16位PCM音頻DAC AD1856：高性能音頻解決方案

在音頻設(shè)備的世界中，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）起著至關(guān)重要的作用。它決定了音頻信號(hào)從數(shù)字形式轉(zhuǎn)換為模擬形式的質(zhì)量，進(jìn)而影響到我們聽到的聲音的純凈度和真實(shí)感。今天，我們就來詳細(xì)探討一款高性能的16位PCM音頻DAC——AD1856。

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一、AD1856概述

AD1856是一款單片、16位脈沖編碼調(diào)制（PCM）音頻DAC。它集成了電壓輸出放大器、16位DAC、16位串行轉(zhuǎn)并行輸入寄存器和電壓基準(zhǔn)。數(shù)字部分采用了ADI公司的BiMOS II工藝的CMOS邏輯元件，模擬部分則使用了雙極型和MOS器件以及薄膜電阻。這種電路元件的組合加上精心的設(shè)計(jì)和布局技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高性能的音頻播放。

1. 主要特性

• 低失真：總諧波失真（THD）僅為0.0025%，經(jīng)過激光微調(diào)線性誤差，可實(shí)現(xiàn)極低的總諧波失真。這意味著在音頻播放過程中，能夠最大程度還原音頻的原始信號(hào)，減少失真。想象一下，聽一首古典音樂，低失真能讓你清晰地聽到每一個(gè)樂器的聲音，感受到音樂的原汁原味。
• 快速穩(wěn)定：輸出放大器具有快速穩(wěn)定和高轉(zhuǎn)換速率，能在負(fù)載電流高達(dá)±8 mA時(shí)提供完整的±3 V信號(hào)。輸出穩(wěn)定時(shí)間僅為1.5 μs，允許2×、4×和8×過采樣，這對(duì)于處理不同采樣率的音頻信號(hào)非常重要。就好比在處理高采樣率的音頻文件時(shí)，能夠快速準(zhǔn)確地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，保證音質(zhì)的流暢性。
• 寬電源范圍：可在±5 V至±12 V電源下工作，適用于便攜式和家用市場(chǎng)。同時(shí)，數(shù)字電源和模擬電源可以分開，以減少數(shù)字串?dāng)_，還提供了獨(dú)立的模擬和數(shù)字接地引腳。不同的設(shè)備可能有不同的電源要求，AD1856的寬電源范圍使其能夠適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)景。
• 超線性性能：提供可選的微調(diào)功能，允許超線性操作，可消除中規(guī)模處的殘余差分線性誤差，這對(duì)于低幅度信號(hào)的低失真重建尤為重要。在處理低音量的音頻信號(hào)時(shí)，能夠保證信號(hào)的質(zhì)量不受影響。
• 串行輸入接口：與消費(fèi)音頻產(chǎn)品中常用的數(shù)字濾波器芯片兼容，輸入時(shí)鐘可支持10 MHz的時(shí)鐘速率。這種兼容性使得AD1856可以方便地與其他音頻設(shè)備集成，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

• 光盤播放器：無論是便攜式CD播放器還是家用CD播放機(jī)，AD1856都能提供高質(zhì)量的音頻轉(zhuǎn)換，讓你享受清晰、純凈的音樂。
• 數(shù)字音頻放大器：為音頻放大器提供準(zhǔn)確的模擬信號(hào)，增強(qiáng)音頻的放大效果。
• DAT錄音機(jī)和播放器：在數(shù)字音頻磁帶的錄制和播放過程中，保證音頻信號(hào)的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換和還原。
• 合成器和鍵盤：為音樂創(chuàng)作和演奏設(shè)備提供高質(zhì)量的音頻輸出，滿足專業(yè)音樂人的需求。

二、工作原理

1. 整體架構(gòu)

從功能框圖來看，AD1856包含電壓基準(zhǔn)、輸出放大器、16位DAC、16位輸入鎖存器和16位串行轉(zhuǎn)并行輸入寄存器。電壓基準(zhǔn)由帶隙電路和緩沖放大器組成，能產(chǎn)生隨時(shí)間和溫度變化穩(wěn)定的輸出電壓。這就好比是整個(gè)電路的“穩(wěn)定器”，為后續(xù)的信號(hào)處理提供了穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

2. 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換

16位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器采用分段解碼器和R - 2R架構(gòu)的組合，以實(shí)現(xiàn)一致的線性度和差分線性度。形成梯形結(jié)構(gòu)的電阻采用硅鉻薄膜制造，并通過激光微調(diào)進(jìn)一步降低線性誤差，從而實(shí)現(xiàn)低輸出失真。這種結(jié)構(gòu)就像是一個(gè)精確的“翻譯官”，準(zhǔn)確地將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。

3. 輸出放大器

輸出放大器使用MOS和雙極型器件，實(shí)現(xiàn)低失調(diào)、高轉(zhuǎn)換速率和最佳穩(wěn)定時(shí)間。結(jié)合片上反饋電阻，可將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出。它起到了將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行放大和優(yōu)化的作用，確保輸出的信號(hào)能夠滿足后續(xù)設(shè)備的要求。

三、電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1. 接地建議

AD1856有模擬和數(shù)字兩個(gè)接地引腳（AGND和DGND）。模擬接地引腳是器件模擬部分的高質(zhì)量接地參考點(diǎn)，數(shù)字接地引腳用于返回?cái)?shù)字邏輯部分的接地電流。兩個(gè)引腳都應(yīng)直接連接到單個(gè)實(shí)心接地平面，并合理布局元件，避免模擬和數(shù)字返回電流相互交叉。良好的接地設(shè)計(jì)可以減少干擾，提高信號(hào)的完整性，就像為電路搭建了一個(gè)穩(wěn)定的“地基”。

2. 電源供應(yīng)和解耦

AD1856有四個(gè)電源輸入引腳。(+V{s}) 和 (-V{s}) 為DAC的線性部分（包括電壓基準(zhǔn)、輸出放大器和控制放大器）提供電源，可在±5 V至±12 V范圍內(nèi)工作。(+V{L}) 和 (-V{L}) 為芯片的數(shù)字部分（包括輸入移位寄存器和輸入鎖存電路）供電，同樣在±5 V至±12 V范圍內(nèi)工作，但需滿足 (+V{L}) 不大于 (+V{S}) ， (-V{L}) 不小于 (-V{s}) 的條件。所有電源引腳都應(yīng)使用去耦電容，并盡量靠近封裝引腳。合理的電源設(shè)計(jì)可以保證電路的正常工作，避免電源波動(dòng)對(duì)音頻信號(hào)產(chǎn)生影響。

3. 總諧波失真測(cè)試

ADI公司基于THD性能對(duì)所有AD1856器件進(jìn)行測(cè)試和分級(jí)。測(cè)試時(shí)，將代表0 dB、 - 20 dB或 - 60 dB正弦波的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流以4× fS速率（176.4 kHz）發(fā)送到被測(cè)設(shè)備，頻率為990.5 Hz。自動(dòng)測(cè)試設(shè)備對(duì)輸出測(cè)試波形的4096個(gè)樣本進(jìn)行數(shù)字化處理，進(jìn)行4096點(diǎn)FFT，根據(jù)990.5 Hz輸出波的前九次諧波計(jì)算總諧波失真。通過這種嚴(yán)格的測(cè)試，能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。

4. 可選的MSB調(diào)整

對(duì)于低輸出電平下的最佳性能，可以使用可選的MSB調(diào)整電路來消除中規(guī)模周圍的殘余差分線性誤差。當(dāng)信號(hào)幅度減小時(shí)，中規(guī)模差分線性誤差與信號(hào)幅度的比值會(huì)增加，THD也會(huì)增加，使用該電路可以有效改善這一問題。這就像是對(duì)電路進(jìn)行“微調(diào)”，讓它在不同的工作條件下都能發(fā)揮最佳性能。

5. 數(shù)字電路考慮

數(shù)據(jù)以16位字的串行、MSB優(yōu)先格式傳輸?shù)紸D1856，需要數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和鎖存使能三個(gè)信號(hào)。輸入數(shù)據(jù)位在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿時(shí)鐘進(jìn)入輸入寄存器，第16個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)鐘輸入LSB。所有數(shù)據(jù)位加載完成后，一個(gè)下降沿的鎖存使能脈沖更新DAC輸入。AD1856的輸入引腳與TTL和5 V CMOS兼容，輸入時(shí)鐘可運(yùn)行在10 MHz的速率，允許2×、4×或8×過采樣重建。在設(shè)計(jì)數(shù)字電路時(shí)，要嚴(yán)格按照這些時(shí)序要求進(jìn)行，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和處理。

四、應(yīng)用架構(gòu)

1. 單系統(tǒng)單DAC架構(gòu)

在典型的第一代數(shù)字音頻系統(tǒng)中，每個(gè)系統(tǒng)使用一個(gè)AD1856來再現(xiàn)立體聲通道。輸入數(shù)據(jù)以左聲道數(shù)據(jù)和右聲道數(shù)據(jù)交替的格式輸入，AD1856的輸出在左聲道和右聲道輸出采樣保持放大器（SHAs）之間切換。這種架構(gòu)適用于低端家用或便攜式系統(tǒng)，但由于多路復(fù)用輸出中引入的相位延遲，在中高質(zhì)量數(shù)字音頻再現(xiàn)中的應(yīng)用受到限制。可以通過引入第三個(gè)非反相SHA來延遲一個(gè)聲道的輸出，以恢復(fù)同時(shí)再現(xiàn)，消除相移。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的系統(tǒng)要求來選擇是否采用這種架構(gòu)以及是否需要進(jìn)行相移補(bǔ)償。

2. 每通道單DAC架構(gòu)

為了消除左右聲道之間的相位延遲，每個(gè)聲道使用一個(gè)DAC。在這種架構(gòu)中，左聲道和右聲道的輸入數(shù)據(jù)位流同時(shí)發(fā)送并鎖存到每個(gè)DAC中，適用于更高性能的數(shù)字音頻播放單元。這種架構(gòu)能夠提供更準(zhǔn)確的聲道分離和更好的音頻質(zhì)量，對(duì)于對(duì)音質(zhì)要求較高的設(shè)備是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

3. 每通道雙DAC架構(gòu)（四DAC系統(tǒng)）

在這種架構(gòu)中，每個(gè)聲道使用兩個(gè)DAC，每個(gè)DAC再現(xiàn)輸出波形的一半。優(yōu)點(diǎn)是中規(guī)模差分線性誤差不再影響波形的過零點(diǎn)，將其影響轉(zhuǎn)移到輸出波形過±3/4滿量程的點(diǎn)，從而大大提高了低幅度信號(hào)的THD性能。但需要一個(gè)VLSI電路將輸入數(shù)據(jù)分離成每個(gè)DAC所需的適當(dāng)形式。在一些對(duì)低幅度信號(hào)處理要求較高的專業(yè)音頻設(shè)備中，可以考慮采用這種架構(gòu)。

五、過采樣技術(shù)

1. 過采樣的概念

過采樣是指重建頻率是原始量化數(shù)據(jù)速率的整數(shù)倍（2倍或更多）的播放技術(shù)。例如，在光盤立體聲數(shù)字音頻播放單元中，原始量化數(shù)據(jù)采樣率為44.1 kHz，常見的過采樣率為2× fS或4× fS，分別產(chǎn)生88.2 kHz和176.4 kHz的重建率。過采樣技術(shù)通過提高重建頻率，使得低通濾波器的設(shè)計(jì)更加容易，降低了成本和失真。

2. 過采樣的優(yōu)勢(shì)

過采樣可以減輕通常跟隨重建DAC的低通濾波器的性能約束。在從采樣數(shù)據(jù)重建的信號(hào)中，輸出頻譜會(huì)引入不期望的頻率分量，這些分量以重建頻率為中心。使用更高的過采樣率可以使最低不期望的頻率分量升高，從而可以使用更簡(jiǎn)單的濾波器來去除這些分量，降低濾波器的階數(shù)，減少失真并降低成本。在設(shè)計(jì)音頻系統(tǒng)時(shí)，合理選擇過采樣率可以優(yōu)化系統(tǒng)的性能和成本。

3. 實(shí)現(xiàn)8× fS過采樣

使用Yamaha YM3414數(shù)字濾波器芯片和兩個(gè)AD1856音頻DAC可以實(shí)現(xiàn)8× fS過采樣。使用16.9344 MHz時(shí)鐘，可實(shí)現(xiàn)極高性能的8×過采樣率，并且可以使用較低階的低通濾波器而不犧牲性能。DAC輸入數(shù)據(jù)通過YM3414上的專用左右聲道輸出引腳同時(shí)傳輸?shù)紻AC的輸入寄存器，并提供可選的采樣保持信號(hào)。這種組合為高性能音頻系統(tǒng)提供了一種有效的解決方案。

六、產(chǎn)品規(guī)格和訂購信息

1. 規(guī)格參數(shù)

AD1856在 (T{A}=25^{circ} C) ， (V{L}= pm 5 ~V) ， (V{S}= pm 5 ~V) 條件下有一系列典型參數(shù)，如分辨率為16位，輸入電壓高（VH）為2.4 V至 (+V{L}) ，輸入電壓低（VL）為0至0.8 V等。這些參數(shù)為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了重要的參考依據(jù)，確保電路能夠在合適的條件下正常工作。

2. 絕對(duì)最大額定值

包括電源電壓、數(shù)字輸入電壓等的絕對(duì)最大額定值，超過這些額定值可能會(huì)對(duì)器件造成永久性損壞。在使用AD1856時(shí)，必須嚴(yán)格遵守這些額定值，以保證器件的可靠性和穩(wěn)定性。

3. 訂購指南

提供了不同型號(hào)的AD1856，如AD1856RZ、AD1856RZ - REEL等，每個(gè)型號(hào)有不同的溫度范圍、滿量程輸出時(shí)的THD和封裝選項(xiàng)。工程師可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的型號(hào)。

AD1856以其高性能、低失真、寬電源范圍和多種應(yīng)用架構(gòu)等特點(diǎn)，成為了音頻設(shè)備設(shè)計(jì)中的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和要求，合理考慮電路設(shè)計(jì)、應(yīng)用架構(gòu)和過采樣技術(shù)等方面，以充分發(fā)揮AD1856的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的音頻播放。你在使用類似的DAC過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。