分析音频DAC抖动灵敏度

本应用笔记描述了采样时钟抖动（时间间隔误差或“TIE抖动”）如何影响Δ数模转换器（DAC）的性能。新的见解解释了在这些器件中分别指定低频（< 2x 通带频率）和高频或宽带（> 2x 通带频率）抖动容限的重要性。本文还提供了一个简单的高度抖动周期跳跃采样时钟的应用示例，并描述了一种生成适当宽带抖动时钟的方法。然后，本文将Maxim的音频DAC抖动容限与竞争对手的音频DAC进行比较。Maxim具有极高的抖动容限，可实现非常简单、低成本的采样时钟实现。

高性能音频数模转换器（DAC）传统上需要一个非常干净的采样主时钟（MCLK），以避免音频质量下降。时钟源通常直接来自晶体振荡器，其产生的抖动通常小于100ps。在某些系统中，音频过采样频率（通常是3.072MHz或2.8224MHz的倍数）不是晶体振荡器参考频率的方便部分。虽然这些系统可以实现小数N分频PLL来创建所需的音频MCLK频率，但这种基于PLL的频率基准通常具有多个参考频率杂散和大量的低频抖动。此外，这些基于PLL的频率基准通常无法在不超过所需引脚数、面积或功耗目标的情况下使抖动足够低。然而，有一个解决这一困境的办法。可以容忍高抖动的音频DAC允许在此类系统中使用更简单的采样时钟基准。

了解抖动容限

高抖动容限很重要，因为它：

在存在抖动的情况下最大限度地提高音频信号质量

通过使用更简单的抖动时钟源降低系统复杂性或物料清单 （BOM）

无需高频 MCLK，从而降低功耗和电磁干扰 （EMI）

目前没有评估抖动容限的标准方法。音频精度 2700 （AP2700） 音频分析仪可以产生时钟抖动，但它产生的大部分是低频抖动（主要低于奈奎斯特音频采样率），如图 1 所示。

图1.AP5 产生的 2700ns “宽带”抖动频谱。

抖动容限测试设置

使用两个不同的抖动时钟源来比较多个DAC的抖动灵敏度。第一个抖动时钟是来自12MHz基准的288.25MHz周期跳跃时钟。这在11kHz以上产生~40ns的抖动，在0kHz以下产生~37.40ns的抖动。该 时钟 是 使用 NI PXI-5421® 100MHz 任意 波形 发生 器 （ARB） 创建 的， 该 发生 器 提供 所需 的 时钟 模式。

第二个抖动时钟是使用相同的ARB创建的宽带白色抖动时钟。ARB产生一个6.144MHz的正弦波，并增加白噪声，然后通过MAX999比较器馈送，产生具有大量宽带抖动的方波时钟。

使用LeCroy WaveRunner® 104MXI-A 1GHz示波器使用时间间隔误差（TIE）抖动测量来测量抖动。上升沿和下降沿在两个测试文件中都会抖动。

为此评估创建的宽带抖动时钟具有真正的宽带（白色）抖动频谱，适用于评估对宽带抖动的灵敏度。参见图 2、3 和 4。这种真正的白色抖动频谱不太可能在实际应用中找到;但是，这是一个很好的抖动容限测试，因为它将揭示任何特定频率范围内的抖动敏感性。

图2.用于此分析的宽带 5.9ns RMS 白抖动频谱。

图3.5.9ns宽带抖动直方图。

图4.示波器捕获3.072MHz时钟，具有5.9ns宽带白抖动。

本研究使用的跳周期时钟如图5所示，该时钟的抖动频谱如图6和图7所示。该周期跳跃时钟测试表明，DAC可以容忍非常容易生成、极其抖动的时钟，而无需PLL。只需少量逻辑即可跳过任何频率基准的时钟周期，以生成任何（较低频率）采样时钟。这种类型的时钟生成不需要滤波或反馈环路。

图5.12.288MHz MCLK与周期跳跃的25MHz时钟的瞬态图。

图6.从12MHz参考时钟周期跳过的288.25MHz MCLK抖动频谱。

图7.周期跳跃时钟的低频抖动频谱。

Maxim的几个器件，包括音频编解码器（MAX98089和MAX98096）和MAX98355/MAX98356功率放大器，都受益于高抖动容限DAC。 这些器件的额定值可在 0 至 5kHz 频段内承受高达 0.40ns 的抖动，在 12kHz 频段上可承受 40ns 的抖动。有了这个抖动量，这些器件将显示以下抖动引起的性能限制（不包括电路噪声）：

-108dB THD+N，1kHz 满量程音调

-96.5dB THD+N，6kHz满量程音调

-87dB THD+N，20kHz 满量程音调

105dB 动态范围和信噪比 （SNR）

THD+N性能结果仅受低频抖动（<40kHz）的影响。而动态范围和信噪比仅受高频抖动（> 40kHz）的影响。

图8、9、10和11显示了Maxim MAX98355功率放大器使用高抖动时钟源测量的音频性能与一组竞争DAC的比较。除竞争对手 2 外，所有这些竞争部件都声称它们对时钟抖动不敏感，但没有提供抖动容限规格。

抖动容限测试结果

图8.动态范围下降，11.5ns RMS周期跳跃时钟抖动。

注意，MAX98355的动态范围不会随着周期跳跃的抖动时钟而降低。因此，MAX98355在时钟抖动时的性能比“120dB DAC”高出20dB以上。

图9.宽带白抖动导致动态范围下降。

竞争对手 3 的 5.5ns 和 9.3ns 抖动性能以及竞争对手 5 的 9.2ns 抖动性能是外推的，因为该器件在这些抖动电平下实际上无法正常工作;它们开始下降位，实际测量的动态范围低于该图所示。

图 10.1kHz THD+N 性能随时钟抖动而下降。

图 11.20kHz THD+N 性能随时钟抖动而下降。

结论

本应用笔记介绍了一种测试音频DAC抖动容限的方法。音频DAC对低频和高频频段抖动的响应不同，因此有助于分别指定抖动频谱这两个频段的容差。容忍高抖动的DAC允许更简单的采样时钟实现，而不会降低音频质量。

审核编辑：郭婷