如何提高音频转换器性能

数模音频转换器（音频 DAC）是一款将数字音频编码转换为模拟音频声音（例如：音乐等）的器件。在任何数字音频编码的转换过程中，进入到音频转换器器件的外部噪声耦合都会对音频带产生巨大的影响。诸如 DAC 电源的 AC 纹波和开关噪声等是被转换音频声音品质下降的主要根本原因之一。因此，高性能数模音频系统的设计要求将音频 DAC 与电源轨噪声隔离。本文中，一款结合了开关式电源高效率和线性电源超低噪声特性的集成解决方案就可以很好地解决该问题，从而提供更高的音频品质。
 
引言
 
大多数现代音频均以数字格式存储，例如：脉冲编码调制 (PCM) 和 MP3。它可以提供无损数据存储、高品质的完美拷贝、无限期存储、高灵活性以及与其他数字系统的兼容性。需要使用一款音频 DAC 将这些数字格式转换为模拟信号，从而驱动扬声器产生音频声音（模拟波）。音频放大器对转换后的音频声音进行放大，而扬声器则将其传输给听众。
 
人们通常认为将传输给听众的模拟音频声音是音频系统的最终输出结果。它的品质取决于整个音频系统，包括原始数字编码本身、音频 DAC 器件、音频功率放大器和扬声器或者耳机的质量。
 
如果我们将注意力放在音频 DAC 上，则性能的高低取决于 DAC 本身的质量，并受其他外部因素的影响。高性能音频 DAC 对外部噪声很敏感。这些外部噪声会在转换期间进入音频带。这种噪声可以来自 AC 电源纹波、射频干扰、开关噪声，甚至是音频系统其他电路组件的散热噪声。本文将探究如何通过提高 DAC 电源电压的噪声性能来最终改善音频转换器的噪声性能。
 
音频性能规范
为了对某个声音系统的噪声性能高低进行量化，我们需要测定出某些规范参数。总谐波失真 (THD) 测定音频信号回放期间音频转换器所产生的不良信号数量。如音频转换器等系统均为非理想和非线性器件，其具有单个或者多个输入和输出。它们始终都有原始输入信号失真。这种失真常常加在原始输入信号谐波上。因此，总谐波失真代表了原始信号的失真数量是衡量所有音频 DAC 性能的一个理想技术参数。
 
但是，单是总谐波失真本身而言，并没有包含 DAC 产生输出信号的其他非失真相关噪声。因此，将总谐波失真与噪声结合，便可构建起另一个测量标准，即 THD+N 规范。THD+N 准确地量化了 DAC 产生的与输入信号无关的所有噪声。这种噪声来自于电源 AC 纹波、射频干扰、开关噪声、振动以及音频系统的电路组件散热噪声。
 
人们通常用 THD+N 规范来规定音频 DAC 器件的性能，但是其未对频带范围内的 DAC 性能作深入探讨。需要使用一个 FFT 分析仪图来分析其频带内所有模拟音频信号的质量。该此类型的分析仪利用改变模拟音频输出信号的时间，并通过快速傅里叶变换 (FFT) 技术将其转换成频谱。这一测量过程显示了一款音频转换器在其整个 1 – 20 KHz 范围内的音频转换器性能，并清晰地显示了噪声和谐波失真性能。
 
电源对音频性能的影响
大多数音频应用都由一个 12V 总线的 AC 电源适配器来供电。我们必须将这种 12V 总线转换成 5V 或者 3.3V，这样才能满足音频 DAC 转换器的要求。我们可以利用一个开关式或者线性稳压器来完成这种转换。开关式稳压器较为理想，因为它们拥有较高的效率。它们的效率通常可以达到 80%-95%，可最小化系统功耗和发热量。但是，这些稳压器存在开关噪声，并在其 DC 输出电压以上有 AC 纹波电压。这两个影响降低了音频 DAC 的性能。图 1 显示了一个开关式转换器的典型输出电压。
 

 
图 1  转换器的典型输出电压纹波
 
电源 AC 纹波和噪声越高，它对声音品质产生的不利影响也就越大。输入噪声和纹波可以进入 IC 本身，并通过在转换过程期间进入音频带来影响性能，干扰内部偏压、时钟、振荡器等。它们还可以通过电路板布局耦合至输出。另外，整体音频系统（包括功率音频放大器和扬声器）的性能均受到影响。因此，电源噪声会极大地降低输出音频声音的品质。
 
图 2 中的例子显示了一个音频 DAC（例如：PCM5102）的最终性能，其直接由一个 3.3V 开关式稳压器供电。通过将一个标准的 1-kHz 测试音施加于 DAC 的数字输入，以进行测试。使用音频精度 (AP) 分析仪测试设备来进行测量。本例中，模拟音频输出信号的 FFT 图表明左右信道之间存在差异，原因是两条信道的噪声底限不同。THD+N 结果显示，带有噪声的电源极大降低了输出音频信号的品质。
 

  
图 2 使用转换器供电的正弦波音频信号的 FFT 频谱分析图和 THD+N 测量

将开关噪声和纹波与 DAC 的电源轨隔离，可以实现更高的音频性能。给转换器输出添加额外滤波，可以帮助减少一定的噪声。但是，一些精密型滤波器过于豪华、复杂且占用空间更多。另外，大多数滤波器都存在功耗和负载调节问题，并且瞬态响应能力较差。利用一个线性稳压器 (LDO) 将 12V 输入总线转换为 3.3V，可以极大地减少纹波和噪声，从而达到更高的音频性能。使用 LDO 的缺点是设计的效率较低且功耗更高。
 
图 3 显示了通过一个 LDO 供电的音频 DAC 的 FFT 图。同前面的测试一样，我们给该 DAC 的光输入施加一个 1-KHz 正弦音频信号。测试条件与前面一样，并使用相同的音频精度测试设备作为测量工具，可得到如下 FFT 结果和 THD+N 测量情况。
 

 
图 3  通过一个 LDO 供电的正弦波音频信号音频 DAC 的 FFT 图频谱分析和 THD+N 测量结果
 
使用 LDO 低噪电源轨可以将声音品质提高约 8 dB。图 3 表明 THD+N 将超过 93 dB。另外，观察 FFT 频谱分析仪图后，我们发现，噪声底限得到极大降低。谐波很容易辨认，其取决于器件的性能。在其大部分频率带宽中，相比 –110 dBV，该噪声底限维持在 –120 dBV 以下（请参见图 2）。该结果证明，在音频转换器上使用一个低噪声电源轨可以提高性能。
 
相比转换器，LDO 电源解决方案拥有更加低噪的输出电压，但是线性稳压器的效率较低，并且会在系统中引起散热问题。因此，理想的解决方案是将转换器的高效率同线性稳压器的低噪声输出性能相结合，从而实现一种高效、低噪的电源解决方案。然而，在一些这两种因素都很重要的应用中，往往存在价格和空间限制。
 
在集成开关式转换器和 LDO 稳压器中，我们会发现一个集成转换器 +LDO 解决方案，例如：TPS54120。1A 开关式转换器与 LDO 组合使用，可向音频转换器高效地提供低噪电源。另外，这种集成解决方案还是一种低成本的解决方案，而占用的电路板空间也更少。它拥有优异的负载和线压瞬态响应性能，可在使用小型封装时承受很宽的输入电压范围，这让它成为家庭音频应用的理想选择。
 
使用集成开关式转换器和 LDO 稳压器代替第一个测量举例的转换器，可以得到更加低噪的输出电压（请参见图 4）。我们没有观测到输出电压噪声或者纹波。运用一个 12V 输入电压，并将输出调节为 3.3V。在 400 mA 负载电流时对受测输出电压进行测量。该电压可以完美地驱动整个音频系统，无需担心转换器的噪声和 AC 纹波。
  

 
图 4 集成转换器和 LDO 稳压器的输出电压纹波
 
图 5 中，集成转换开关和 LDO 稳压器用于为音频 DAC 供电。稳压器 输入端使用 12 伏输入电压。我们得到与图 3 相同的结果。
 

 
图 5 集成转换器和 LDO 稳压器供电音频 DAC 的示意图
表 1 对不同解决方案的成本、电路板空间、效率和性能进行了比较。我们发现，转换器 +LDO 的集成解决方案拥有高性能和高效率优势。
 
表 1 不同解决方案比较：

 
结论
开关式电源所产生的 AC 纹波和开关噪声会产生负面影响，其降低了音频 DAC 输出的质量。我们可以利用一些滤波技术，将音频转换器隔离于这些噪声源。除噪声以外，滤波器的效率、成本以及在音频系统中所占用的电路板空间，都是重要的因素。把开关式转换器的高效率与 LDO 的超低噪声性能相结合，是一种理想的解决方案。另外，由于成本和电路板空间占用得到进一步降低， 开关式转换器 +LDO 集成解决方案比独立解决方案更有优势。