如何提高音頻轉換器性能

摘要

數模音頻轉換器(音頻 DAC)是一款將數字音頻編碼轉換為模擬音頻聲音(例如：音樂(lè )等)的器件。在任何數字音頻編碼的轉換過(guò)程中，進(jìn)入到音頻轉換器器件的外部噪聲耦合都會(huì )對音頻帶產(chǎn)生巨大的影響。諸如 DAC 電源的 AC 紋波和開(kāi)關(guān)噪聲等是被轉換音頻聲音品質(zhì)下降的主要根本原因之一。因此，高性能數模音頻系統的設計要求將音頻 DAC 與電源軌噪聲隔離。本文中，一款結合了開(kāi)關(guān)式電源高效率和線(xiàn)性電源超低噪聲特性的集成解決方案就可以很好地解決該問(wèn)題，從而提供更高的音頻品質(zhì)。

引言

大多數現代音頻均以數字格式存儲，例如：脈沖編碼調制 (PCM) 和 MP3。它可以提供無(wú)損數據存儲、高品質(zhì)的完美拷貝、無(wú)限期存儲、高靈活性以及與其他數字系統的兼容性。需要使用一款音頻 DAC 將這些數字格式轉換為模擬信號，從而驅動(dòng)揚聲器產(chǎn)生音頻聲音(模擬波)。音頻放大器對轉換后的音頻聲音進(jìn)行放大，而揚聲器則將其傳輸給聽(tīng)眾。

人們通常認為將傳輸給聽(tīng)眾的模擬音頻聲音是音頻系統的最終輸出結果。它的品質(zhì)取決于整個(gè)音頻系統，包括原始數字編碼本身、音頻 DAC 器件、音頻功率放大器和揚聲器或者耳機的質(zhì)量。

如果我們將注意力放在音頻 DAC 上，則性能的高低取決于 DAC 本身的質(zhì)量，并受其他外部因素的影響。高性能音頻 DAC 對外部噪聲很敏感。這些外部噪聲會(huì )在轉換期間進(jìn)入音頻帶。這種噪聲可以來(lái)自 AC 電源紋波、射頻干擾、開(kāi)關(guān)噪聲，甚至是音頻系統其他電路組件的散熱噪聲。本文將探究如何通過(guò)提高 DAC 電源電壓的噪聲性能來(lái)最終改善音頻轉換器的噪聲性能。

音頻性能規范

為了對某個(gè)聲音系統的噪聲性能高低進(jìn)行量化，我們需要測定出某些規范參數?？傊C波失真 (THD) 測定音頻信號回放期間音頻轉換器所產(chǎn)生的不良信號數量。如音頻轉換器等系統均為非理想和非線(xiàn)性器件，其具有單個(gè)或者多個(gè)輸入和輸出。它們始終都有原始輸入信號失真。這種失真常常加在原始輸入信號諧波上。因此，總諧波失真代表了原始信號的失真數量是衡量所有音頻 DAC 性能的一個(gè)理想技術(shù)參數。

但是，單是總諧波失真本身而言，并沒(méi)有包含 DAC 產(chǎn)生輸出信號的其他非失真相關(guān)噪聲。因此，將總諧波失真與噪聲結合，便可構建起另一個(gè)測量標準，即 THD+N 規范。THD+N 準確地量化了 DAC 產(chǎn)生的與輸入信號無(wú)關(guān)的所有噪聲。這種噪聲來(lái)自于電源 AC 紋波、射頻干擾、開(kāi)關(guān)噪聲、振動(dòng)以及音頻系統的電路組件散熱噪聲。

人們通常用 THD+N 規范來(lái)規定音頻 DAC 器件的性能，但是其未對頻帶范圍內的 DAC 性能作深入探討。需要使用一個(gè) FFT 分析儀圖來(lái)分析其頻帶內所有模擬音頻信號的質(zhì)量。該此類(lèi)型的分析儀利用改變模擬音頻輸出信號的時(shí)間，并通過(guò)快速傅里葉變換 (FFT) 技術(shù)將其轉換成頻譜。這一測量過(guò)程顯示了一款音頻轉換器在其整個(gè) 1 – 20 KHz 范圍內的音頻轉換器性能，并清晰地顯示了噪聲和諧波失真性能。

電源對音頻性能的影響

大多數音頻應用都由一個(gè) 12V 總線(xiàn)的 AC 電源適配器來(lái)供電。我們必須將這種 12V 總線(xiàn)轉換成 5V 或者 3.3V，這樣才能滿(mǎn)足音頻 DAC 轉換器的要求。我們可以利用一個(gè)開(kāi)關(guān)式或者線(xiàn)性穩壓器來(lái)完成這種轉換。開(kāi)關(guān)式穩壓器較為理想，因為它們擁有較高的效率。它們的效率通?？梢赃_到 80%-95%，可最小化系統功耗和發(fā)熱量。但是，這些穩壓器存在開(kāi)關(guān)噪聲，并在其 DC 輸出電壓以上有 AC 紋波電壓。這兩個(gè)影響降低了音頻 DAC 的性能。圖 1 顯示了一個(gè)開(kāi)關(guān)式轉換器的典型輸出電壓。

圖 1 轉換器的典型輸出電壓紋波

電源 AC 紋波和噪聲越高，它對聲音品質(zhì)產(chǎn)生的不利影響也就越大。輸入噪聲和紋波可以進(jìn)入 IC 本身，并通過(guò)在轉換過(guò)程期間進(jìn)入音頻帶來(lái)影響性能，干擾內部偏壓、時(shí)鐘、振蕩器等。它們還可以通過(guò)電路板布局耦合至輸出。另外，整體音頻系統(包括功率音頻放大器和揚聲器)的性能均受到影響。因此，電源噪聲會(huì )極大地降低輸出音頻聲音的品質(zhì)。

圖 2 中的例子顯示了一個(gè)音頻 DAC(例如：PCM5102)的最終性能，其直接由一個(gè) 3.3V 開(kāi)關(guān)式穩壓器供電。通過(guò)將一個(gè)標準的 1-kHz 測試音施加于 DAC 的數字輸入，以進(jìn)行測試。使用音頻精度 (AP) 分析儀測試設備來(lái)進(jìn)行測量。本例中，模擬音頻輸出信號的 FFT 圖表明左右信道之間存在差異，原因是兩條信道的噪聲底限不同。THD+N 結果顯示，帶有噪聲的電源極大降低了輸出音頻信號的品質(zhì)。

圖 2 使用轉換器供電的正弦波音頻信號的 FFT 頻譜分析圖和 THD+N 測量

將開(kāi)關(guān)噪聲和紋波與 DAC 的電源軌隔離，可以實(shí)現更高的音頻性能。給轉換器輸出添加額外濾波，可以幫助減少一定的噪聲。但是，一些精密型濾波器過(guò)于豪華、復雜且占用空間更多。另外，大多數濾波器都存在功耗和負載調節問(wèn)題，并且瞬態(tài)響應能力較差。利用一個(gè)線(xiàn)性穩壓器 (LDO) 將 12V 輸入總線(xiàn)轉換為 3.3V，可以極大地減少紋波和噪聲，從而達到更高的音頻性能。使用 LDO 的缺點(diǎn)是設計的效率較低且功耗更高。

圖 3 顯示了通過(guò)一個(gè) LDO 供電的音頻 DAC 的 FFT 圖。同前面的測試一樣，我們給該 DAC 的光輸入施加一個(gè) 1-KHz 正弦音頻信號。測試條件與前面一樣，并使用相同的音頻精度測試設備作為測量工具，可得到如下 FFT 結果和 THD+N 測量情況。

圖 3 通過(guò)一個(gè) LDO 供電的正弦波音頻信號音頻 DAC 的 FFT 圖頻譜分析和 THD+N 測量結果