilt.

Upplösning: Modulatorns upplösning Àr summan av samtliga stegs upplösningar. SÄlunda Àr det möjligt att konstruera en högupplöst A/D-omvandlare utan att behöva utforma en avskrÀckande stor och kostsam enkelkrets.

Brusundertryckning: Felsignalen frÄn det första steget i kaskadmodulatorn matas till det andra steget, processas och anvÀnds sedan till att stÀnga av bruset frÄn det första steget vid Äterföreningen vid utmatningen.

Prestanda: Kombinationen av ovanstÄende faktorer producerar en minde komplicerad A/D-omvandlare med betydligt bÀttre prestanda Àn en motsvarande utformning med enkel slinga.

Wolfson Microelectronics sigma-delta-omvandlare, anvĂ€nder kaskadkoppling och har noga utvalda slingförstĂ€rkningskoefficienter för att maximera signal/brusförhĂ„llandet pĂ„ utgĂ„ngen. SĂ„ kallat ”ditherbrus” (”dallerbrus”) tillförs för att undertrycka tomgĂ„ngstoner och förbĂ€ttra kvaliteten pĂ„ utsignalen ytterligare.

Decimeringsfilter
NÀsta steg Àr decimeringsfiltret som utför en rad uppgifter. Först och frÀmst tar det bort det kvantiseringsbruset i den brusformning som ingÄr i sigma-delta-processen. Decimeringsfiltret minskar Àven signalens datahastighet frÄn modulatorns översamplade hastighet till Nyquist-hastighet för anpassning till de samplingshastigheter som anvÀnds för audio. Slutligen förhindrar decimeringsfiltret vikning av ursprungssignalen under decimeringsprocessen. Detta Àr nödvÀndigt eftersom det analoga filtret före A/D-omvandlaren troligen, med sin gradvisa dÀmpning, inte tar bort alla frekvenskomponenter utanför audioomrÄdet. NÀr signalen översamplas utgör dessa frekvenskomponenter inget problem, men nÀr signalen decimeras pÄ det digitala omrÄdet mÄste filtret sÀkerstÀlla att komponenterna inte viks tillbaka till den hörbara frekvensbandbredden.

Även om decimeringsfiltrering kan utföras i ett enda steg, konstrueras Wolfsons A/D-omvandlare med flera steg av decimering och filtrering. Det Ă€r det effektivaste och minst kostsamma sĂ€ttet för att ta bort dels kvantiseringsbruset utanför bandet som bildas i sigma-delta-modulatorn, dels komponenter i ursprungssignalen som riskerar att vikas in i ljudbandbredden.

Denna arkitektur har gjort det möjligt för Wolfson Microelectronics plc att implementera flerbits sigma-delta A/D-omvandlare av lÄg ordning som ger utmÀrkta ljudinspelningsprestanda i t ex DVD-spelare med inspelningsfunktion och som uppvisar ett dynamiskt omrÄde som överstiger 110 dB med samplingshastigheter frÄn 8 kHz till 192 kHz. Fig 2 visar störnivÄn (THD + brus) som funktion av utstyrningsgrad i ett system med 48 kSa/s.

VÀlljud hos anvÀndaren
UtmÀrkta prestanda under laboratorieförhÄllanden Àr en sak, högkvalitativa in- och uppspelningsenheter för ljud. Det kan vara DVD-spelare med inspelningsfunktion, stereoanlÀggningar och mobiltelefoner för anvÀndning i hemmet, pÄ kontoret och i bÀrbara enheter. Wolfsons fokuserar pÄ kvaliteten hos slutanvÀndarens ljudupplevelse.

DÀrför byggs A/D-omvandlarna för ljud med flerbits sigma-delta-omvandlare i en kaskadlösning. Sigma-delta-modulatorn, av lÄg ordning, Àr stabil sÄ att A/D-omvandlaren kan hantera mÄnga olika typer av ljudinmatningar med deras tillhörande krav. Tack vare flerbits kvantiserare och kaskadtopologi uppnÄs ett högt signal/brusförhÄllande till gagn för den apparat som omvandlaren Àr inbyggd i, för en rad olika ljudtillÀmpningar.

Duncan Macadie, Wolfson Microelectronics Plc