在设计sigma-delta音频ADC时，需要就以下问题进行均衡考虑，如器件的分辨率和顺序，以及包括成本和尺寸在内的一些商业性考虑，其中最关键的考虑因素是ADC的性能。本文以英商欧胜微电子有限公司(Wolfson Microelectronics plc.)的sigma-delta音频ADC为例，探讨了sigma-delta调制器ADC实施过程中的一些关键性设计变量，并讨论了它们对ADC性能的影响。
Sigma-delta调制器(SDM)的基本组成是模拟/数字转换器(A/D)和数字/模拟转换器(D/A)，过去一直用于音频系统，目前已经开始在各种数码应用中普及，如DVD视盘机、MP3播放器和数码照相机等。在音频应用领域，sigma-delta型ADC同采用其它拓扑的转换器(如逐次逼近型和闪速型)相比，其性能优势体现在两个原理上：过采样(oversampling)和噪声整形(noise shaping)。
其中，音频信号是在sigma-delta调制器内，以一个明显高于奈奎斯特(Nyquist)频率的采样速率进行取样的。这就将数字化过程中固有的量化噪声(quantisation noise)传播到了一个很宽的频带，音频带宽范围内出现的噪声很少。
对于信号和噪声来说，sigma-delta调制器还分别担当着低通滤波器和高通滤波器的角色，并对噪声进行整形处理，使很高比例的噪声能量能够包含于音频信号带宽的上部。然后，对过采样的数据进行滤波和选通(decimated)，以便在消除可能潜入音频频带的信号频率分量的同时，除去量化噪声，并且将数据率从过采样率降低到Nyquist速率。
Wolfson微电子公司将这两项原理应用于其sigma-delta音频ADC转换器，从而使用户的音频系统具有录制更宽阔动态范围音频输入的能力，这样一来，在最后播放声音的时候，终端用户就能够获得同当初的录制现场一样的聆听体验。
音频ADC的结构及操作
图1是音频ADC转换器的高端方框图。ADC由许多阶段组成，其主要组成部分是sigma-delta调制器ADC。构成sigma-delta调制器的方法有很多种，其中关键性结构变量有顺序、分辨率和ADC转换器的拓扑。改变这些变量之中的任何一个，均将影响器件的性能、稳定性、尺寸大小和成本。为了生产出不仅具有响亮音质，同时也能满足客户对成本和PCB面积预算要求的ADC转换器产品，Wolfson微电子公司对这些变量进行了妥善权衡。
最先顺序的sigma-delta调制器具有固有的稳定性。然而，它们的带外噪声(out of band noise)性能却相对较差，从理论上讲，其明显的优势只能通过设计更较顺序的调制器来获得。按假设，调制器的顺序越高，在给定的过采样率(oversampling)情况下获得的信噪比(SNR)就越大。另外，较高顺序的调制器能够在动态范围表现方面提供显著的改善，减少闲置的外形音调(idle pattern tones)。
不幸地是，在实际中，排序第三的单一环路(single-loop)调制器仅仅是有条件地稳定。同较低顺序的SDM相比，这种线路对元器件的匹配程度更敏感，而且其增益必须受到限制，以避免SDM进入大振幅/低频率振动状态, 因为即使这只是音频应用中最短暂的一个时刻，该状态依然是无法接受的。选择适当的增益系数和限制元器件的工作范围，可能能够防止SDM变得不稳定。实现这样的稳定性的代价可能是复杂而昂贵的。因此，必须在改进较高顺序调制器的性能，以及较低顺序调制器的稳定性和简单性之间进行权衡。
ADC量化器(quantiser)的分辨率是问题的关键；分辨率每增加1位(bit)，量化噪声就会降低一次，从而使SNR也提高了。显然，这是以每附加1位，线路尺寸就加倍的代价换来的，同时，线路的功耗和成本也增加了。早期的sigma-delta ADC转换器主要采用1位量化器设计，具有固有的线性优势，实施方案相对简单和低廉。如果使用1位量化器，就允许将1位DAC包含在SDM反馈回路中，并具有固有的良好线性；而多位DAC具有将非线性成份引入音频ADC的潜在可能性。
SDM设计彰显了多位量化(multi-bit)的优势，主要是分辨率每增加1位，SNR就提高6dB，这远远弥补了设计复杂性方面的不足。Wolfson公司的高性能ADC系列产品采用了多位设计，任何可能由DAC引入的潜在非线性(一般以谐波或内部调制失真的形式出现)，都已通过反馈通路中的动态元件匹配(Dynamic
Element Matching, DEM)方案降低到了最小。
SDM ADC结构基于两种拓扑：单一环路和级联或多级噪声整形(multi-stage noise-shaping，MASH)。这样，设计师在决定电路结构的时候就拥有很多现成的备选方案，每一个都拥有各自的优势和缺点。
在单一环路情形中，ADC只有一个量化器，调制器的顺序是由环路中的集分器(integrator)的数目决定的。虽然ADC里边可能具有许多内部环路，从输入到输出的数据路径只有一个。此类设计实施起来相对比较简单，并且对元件匹配状况的敏感度也很稳健。
基于级联拓扑的调制器有很多级，一般按照不同的顺序和分辨率组合在输出端。同单一环路模式相比，级联具有很多优势，主要表现在：
· 稳定性——调制器的总体顺序是所有阶段各个顺序的总和，因此许多低顺序阶段就有可能在不至于导致系统不稳定的情况下，被组合到一个较高顺序的调制器里。
· 分辨率——调制器的分辨率是各个阶段分辨率的总和，这样就有可能在无须设计一个达到禁止极限大小(prohibitively large)且非常昂贵的单一线路情况下，构造一个高分辨率的ADC转换器。
· 噪声消除——来自级联调制器第一阶段的错误信号被馈送到第二个阶段，经过处理，然后用以在输出端消除由第一阶段中的重组(recombination)所引起的噪声。
· 性能——上述因素的组合产生了一个较低复杂度的ADC，同相应复杂度的单一环路设计相比，该设计具有明显改善的性能。
Wolfson微电子公司的Sigma-delta ADC转换器采用级联结构设计，其环路增益系数经过了细心地选择，以便使器件的输出SNR最大化。同时，该ADC中还添加了一些具有一定可能性密度功能(probability density function)的抖动或噪声信号，以消除闲置音调，进一步改良输出的质量。
该音频ADC的下一阶段是选通滤波器，它能够完成许多工作。首先，该选通滤波器会除去SDM处理过程中引入的具有一定形状的量化噪声。其次，-该选通滤波器也能够将信号的数据率从SDM的过采样率降低到Nyquist速率水平，以便与标准的音频数据率兼容。最后，选通滤波器还能防止选通滤波期间原始信号的混入(aliasing)。这是很有必要的，因为模拟式前置ADC滤波器很可能逐渐远离人们的视线，它也不会去除音频频带内的所有频率成份。当信号被过采样处理后，这些频率成份就不再受到人们的关注，但是当这些信号在数字领域被选通处理的时候，滤波器必须保证这些频率成份没有倒混到可以听得见的频率带宽内。
虽然选通滤波可以在单一阶段内完成，Wolfson公司的ADC却是在多个阶段内分别完成选通和滤波的。这是去除由SDM引入的带外量化噪声以及原始信号成份的最有效和最经济的方法，而原始信号成份则存在混入音频带宽的潜在可能性。
基于这种结构，Wolfson微电子公司已经有可能实施多位、低顺序的sigma-delta ADC转换器。在高质量录音如DVD等应用中，这些ADC转换器将具有出色的音频捕获性能，在8kHz到192kHz的取样率范围内具有超过110dB的动态范围。这种档次的音频性能如图2所示。
小结
Wolfson微电子公司深知，一方面客户需要在实验室环境下具有出色表现的DAC产品，终端用户却希望他们的DVD录像机、Hi-Fi系统和移动电话等设备能够在家庭、办公室和移动环境下提供高质量的音频捕获和播放能力。Wolfson公司之所以在这些市场中继续获得成功，主要归功于始终将目光聚焦在终端用户的音频体验质量上。
因此，Wolfson微电子公司的音频ADC转换器均采用低顺序、多位、级联sigma-delta结构。低顺序 sigma-delta调制器很稳定，通过为该ADC提供范围广泛的音频输入，允许ADC处理各种不同的要求。多位量化器和级联拓扑实现了ADC的SNR性能最佳化，使ADC器件能够捕获最大范围的音频输入。基于该结构，Wolfson公司的ADC产品能够在范围广泛的音频应用中表现出优越的音频性能。
进一步信息，请访问http://www.wolfsonmicro.com/uploads/documents/ADC_Paper_v1.1.pdf。
