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(lè)等）的器件。在任何數(shù)字音頻編碼的轉(zhuǎn)換過(guò)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(duì)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(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(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)。
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引言
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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(wú)損數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、高品質(zhì)的完美拷貝、無(wú)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(hào)，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(duì)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(tīng)眾。
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人們通常認(rèn)為將傳輸給聽(tīng)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。
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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(duì)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(lái)自 AC 電源紋波、射頻干擾、開(kāi)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(guò)提高 DAC 電源電壓的噪聲性能來(lái)最終改善音頻轉(zhuǎn)換器的噪聲性能。
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音頻性能規(guī)范
為了對(duì)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(cè)定出某些規(guī)范參數(shù)。總諧波失真 (THD) 測(cè)定音頻信號(hào)回放期間音頻轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的不良信號(hào)數(shù)量。如音頻轉(zhuǎn)換器等系統(tǒng)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(hào)失真。這種失真常常加在原始輸入信號(hào)諧波上。因此，總諧波失真代表了原始信號(hào)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)。
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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(hào)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(cè)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(hào)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(tǒng)的電路組件散熱噪聲。
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人們通常用 THD+N 規(guī)范來(lái)規(guī)定音頻 DAC 器件的性能，但是其未對(duì)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(lái)分析其頻帶內(nèi)所有模擬音頻信號(hào)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(hào)的時(shí)間，并通過(guò)快速傅里葉變換 (FFT) 技術(shù)將其轉(zhuǎn)換成頻譜。這一測(cè)量過(guò)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。
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電源對(duì)音頻性能的影響
大多數(shù)音頻應(yīng)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(zhuǎn)換成 5V 或者 3.3V，這樣才能滿(mǎn)足音頻 DAC 轉(zhuǎn)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(wěn)壓器來(lái)完成這種轉(zhuǎn)換。開(kāi)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(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(zhuǎn)換器的典型輸出電壓。
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圖 1? 轉(zhuǎn)換器的典型輸出電壓紋波
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電源 AC 紋波和噪聲越高，它對(duì)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(zhuǎn)換過(guò)程期間進(jìn)入音頻帶來(lái)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(guò)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)。
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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(wěn)壓器供電。通過(guò)將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 1-kHz 測(cè)試音施加于 DAC 的數(shù)字輸入，以進(jìn)行測(cè)試。使用音頻精度 (AP) 分析儀測(cè)試設(shè)備來(lái)進(jìn)行測(cè)量。本例中，模擬音頻輸出信號(hào)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(hào)的品質(zhì)。
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圖 2 使用轉(zhuǎn)換器供電的正弦波音頻信號(hào)的 FFT 頻譜分析圖和 THD+N 測(cè)量

將開(kāi)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(guò)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(wèn)題，并且瞬態(tài)響應(yīng)能力較差。利用一個(gè)線(xiàn)性穩(wěn)壓器 (LDO) 將 12V 輸入總線(xiàn)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。
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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(cè)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(hào)。測(cè)試條件與前面一樣，并使用相同的音頻精度測(cè)試設(shè)備作為測(cè)量工具，可得到如下 FFT 結(jié)果和 THD+N 測(cè)量情況。
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圖 3? 通過(guò)一個(gè) LDO 供電的正弦波音頻信號(hào)音頻 DAC 的 FFT 圖頻譜分析和 THD+N 測(cè)量結(jié)果
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