在設計sigma-delta音頻ADC時，需要就以下問題進行均衡考慮，如器件的分辨率和順序，以及包括成本和尺寸在內的一些商業性考慮，其中最關鍵的考慮因素是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調制器ADC實施過程中的一些關鍵性設計變量，并討論了它們對ADC性能的影響。

Sigma-delta調制器(SDM)的基本組成是模擬/數字轉換器(A/D)和數字/模擬轉換器(D/A)，過去一直用于音頻系統，目前已經開始在各種數碼應用中普及，如DVD視盤機、MP3播放器和數碼照相機等。在音頻應用領域，sigma-delta型ADC同采用其它拓撲的轉換器(如逐次逼近型和閃速型)相比，其性能優勢體現在兩個原理上：過采樣(oversampling)和噪聲整形(noise shaping)。

其中，音頻信號是在sigma-delta調制器內，以一個明顯高于奈奎斯特(Nyquist)頻率的采樣速率進行取樣的。這就將數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，音頻帶寬范圍內出現的噪聲很少。

對于信號和噪聲來說，sigma-delta調制器還分別擔當著低通濾波器和高通濾波器的角色，并對噪聲進行整形處理，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，對過采樣的數據進行濾波和選通(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，并且將數據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用于其sigma-delta音頻ADC轉換器，從而使用戶的音頻系統具有錄制更寬闊動態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初的錄制現場一樣的聆聽體驗。

音頻ADC的結構及操作

圖1是音頻ADC轉換器的高端方框圖。ADC由許多階段組成，其主要組成部分是sigma-delta調制器ADC。構成sigma-delta調制器的方法有很多種，其中關鍵性結構變量有順序、分辨率和ADC轉換器的拓撲。改變這些變量之中的任何一個，均將影響器件的性能、穩定性、尺寸大小和成本。為了生產出不僅具有響亮音質，同時也能滿足客戶對成本和PCB面積預算要求的ADC轉換器產品，Wolfson微電子公司對這些變量進行了妥善權衡。

最先順序的sigma-delta調制器具有固有的穩定性。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，其明顯的優勢只能通過設計更較順序的調制器來獲得。按假設，調制器的順序越高，在給定的過采樣率(oversampling)情況下獲得的信噪比(SNR)就越大。另外，較高順序的調制器能夠在動態范圍表現方面提供顯著的改善，減少閑置的外形音調(idle pattern tones)。

不幸地是，在實際中，排序第三的單一環路(single-loop)調制器僅僅是有條件地穩定。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進入大振幅/低頻率振動狀態, 因為即使這只是音頻應用中最短暫的一個時刻，該狀態依然是無法接受的。選擇適當的增益系數和限制元器件的工作范圍，可能能夠防止SDM變得不穩定。實現這樣的穩定性的代價可能是復雜而昂貴的。因此，必須在改進較高順序調制器的性能，以及較低順序調制器的穩定性和簡單性之間進行權衡。

ADC量化器(quantiser)的分辨率是問題的關鍵；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轉換器主要采用1位量化器設計，具有固有的線性優勢，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設計彰顯了多位量化(multi-bit)的優勢，主要是分辨率每增加1位，SNR就提高6dB，這遠遠彌補了設計復雜性方面的不足。Wolfson公司的高性能ADC系列產品采用了多位設計，任何可能由DAC引入的潛在非線性(一般以諧波或內部調制失真的形式出現)，都已通過反饋通路中的動態元件匹配(Dynamic
Element Matching, DEM)方案降低到了最小。

SDM ADC結構基于兩種拓撲：單一環路和級聯或多級噪聲整形(multi-stage noise-shaping，MASH)。這樣，設計師在決定電路結構的時候就擁有很多現成的備選方案，每一個都擁有各自的優勢和缺點。

在單一環路情形中，ADC只有一個量化器，調制器的順序是由環路中的集分器(integrator)的數目決定的。雖然ADC里邊可能具有許多內部環路，從輸入到輸出的數據路徑只有一個。此類設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健。

基于級聯拓撲的調制器有很多級，一般按照不同的順序和分辨率組合在輸出端。同單一環路模式相比，級聯具有很多優勢，主要表現在：
· 穩定性——調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致系統不穩定的情況下，被組合到一個較高順序的調制器里。
· 分辨率——調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計一個達到禁止極限大小(prohibitively large)且非常昂貴的單一線路情況下，構造一個高分辨率的ADC轉換器。
· 噪聲消除——來自級聯調制器第一階段的錯誤信號被饋送到第二個階段，經過處理，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——上述因素的組合產生了一個較低復雜度的ADC，同相應復雜度的單一環路設計相比，該設計具有明顯改善的性能。

Wolfson微電子公司的Sigma-delta ADC轉換器采用級聯結構設計，其環路增益系數經過了細心地選擇，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，進一步改良輸出的質量。

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將信號的數據率從SDM的過采樣率降低到Nyquist速率水平，以便與標準的音頻數據率兼容。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離人們的視線，它也不會去除音頻頻帶內的所有頻率成份。當信號被過采樣處理后，這些頻率成份就不再受到人們的關注，但是當這些信號在數字領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。

雖然選通濾波可以在單一階段內完成，Wolfson公司的ADC卻是在多個階段內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濟的方法，而原始信號成份則存在混入音頻帶寬的潛在可能性。

基于這種結構，Wolfson微電子公司已經有可能實施多位、低順序的sigma-delta ADC轉換器。在高質量錄音如DVD等應用中，這些ADC轉換器將具有出色的音頻捕獲性能，在8kHz到192kHz的取樣率范圍內具有超過110dB的動態范圍。這種檔次的音頻性能如圖2所示。

小結

Wolfson微電子公司深知，一方面客戶需要在實驗室環境下具有出色表現的DAC產品，終端用戶卻希望他們的DVD錄像機、Hi-Fi系統和移動電話等設備能夠在家庭、辦公室和移動環境下提供高質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量上。

因此，Wolfson微電子公司的音頻ADC轉換器均采用低順序、多位、級聯sigma-delta結構。低順序 sigma-delta調制器很穩定，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。多位量化器和級聯拓撲實現了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�；谠摻Y構，Wolfson公司的ADC產品能夠在范圍廣泛的音頻應用中表現出優越的音頻性能。

進一步信息，請訪問http://www.wolfsonmicro.com/uploads/documents/ADC_Paper_v1.1.pdf。