如何提高音頻轉(zhuǎn)換器性能

摘要

數(shù)模音頻轉(zhuǎn)換器(音頻 DAC)是一款將數(shù)字音頻編碼轉(zhuǎn)換為模擬音頻聲音(例如：音樂等)的器件。在任何數(shù)字音頻編碼的轉(zhuǎn)換過程中，進(jìn)入到音頻轉(zhuǎn)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 紋波和開關(guān)噪聲等是被轉(zhuǎn)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(shù)模音頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求將音頻 DAC 與電源軌噪聲隔離。本文中，一款結(jié)合了開關(guān)式電源高效率和線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題，從而提供更高的音頻品質(zhì)。

引言

大多數(shù)現(xiàn)代音頻均以數(shù)字格式存儲(chǔ)，例如：脈沖編碼調(diào)制 (PCM) 和 MP3。它可以提供無損數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、高品質(zhì)的完美拷貝、無限期存儲(chǔ)、高靈活性以及與其他數(shù)字系統(tǒng)的兼容性。需要使用一款音頻 DAC 將這些數(shù)字格式轉(zhuǎn)換為模擬信號，從而驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器產(chǎn)生音頻聲音(模擬波)。音頻放大器對轉(zhuǎn)換后的音頻聲音進(jìn)行放大，而揚(yáng)聲器則將其傳輸給聽眾。

人們通常認(rèn)為將傳輸給聽眾的模擬音頻聲音是音頻系統(tǒng)的最終輸出結(jié)果。它的品質(zhì)取決于整個(gè)音頻系統(tǒng)，包括原始數(shù)字編碼本身、音頻 DAC 器件、音頻功率放大器和揚(yáng)聲器或者耳機(jī)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(zhuǎn)換期間進(jìn)入音頻帶。這種噪聲可以來自 AC 電源紋波、射頻干擾、開關(guān)噪聲，甚至是音頻系統(tǒng)其他電路組件的散熱噪聲。本文將探究如何通過提高 DAC 電源電壓的噪聲性能來最終改善音頻轉(zhuǎn)換器的噪聲性能。

音頻性能規(guī)范

為了對某個(gè)聲音系統(tǒng)的噪聲性能高低進(jìn)行量化，我們需要測定出某些規(guī)范參數(shù)?？傊C波失真 (THD) 測定音頻信號回放期間音頻轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的不良信號數(shù)量。如音頻轉(zhuǎn)換器等系統(tǒng)均為非理想和非線性器件，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(shù)量是衡量所有音頻 DAC 性能的一個(gè)理想技術(shù)參數(shù)。

但是，單是總諧波失真本身而言，并沒有包含 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(jié)合，便可構(gòu)建起另一個(gè)測量標(biāo)準(zhǔn)，即 THD+N 規(guī)范。THD+N 準(zhǔn)確地量化了 DAC 產(chǎn)生的與輸入信號無關(guān)的所有噪聲。這種噪聲來自于電源 AC 紋波、射頻干擾、開關(guān)噪聲、振動(dòng)以及音頻系統(tǒng)的電路組件散熱噪聲。

人們通常用 THD+N 規(guī)范來規(guī)定音頻 DAC 器件的性能，但是其未對頻帶范圍內(nèi)的 DAC 性能作深入探討。需要使用一個(gè) FFT 分析儀圖來分析其頻帶內(nèi)所有模擬音頻信號的質(zhì)量。該此類型的分析儀利用改變模擬音頻輸出信號的時(shí)間，并通過快速傅里葉變換 (FFT) 技術(shù)將其轉(zhuǎn)換成頻譜。這一測量過程顯示了一款音頻轉(zhuǎn)換器在其整個(gè) 1 – 20 KHz 范圍內(nèi)的音頻轉(zhuǎn)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(shù)音頻應(yīng)用都由一個(gè) 12V 總線的 AC 電源適配器來供電。我們必須將這種 12V 總線轉(zhuǎn)換成 5V 或者 3.3V，這樣才能滿足音頻 DAC 轉(zhuǎn)換器的要求。我們可以利用一個(gè)開關(guān)式或者線性穩(wěn)壓器來完成這種轉(zhuǎn)換。開關(guān)式穩(wěn)壓器較為理想，因?yàn)樗鼈儞碛休^高的效率。它們的效率通常可以達(dá)到 80%-95%，可最小化系統(tǒng)功耗和發(fā)熱量。但是，這些穩(wěn)壓器存在開關(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)開關(guān)式轉(zhuǎn)換器的典型輸出電壓。

圖 1 轉(zhuǎn)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，并通過在轉(zhuǎn)換過程期間進(jìn)入音頻帶來影響性能，干擾內(nèi)部偏壓、時(shí)鐘、振蕩器等。它們還可以通過電路板布局耦合至輸出。另外，整體音頻系統(tǒng)(包括功率音頻放大器和揚(yáng)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 開關(guān)式穩(wěn)壓器供電。通過將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 1-kHz 測試音施加于 DAC 的數(shù)字輸入，以進(jìn)行測試。使用音頻精度 (AP) 分析儀測試設(shè)備來進(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(jié)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(zhuǎn)換器供電的正弦波音頻信號的 FFT 頻譜分析圖和 THD+N 測量

將開關(guān)噪聲和紋波與 DAC 的電源軌隔離，可以實(shí)現(xiàn)更高的音頻性能。給轉(zhuǎn)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于豪華、復(fù)雜且占用空間更多。另外，大多數(shù)濾波器都存在功耗和負(fù)載調(diào)節(jié)問題，并且瞬態(tài)響應(yīng)能力較差。利用一個(gè)線性穩(wěn)壓器 (LDO) 將 12V 輸入總線轉(zhuǎn)換為 3.3V，可以極大地減少紋波和噪聲，從而達(dá)到更高的音頻性能。使用 LDO 的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)的效率較低且功耗更高。

圖 3 顯示了通過一個(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(shè)備作為測量工具，可得到如下 FFT 結(jié)果和 THD+N 測量情況。

圖 3 通過一個(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(jié)果

使用 LDO 低噪電源軌可以將聲音品質(zhì)提高約 8 dB。圖 3 表明 THD+N 將超過 93 dB。另外，觀察 FFT 頻譜分析儀圖后，我們發(fā)現(xiàn)，噪聲底限得到極大降低。諧波很容易辨認(rèn)，其取決于器件的性能。在其大部分頻率帶寬中，相比 –110 dBV，該噪聲底限維持在 –120 dBV 以下(請參見圖 2)。該結(jié)果證明，在音頻轉(zhuǎn)換器上使用一個(gè)低噪聲電源軌可以提高性能。

相比轉(zhuǎn)換器，LDO 電源解決方案擁有更加低噪的輸出電壓，但是線性穩(wěn)壓器的效率較低，并且會(huì)在系統(tǒng)中引起散熱問題。因此，理想的解決方案是將轉(zhuǎn)換器的高效率同線性穩(wěn)壓器的低噪聲輸出性能相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)一種高效、低噪的電源解決方案。然而，在一些這兩種因素都很重要的應(yīng)用中，往往存在價(jià)格和空間限制。

在集成開關(guān)式轉(zhuǎn)換器和 LDO 穩(wěn)壓器中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)集成轉(zhuǎn)換器 +LDO 解決方案，例如：TPS54120。1A 開關(guān)式轉(zhuǎn)換器與 LDO 組合使用，可向音頻轉(zhuǎn)換器高效地提供低噪電源。另外，這種集成解決方案還是一種低成本的解決方案，而占用的電路板空間也更少。它擁有優(yōu)異的負(fù)載和線壓瞬態(tài)響應(yīng)性能，可在使用小型封裝時(shí)承受很寬的輸入電壓范圍，這讓它成為家庭音頻應(yīng)用的理想選擇。

使用集成開關(guān)式轉(zhuǎn)換器和 LDO 穩(wěn)壓器代替第一個(gè)測量舉例的轉(zhuǎn)換器，可以得到更加低噪的輸出電壓(請參見圖 4)。我們沒有觀測到輸出電壓噪聲或者紋波。運(yùn)用一個(gè) 12V 輸入電壓，并將輸出調(diào)節(jié)為 3.3V。在 400 mA 負(fù)載電流時(shí)對受測輸出電壓進(jìn)行測量。該電壓可以完美地驅(qū)動(dòng)整個(gè)音頻系統(tǒng)，無需擔(dān)心轉(zhuǎn)換器的噪聲和 AC 紋波。

圖 4 集成轉(zhuǎn)換器和 LDO 穩(wěn)壓器的輸出電壓紋波

圖 5 中，集成轉(zhuǎn)換開關(guān)和 LDO 穩(wěn)壓器用于為音頻 DAC 供電。穩(wěn)壓器 輸入端使用 12 伏輸入電壓。我們得到與圖 3 相同的結(jié)果。

圖 5 集成轉(zhuǎn)換器和 LDO 穩(wěn)壓器供電音頻 DAC 的示意圖

表 1 對不同解決方案的成本、電路板空間、效率和性能進(jìn)行了比較。我們發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換器 +LDO 的集成解決方案擁有高性能和高效率優(yōu)勢。

表 1 不同解決方案比較

結(jié)論

開關(guān)式電源所產(chǎn)生的 AC 紋波和開關(guān)噪聲會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，其降低了音頻 DAC 輸出的質(zhì)量。我們可以利用一些濾波技術(shù)，將音頻轉(zhuǎn)換器隔離于這些噪聲源。除噪聲以外，濾波器的效率、成本以及在音頻系統(tǒng)中所占用的電路板空間，都是重要的因素。把開關(guān)式轉(zhuǎn)換器的高效率與 LDO 的超低噪聲性能相結(jié)合，是一種理想的解決方案。另外，由于成本和電路板空間占用得到進(jìn)一步降低， 開關(guān)式轉(zhuǎn)換器 +LDO 集成解決方案比獨(dú)立解決方案更有優(yōu)勢。