20位Σ－Δ立体声ADA电路TLC320AD75C的接口电路设计

本文介绍了Σ－Δ型ADC和DAC的特点及构成，并详细论述了Σ－Δ型立体声ADA电路TLC320AD75C的模拟与数字音频数据接口技术、DAC的串行控制接口技术及该类器件的使用注意事项。

1 Σ－Δ型ADC及DAC

现今使用的绝大部分A/D转换器，例如并行比较型、逐次比较型、积分型等都属于线性脉冲编码调制(LPCM)型A/D转换器[1]。一个分辨率为n位的这种类型的A/D转换器，为了能区分2n个不同的量化等级，需要相当复杂的比较网络和极高精度的模拟电子器件。当位数n较高时，比较网络的实现是十分困难的，因而限制了转换器分辨率的提高。同时使用A/D转换器构成采集系统时，还必须在转换之前对抽样值进行抽样保持，A/D转换器分辨率越高，这种要求就越重要，因此在一些高精度采集系统中，在A/D转换器的前端除了设置有抗混叠滤波器外，大都还需要设置专门的抽样/保持电路，从而增加了采集系统的复杂度。

所谓总和增量调制编码(Σ－Δ)型A/D转换器则与之不同[2]。LPCM 型A/D转换器完全忽略掉信号样值之间的相关性，只是直接根据抽样数据的每个样值的大小进行量化编码；而Σ－Δ型A/D转换器则是根据前一样值与后一样值之差即所谓增量的大小来进行量化编码。Σ－Δ型A/D转换器一般由两部分组成，第一部分为模拟Σ－Δ调制器，第二部分为数字抽取滤波器，如图1(a)所示。Σ－Δ调制器以极高的抽样频率(远高于奈奎斯特抽样频率)对输入模拟信号进行抽样，并对两个抽样值之间的差值进行低位量化(通常为1位)，从而得到用低位数码表示的Σ－Δ码，然后将这种Σ－Δ码送给第二部分的数字抽取滤波器进行抽取滤波，从而得到高分辨率的LPCM信号。图1(b)为与之相对应的 Σ－Δ型D/A转换器。这种类型的A/D和D/A转换器，就量化而言，由于采用了极低位的量化器，避免了LPCM型A/D转换器中需要制造高位D/A转换器或高精度电阻网络的困难；而且由于它采用Σ－Δ调制器技术和数字抽取滤波器，可以获得极高的分辨率，大大超过了LPCM型A/D转换器；再者由于码位低，抽样与量化编码可以同时完成，几乎不花时间，因此不需要抽样保持电路，这样就使采集系统的构成大为简化。与传统的LPCM型A/D转换器相比，Σ－Δ 型A/D转换器实际上是采用以高抽样速率来换取高位量化，即以速度换精度的方案。自90年代以来，Σ－Δ型A/D和D/A转换器获得了很大发展，并在高精度数据采集特别是在数字音响系统、多媒体、地震勘探仪、声纳、电子测量等领域中获得了广泛的应用。



2 TLC320AD75C简介

TLC320AD75C是使用四阶Σ－Δ技术的高性能20位立体声模数和数模转换器(ADA)，能同时进行四路20位分辨率的模拟到数字(A/D)和数字到模拟(D/A)信号通道的转换。其它功能还包括数字衰减、数字复原滤波、软静音和片内定时及控制[3]。该芯片具有以下特点：

　　·单5V(模拟/数字)电源电平及3.3V至5V数字接口电平
　　·采样速率高达48kHz；
　　·分辨率为20位；
　　·ADC的信噪比为100dB；
　　·ADC的总谐波失真+噪声为0.0017%;
　　·DAC的信噪比为104dB；
　　·DAC的总谐波失真+噪声为0.0013%；
　　·内部电源基准；
　　·串行接口；
　　·差分结构；
　　·DAC具有PWM输出；
　　·DAC的采样率为32、44.1和48kHz时可进行数字复原滤波；
　　·DAC具有数字衰减/软静音功能。
　　TLC320AD75C的引脚排列及引脚功能请参阅TI公司的产品数据手册，其功能框图如图2所示。



3 TLC320AD75C的接口电路设计

由 TLC320AD75C的功能方框图可以看出，TLC320AD75与外电路的接口主要由三部分组成：一是TLC320AD75C与模拟音频数据的接口，包括ADC的差分输入和DAC的PWM输出；二是TLC320AD75C与微控制器的数字音频数据接口；三是DAC的串行控制接口。下面给出具体的电路设计。

3.1 与模拟音频数据的接口

为了提供高的共模噪声抑制比和增加输入动态范围，TLC320AD75C的ADC的输入采用差分形式；同时还要考虑到TLC320AD75C具有很高的速度和分辨率、开关电容输入结构以及单电源工作等特点，这就要求我们必须仔细设计相关的驱动放大器。驱动放大器必须提供一个低的信号源阻抗和足够的输出电流以驱动ADC输入，并且其高频输出阻抗必须足够低，以避免带来转换误差。图3给出了TLC320AD75C与模拟音频数据的接口电路，由于左、右声道电路完全相同，故只画出了一个声道的接口电路。 U1、U2和U3皆选用超低噪声、宽频带、高精度、高速运算放大器OP37。U1和U2将单极性音频输入变换为差分形式的输出，U3则将 TLC320AD75C输出的差分信号对L2－L1(PWM信号)变换成单极性信号。U1中+5V通过两个100kΩ的电阻给运放同相端提供+2.5V的静态偏置，100μF的电容则使其交流接地。U2同相端接法同U1，图3中未画出。