具有PCM和DSD雙功能的DAC芯片PCM1738

摘要：PCM1738是B-B公司生產(chǎn)的高級數模轉換數碼音響芯片，利用它可以同時(shí)對SACD音頻格式的DSD數據流和DVD-Audio用的PCM編碼進(jìn)行數據變換和解碼。文中介紹了PCM1738的基本原理、主要性能指標及應用信息，同時(shí)對其高級段DAC和電流段DAC的新技術(shù)做了描述。

1 概述

PCM1718是B-B公司繼24bit/192kHz正弦量方式DAC解碼芯片PCM1704和SACD的DSD解碼芯片PCM1700之后，最新開(kāi)發(fā)的又一片應用于高檔音響設備的雙功能解碼芯片。該芯片既可對DVD-Audio的24bit/192kHz的PCM編碼數字音頻信號進(jìn)行解碼，又可以對SACD的64fs/1bit的DSD編碼數字音頻進(jìn)行解碼，而且性能良好。因此，它是目前開(kāi)發(fā)高檔音頻播放機或進(jìn)行音響數模變換的理想器件。

2 PCM1738的特點(diǎn)和性能

圖1所示是PCM1738的結構功能框圖，其各引腳的功能說(shuō)明如表1所列。PCM1738的主要特點(diǎn)如下：

●上有24bit分辨率；

●取要頻率達10～192kHz；

●具有多種接口格式功能，其中16/20/24bit為后接格式，16/20/24bit I2S，24bit為前接格式；

●系統時(shí)鐘有128/192/256/384/512/768fs多種選擇，其中fs的范圍為32kHz～192kHz；

●模擬輸出差動(dòng)電流為±2.5mA(Iout端輸出)；

●內含8倍超取樣數字濾波器，可選擇快慢兩種斜降，并且無(wú)域外噪聲上升現象；

●具有數字音量衰減、軟靜噪、零檢出門(mén)閂和去加重等功能；

●具備DSD模式，并具有四種濾波模式可供選擇；

●具備DF旁路模式，可隔離PCM1738內部的數字濾波器，從而使輸入信號可以和更高檔的外部數字濾波器進(jìn)行連接；

●采用模擬5V和數字3.3V的電源；

●采用28腳SSOP封裝形式。

表1 PCM1738管腳功能表

3 PCM1738的高級段工作原理

PCM1738的高級段（Advance Segment）DAC和電流段DAC是B-B公司專(zhuān)門(mén)為PCM1738新開(kāi)發(fā)后種新穎的數模變換方法。由于24bit分辨精度高達1/1677216=0.00000006，因此，元件精度和電路結構都制約最終的實(shí)際精度。在現有集成電路制作的工藝水平條件下，開(kāi)發(fā)新型電路是一種能較快提高水準的捷徑。

PCM1738高級段DAC的總體原理如圖2所示。其高級段的DAC方式主要由反相被償失調雙極型ICOB解碼部分、5電平三階Δ-∑調制、高級段數據加權平均DWA和67個(gè)電平差動(dòng)電流段構成。當經(jīng)過(guò)格式變化后的數字輸出數據進(jìn)入數字濾波器后，它首先通過(guò)八倍超取樣變換成為24bit/8fs數據，然后再將其分割成上位和下位兩段。其中上位段為除去最高位MSB的6bit數據，而下位段則是MSB和后17bit組成的一共18個(gè)bit的數據。運行時(shí)，將上位6bit輸入ICOB解碼部分，而將下位18bit數據則輸入5電平三階Δ-∑調制器。這樣利用上位6bit即可調制出64個(gè)臺階的粗波形（m=2的6次方=64），而下位18bit即是數據中的6位所不含的殘留量。

解碼器ICOB（Inverted Complementary Offset Binary）稱(chēng)反相補償失調二進(jìn)制，它把不含MSB的6bit數據變換成64電平數據，然后再分割成適合于電流段工作的63電平工作碼輸出。

5電平三階Δ-∑調制器的等效電路見(jiàn)圖3所示，在對輸入幅度較大的信號進(jìn)行調制時(shí)，每個(gè)取樣點(diǎn)在振幅方向上的移動(dòng)設定在1個(gè)電平之內。這樣支使振幅對時(shí)間軸的誤差（主時(shí)鐘引起）相對小一些。

63電平的ICOB數字輸出和5電平三階Δ-∑調制器輸出的電平量均為1，在求和電路中可以直接相加成為67電平的ICOB碼，然后再加上Δ-∑調制信號傳送下去，最后進(jìn)行數碼變換操作。

數碼變換的操作分為兩步，分別為高級DWA和電流段DAC。高級DWA（Advance Data Weighted Averaging）可用來(lái)產(chǎn)生數模變換之后的電流段中需要的最合適的工作時(shí)鐘。為了最大限度地抑制模擬誤差，PCM1738用獨立的定時(shí)控制和一階噪聲整形操作相組合來(lái)實(shí)現高精度的低抖動(dòng)（jitter）。

電流段（Segment）DAC由對模擬量相同加權的平衡差動(dòng)電流部分和對此電流段進(jìn)行開(kāi)/關(guān)控制的電流開(kāi)關(guān)構成。它是從數字信號變換到模擬信號的DAC的心臟。圖4是電流段的簡(jiǎn)化等效電路。它共有75對差動(dòng)電流源，可用來(lái)自高級DWA的67種電平按輸入量和控制時(shí)鐘來(lái)對其進(jìn)行控制以完成變換工作。由于這75對電流源處理67種電平有足夠的余量，因而各個(gè)電流源都能工作在最佳狀態(tài)，而不會(huì )出現無(wú)聲音調或特大振幅時(shí)的失配誤差。

PCM1738除了可以對DVD-Audio的24bit/192kHz PCM編碼進(jìn)行數模變換外，還具有對SACD的DSD直接數據流進(jìn)行數模變換的能力。

圖4的電流源結構也可以用于64fs/1bit的DSD信號的數碼變換，如果將其作為模擬FIR濾波器使用，基功能相當于圖5所示的FIR濾波器。其中延遲單元D和各種電流段的數值即為各節之權重，此時(shí)各電流源采用差動(dòng)方式工作，以便獲得高品質(zhì)的DSD/模擬變換。

4 PCM1738的應用電路

圖6是PCM1738的應用電路。其中音頻數據接入、工作時(shí)鐘、控制用串行數據接口等部分在圖中已經(jīng)略去，模擬輸出部分公司評估板的實(shí)際電路。PCM1738中D/A變換器的模擬輸出為平衡差動(dòng)電流，其滿(mǎn)幅度（0dB）時(shí)為±2.5mA，峰峰值為5mA。所以使用時(shí)必須外加電流/電壓（I/V）變換電路，而且同時(shí)需要進(jìn)行雙端/單端變換。當I0端子處于滿(mǎn)幅度時(shí)，其輸出Iout為±2.5mA，圖中的反饋電阻R11，R12，R21，R22均為620Ω，這樣，I/V變換出的電壓V0將為±（2.5Rf）mA。另外，由于后段部分帶濾波作用的雙端/單端變換輸出的增益為1，所以實(shí)際輸出電壓變?yōu)閮奢斎胄盘栔?。即?/P>

Vout=Vo-(-Vo)=2Vo,

這樣可得出輸出峰-峰值Vp-p應為2.192Vrms。

頻率響應由與反饋電阻并聯(lián)的電容決定，按照DVD-Audio和SACD標準，其信號的帶域要求應達到100kHz。但實(shí)際上仍可根據需要在一定范圍內調整，本電路中的電容電阻值所決定的最終帶寬為70kHz。

需要特別提出的是：為了達到THD+N小于0.001%和S/N高于120dB的要求，應當選擇合適的運放。選擇運放需要考慮基本指標有輸入換算噪聲電壓、輸入換算噪塊電流、開(kāi)環(huán)增益帶寬、上升速率、建立時(shí)間及非線(xiàn)性失真等。

按一般播放機的輸出電平（2Vrms）和信噪比（-120dB）要求折合出的噪聲電平只有2μv，這就是說(shuō)，運放和電阻電容等器件的噪聲是決定最終設備的雜音電平的主要因素，因而必須注意每個(gè)環(huán)節的品質(zhì)指標以便獲得最佳的音質(zhì)。