一种用于D类放大器的高阶单比特的SDM调制结构的实现
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摘 要：在介绍∑―Δ调制的基本原理基础上，重点设计出一种调制器结构，其特性适用于D类功放。分析了该电路结构特性对电路模块设计的影响，给出了电路模块的设计原则和指标。该结构最终测试结果为动态范围100 dB，信噪比90 dB，翻转频率400 kHz，总谐波失真0.008 4%。最后得到结论：在48 kHz，44.1 kHz采样率下该设计功能达到了预期效果，足以满足D类放大器应用。
关键词：Sigma―Delta调制结构；翻转频率；信噪比；D类放大器
中图分类号：TN914 文献标识码：B
文章编号：1004373X(2008)0317202
A Type of Sigma―Delta Modulation with High Order and One bit
Quantization Based on Class D Audio Ampliefier
LIU Huan1,ZHAO Jianming1,HU Xingwei2
(1.School of Micro―eletronic and Solid-electronic,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu,610054,China;
2.IPGoal Microelectronics Sichuan Co.Ltd.,Chengdu,610041,China)
Abstract：This paper introduces the theory of Sigma Delta bining with the system requirement,this paper focuses on the discussion of design appropriate architecture based on the class D audio amplifier architecture,presents the design key of the circuit module.With an oversampling ratio of 64 and sampling frequency 48 kHz or 44.1 kHz,the modulator achieves a 100 dB dynamic range,a peak signal to noise of 90 dB,and a total harmonic distortion ratio of 0.0084%.
Keywords：Sigma―Delta modulator;pulse repetition frequency;signal to noise ratio;class D audio amplifier
∑Δ(Sigma―Delta Modulator，SDM)结构是一种常用于音频遍解码的凿声整形结构，其调制方法实质上是Δ调制方法的一种变形。Δ调制的输出是差分编码，如果在输入端对信号积分后再输入到Δ调制器中，输出便失去了差分编码的性质，同时克服了由于斜率过载带来的限制，改善了Δ调制方法的缺点，这便是∑―Δ调制结构。图1是一阶SDM调制结构的结构图。
图1 一阶的SDM噪声调制结构
以上结构一般以多阶形式用于音频算法结构中，但是，CLASSD的最大优势在于用0/1电平驱动H桥电路，这样使得放大器不会在过渡中损失功率，理论上可达到100%，只是在实际中电转MOS管开闭会造成损失，所以要求PRF(Pulse Repetition Frequency)低。对于要求PRF远远小于一般SDM的CLASSD结构来说，单纯的这样不加处理是完全不行的。
世面上常用的方法是采用MUTI结构对信号进行多bit量化，减少量化误差，因为多比特的量化间距小，在相同的过采样率下可以有效地提高sdm的信噪比，因此这样就可以降低过采，可以不使用常用的136/128/125过采，而使用64过采，这样就可以得到满足SNR要求(85 dB以上人耳基本听不出区别)的低PRF的SDM结构。但是，多比特的量化后的处理包括热力学编码，动态元素匹配/动态权重均匀以及模拟累加等，将会牺牲太大的面积[CD2]单纯的多比特数字部分P&R后的面积一般是单比特的两倍以上。众所周知，目前CLASSD的用处是一些轻便、随身携带、低电量设备，这样会导致总体面积增大，失去了便携的优势。所以本文设计的是单bit量化的SDM结构。
本设计中采用的是一种用于DA的7阶前馈集加和型的SDM结构。如图2所示，首先对各个节点进行设置参数：
该结构采用了7阶3前馈单bit量化，这样7阶保证了高SNR的存在，3前馈增加了系统函数的零点数，很好地抑制了累加溢出，使功率密度曲线上的噪声幅度上拉的频点后推，抑制了摆幅，保证了结构的稳定。
图3是其在采样频率为48 000 Hz过采样为128的条件下，输入字长21 b，采样信号为10 kHz的正弦信号，量化输出得到的PSD曲线。
图2 未加任何处理的7阶3前馈1比特的SDM结构
从图2中明显可以看出在20 kHz内动态范围为130 dB以上，计算得出SNR(Signal to Noise Ratio)约为116 dB。但是不做处理的SDM的输出翻转频率竟高达3.372 0e+006 Hz，这显然是不合要求的。
图3 未加任何处理的7阶3前馈
1 bit功率密度曲线
接下来，我们要考虑的是如何在单比特的基础上保证音频SNR并降低PRF。目前，降低PRF确实可行的方法有3种：
(1) 反馈中增加DFF。
(2) 采用动态迟滞系数来控制量化参数。
(3) 采用BF(BIT―FLIPPING)结构改善量化出的系数。
图4是采用了(1)，(3)两种方法处理后的SDM结构。
图4 添加了DFF与BF结构的7阶3前馈1 bit的SDM结构
将得到的1 bit量化结果通过BIT―FLIP算法运算，并且插入一个DFF后再进行反馈。在这样的结构下，输入采样频率为48 000 Hz，过采样64，字长21 b采样信号为10 kHz的正弦信号得出的功率密度曲线如图5所示。
由图5可以看出在20 kHz内动态范围为100 dB以上，计算得出SNR约为90 dB。重要是，通过在结构中添加DFF以及BF结构，在将OSR降到64的条件下，得到了理想中需要的PRF，其值约为400 kHz。在这种PRF下，可以保证CLASSD放大器的功效在90%以上，另外，90 dB的SNR也足以保障一般音频解码的音频质量。因此该设计成功地实现了基于CLASSD开发的SDM结构。
图5 添加了DFF与BF结构的7阶3前馈1 bit功率密度曲线
该结构是在四川登颠微电子有限公司内设计的，笔者在Matlab上搭建了系统结构并计算出系数，通过算法仿真之后用Verilog完成了整个DA流程RTL级代码。在48 kHz及44.1 kHz采样下通过验证之后又完成了后仿真。
参考文献
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