音频“解码器”中最核心、重要的器件,无非就是“解码”(DAC,数模转换)芯片了,大家常常很关注音频DAC芯片的选用,也热衷于对其优劣的讨论。
本文尝试对当前最优秀的高端音频DAC芯片的结构、技术和性能等做简单介绍,作一个排名,以供大家参考。
尽管如此,任何一个优质的音频DAC芯片(无关排名),都有可能被用来实现整机的好声音。
想必,我们要客观地认识DAC芯片的重要性,更要客观地认识芯片的整机配合的重要性。
所以,本文并不提倡唯“芯”主义。
1音频DAC芯片的类型1970年代,开始有了单片集成电路(IC)的DAC,就算是开启了DAC的芯片时代。
而最早的DAC芯片是从使用加权电阻的结构,双极晶体管的工艺(处理)技术开始的。
1975年的8位DAC芯片DAC08,摘自 《The Data Conversion Handbook》, ANALOG DEVICES, 20051)分压式在音频应用,传统的技术是使用分压式结构的(R-2R是分压式的一个特例),多位(并行输入)的PCM(脉冲编码调制)数据格式,为了改善精度和提高速度,降低功耗,工艺逐步采用互补双极集体管、薄膜电阻加激光矫正和现在的CMOS电路等。
这类芯片中,著名的有如Burr-Brown公司(2000年被Texas Instruments收购)R-2R结构的几款芯片:PCM63:支持20位/96kHz的PCM音频信号,动态范围108dB;PCM1702:1995年推出,20位,动态范围110dB;PCM1704:1999年推出,24位,动态范围112dB。
这些芯片都采用了一些特别手段来改善性能,如使用“符号量级(sign-magnitude)”架构在零位附近采用小的级差、互补的两套DAC电路来产生绝对的电流,激光矫正的电阻等措施,来减少过零失真和差分误差。
R-2R DAC芯片PCM1704,摘自《PCM1704 24-Bit, Datasheet》,Burr-Brown Corporation, February, 1999Philips半导体公司(2006年与Motorola半导体合并成立成为NXP半导体公司)还推出了的数字流(串行输入)的DAC芯片如:TDA1541/TDA1541A:16位,推出时间分别为1985年和1991年,信噪比95dB和110dB,使用10位+6位的分压器,其中低位6位使用3个2位进行轮换,实现动态元件适配(DEM)功能,来降低失真,TDA1541A按差分线性误差从高到低还分为/N2/R1、/N2和/N2/S1的级别;TDA1547:1991年推出,1位(支持20位PCM信号),信噪比113dB,动态范围108dB,需与SAA7350数字流电路配合使用。
分离芯片的布局和独立声道设计,有很好的声道分离度(115dB),通过切换电容分压网络来进行数模转换,很适合当时的高端CD机等设备使用。
数字流DAC芯片TDA1547框图,摘自《 TDA1547 Datasheet》 Philips Semiconductors, September 19912)Sigma-Delta性能更好(动态范围更大、噪声和失真更小)、数量更多的是,使用多位Sigma-Delta调制器的,音频DAC芯片。
有名的有如:美国Analog Devices(AD)公司的AD1955;美国Cirrus Logic(CL)公司的CS43xx系列,英国Wolfson半导体公司(2014年被Cirrus Logic收购)的WM87xx系列,美国Texas Instruments(TI)公司的PCM179x和DSD179x系列,美国ESS公司的SABRE SOUND技术品牌下的ES90xx和ES90xxPRO系列,日本Asahi Kasei Microdevices(AKM)公司,2007年的全球第一款32位的AK4397,和之后VELVET SOUND技术品牌下的AK44xx系列,等等。
当下,ESS、AKM、Cirrus Logic、Texas Instrument等公司是目前高端音频DAC芯片的主要供应厂商。
3)FPGA/CPLD随着芯片技术的进步,实现DAC功能的方法也有更多的选择,FPGA(现场可编程门阵列)或CPLD(复杂可编程逻辑器件)可以用来按设计人的需要来实现DAC的功能。
这类器件的厂商主要是美国的Xilinx和Intel(被收购的Altera)公司。
主流芯片由于技术的局限,R-2R DAC芯片在性能上再提高有很大的困难,FPGA或CPLD来实现DAC技术细节不统一,而采用Sigma-Delta技术的芯片,由于动态范围大、噪声低、CMOS电路成本低且容易在片上增加其它处理功能等优势,是目前音频市场也是高端音频市场的主流芯片。
2芯片构成音频DAC芯片的构成主要有以下几种形态:1)基本DAC音频DAC芯片最基本的功能部件,是一个多路转换器接收各种格式的音频信号(DSD或PCM)、过采样和数字滤波器、调制器和数模转换输出等。
AKM公司的AK4499、AK4497和Texas Instruments公司DSD1794等芯片就是采用这样的构成的,如下图所示:基本DAC芯片构成这样的芯片需要和外部的数字音频接收芯片配合使用,才能接收如SPDIF(索尼飞利浦数字接口或索尼飞利浦数字互联格式)/AES(美国音响工程协会)/EBU(欧洲广播联盟)等标准下的串行音频数据。
Cirrus Logic公司的CS8416就是一款典型的数字音频接收芯片。
数字音频接收芯片CS8416框图,摘自《CS8416 Datasheet》,Cirrus Logic, Inc. AUGUST '07.2)带数字音频接收器有的芯片会把数字音频接收器集成到同一个DAC芯片中,如ESS的ES9038PRO、ES9028PRO等,集成了一个SPDIF功能块。
这样,采用更高程度SoC(片上解决方案)设计思路带来的好处,不仅可以减少芯片数量、减少电路板的占用面积、减少外部干扰、减少耗电等,更重要的是,可以更方便地进行数据处理,来实现一些技术手段。
带SPDIF接收器的DAC芯片SPDIF数字音频接收器设置比较3)独立调制和独立数模转换芯片如目前尚未上市的AKM的AK4191,是一个独立的64位调制器,支持DSD1024和高达1536kHz采样频率的PCM信号,与AK4498独立数模转换芯片组合使用,可以实现高密度的音频播放。
4)片上解决方案(SoC)芯片如Cirrus Logic公司的CS43131、CS43198等,在基本DAC功能块后,附带了模拟滤波器,可以直接输出模拟信号;如ESS公司的ES9219、ES9080,AKM的AK4377A等,附带功率较大的模拟放大器,可直接接入耳机;再如ESS的ES9038Q2M等,采用低功耗设计。
SoC设计简化整机组成和材料,体积减小,降低成本。
这些芯片是以应用为导向的,比如面向移动电话或移动设备使用等。
3技术手段目前高端音频DAC芯片,几乎都是使用了性能较好的多位Sigma-Delta调制器的,采用了如过采样和数字滤波、噪声整形、动态元件适配(DEM)等技术。
除此以外,各厂商还开发出了各自的技术,来进一步提高芯片的整体性能。
1)异步采样率转换(ASRC)技术常规芯片跟踪音频时钟的方式是使用PLL(锁相环)技术。
下图所示,是一个典型的PLL电路原理图。
PLL实质是一个反馈电路,用来跟踪输入信号的时钟和变化。
常规PLL电路原理图,摘自《CS8416 Datasheet》,Cirrus Logic, Inc. AUGUST '07.通过仔细的设计和元器件的选择,PLL可以实现很好的时钟跟踪的性能,并控制Jitter(时基抖动)在较小的水平。
但是,PLL电路的性能容易受信号质量、传送线路质量、器材、干扰和速度等因素的影响,在高速的状态下性能受限制。
ESS公司使用了异步采样率转换的技术,通过适当的计算,使DAC的时钟与音频信号时钟保持一致但与暂态变化脱离,芯片使用本地产生的时钟信号,DAC的Jitter仅取决于本地晶振的固有性能,实质性地来消除信号中和传输中的Jitter,降低对前端信号质量、连接线、器材等的要求。
ESS公司Sabre DAC的SPDIF接口能够达到很宽裕的Jitter容忍度。
Sabre DAC的Jitter消除电路原理图,摘自《 about Jitter》AMM ESS, October 2011;芯片不同时钟