新唐NAU8402立体声24位DAC：音频设计的理想选择

在音频设备的设计中，数模转换器（DAC）的性能直接影响着音频的质量。新唐科技的NAU8402是一款高品质的24位立体声DAC，具备2Vrms的模拟输出能力，在音频设计领域有着广泛的应用前景。今天，我们就来深入了解一下这款产品。

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一、产品概述

NAU8402是一款高性能的24位立体声DAC，它仅需3.3V单电源供电，却能实现2Vrms的模拟输出。其集成的电荷泵可实现真正的接地参考输出，输出电平高达5.6Vpp。同时，该器件具备自动消除爆音/咔哒声的功能，对电源和系统噪声有很强的抗干扰能力，能有效降低外部元件成本，实现快速高效的系统集成。工作温度范围为-40°C至+85°C，还可根据需求提供符合AEC - Q100和TS16949标准的产品。

二、产品特性

音频性能卓越

• 高信噪比与低失真：A加权信噪比可达98dB，总谐波失真加噪声（THD + N）低至 - 82dB，能为用户带来纯净、清晰的音频体验。
• 出色的电源抑制比：在1kHz时，电源抑制比（PSRR）达到68dB，有效减少电源噪声对音频信号的干扰。
• 高通道分离度：1kHz时通道分离度高达108dB，确保左右声道信号的独立性，避免串音问题。

灵活的接口与高采样率

• I2S接口：支持作为I2S从设备，采样率最高可达96kHz，可根据时钟频率比灵活调整。
• 多时钟支持：支持12.288MHz、24.576MHz、11.290MHz和22.579MHz等主时钟频率，还具备自动速率检测功能，可适应不同采样率的需求。

其他特性

• 低功耗与低电压：标称工作电压为3.3V，降低了系统的功耗和成本。
• 外部元件少：集成度高，减少了外部元件的使用数量，简化了电路设计。
• 高抗噪性：对系统噪声有很强的免疫力，保证了音频信号的稳定性。
• 环保封装：采用16引脚TSSOP绿色/无铅（ROHS）封装。

三、引脚配置与功能

引脚配置

NAU8402共有16个引脚，涵盖了模拟和数字信号的输入输出以及电源、时钟等功能引脚。

引脚功能

引脚名称	引脚编号	功能描述	类型（A/D）	引脚类型
VSSA	1	模拟地	A	O
VDDA	2	模拟电源	A	I
VREF	3	解耦内部模拟中间电源参考	A	O
/MUTE	4	静音使能，高电平禁用静音	D	I
FS	5	帧同步	D	I
DACIN	6	数字音频数据输入	D	I
BCLK	7	位时钟	D	I
MCLK	8	主时钟	D	I
VDDB	9	数字IO电源	D	I
LINEVDD	10	线路输出电荷泵电源	A	I
CPCA	11	电荷泵电容节点A	A	O
LINEGND	12	线路输出电荷泵地	A	I
CPCB	13	电荷泵电容节点B	A	O
CPOUT	14	电荷泵解耦输出	A	O
RLINEOUT	15	右声道线路输出	A	O
LLINEOUT	16	左声道线路输出	A	O

引脚使用注意事项

• 模拟输入引脚：未使用的模拟输入引脚应悬空。
• 数字输入引脚：未使用的数字输入引脚应根据需要拉高或拉低。

四、电气特性

模拟输出电平

在典型测试条件下（VDDA = VDDB = LINEVDD = 3.3V，MCLK – 256fs，(T_{A}= + 25^{circ}C)，1kHz信号，fs = 48kHz，24位音频数据），满量程输出电压为2 - 2.2Vrms，负载电阻范围为5 - 47kΩ，负载电容最大为100pF。

电源功耗

• 静音且无时钟状态：总电流仅为0.4mA。
• 静音状态：总电流为3.88mA。
• 非静音状态：总电流为7.57mA。

五、功能描述

数字信号处理

• 信号转换与处理：DAC数字模块采用24位信号处理，将16位数字采样流转换为模拟音频，采用补码编码格式，满量程输出电平与VDDA成正比，3.3V供电时为2.1VRMS。
• 处理模块组成：由数字增益级、高通滤波器、数字插值滤波器和sigma - delta调制器组成。数字增益级与静音功能配合，在静音状态切换时实现音量的平滑变化；高通滤波器是一阶直流阻断滤波器，3dB截止频率为FS × 7.7 × (10^{-5}) ，左右声道的滤波操作和设置相同。

数字音频接口

• 通道选择：通过帧同步信号（FS）实现通道选择，FS为低电平时传输左声道数据，为高电平时传输右声道数据。
• 数据格式：支持I2S数据接口，每个通道使用32个BCLK周期传输最多24位数据。在32位I2S数据格式中，DAC会截断8个最低有效位（LSB），仅使用24位；在16位I2S数据格式中，16个LSB需填充为零。

电源复位

• 内部复位电路：芯片内置电源上电和下电复位电路，当VDDB电源上电时，会重置内部逻辑控制。该芯片无外部复位引脚，当电源电压过低无法可靠工作时，内部会自动产生复位功能。VDDB的复位阈值电压约为0.5Vdc。
• 复位过程：当VDDB上升到内部阈值VPOR1时，内部复位条件被触发，所有寄存器和控制设置为硬件初始条件，此时外部时钟将被忽略；当VDDB继续上升超过VPOR1阈值时，会产生一个内部复位脉冲，延长复位时间约50 - 100微秒；当VDDB达到VPOR2阈值时，内部复位解除；当VDDB下降到VPOR3阈值时，内部复位再次触发。

设备时钟

• 时钟比例要求：NAU8402要求MCLK/FS的比例为256 ± 3或512 ± 3个MCLK周期每FS，内部有自动时钟检测电路验证该比例。
• 时钟运行情况：检测到有效MCLK/FS比例后，DAC时钟以 (f_{MCLK } / 4) 的频率运行，电荷泵时钟以fMCLK/128的频率运行（12.288MHz主时钟时为96kHz）。根据采样率不同，线驱动器在检测到有效时钟比例后会有一定的上电延迟。启动后，只要MCLK存在，所有时钟将持续运行，FS和BCLK信号会在内部与MCLK同步，无需外部同步。

静音与非静音模式

上电与非静音过程

• 上电初始化：上电后，先施加电源，然后启动MCLK、FS和BCLK，设备在施加时钟时初始化为静音状态。
• 非静音条件：当满足以下三个条件时，设备开始进行非静音操作：检测到有效的MCLK/FS比例（256 ± 3或512 ± 3个MCLK周期每FS）、BCLK存在、/MUTE为高电平。
• 非静音过程：线驱动器进行软非静音操作，上电后首次非静音需要341ms，时钟运行时后续非静音需要2000个样本（48kHz FS时为42ms）。线驱动器非静音后，数字音量从全静音逐渐增加到 - 127.5dB，再到满量程，共需256个样本。

静音模式

• 常规静音：当/MUTE为高且BCLK不存在或MCLK/FS比例无效时，设备进入静音过程。数字音量从满量程逐渐降低到 - 127.5dB，再到全数字静音，共需1K个样本，每步0.125dB；数字音量达到0后，线驱动器在2K个样本内进行软静音操作。静音过程中MCLK需保持运行，以维持电荷泵工作。
• 即时静音：当/MUTE为低且BCLK、FS和MCLK有效时，设备进入即时静音过程。线驱动器输出立即静音，数字音量从满量程逐渐降低到 - 127.5dB，再到全数字静音，共需1K个样本，每步0.125dB。为减少爆音，建议在进入即时静音过程前向数字DAC输入发送8000个连续的零样本。
• 无时钟即时静音：当所有时钟不存在且/MUTE为低时，设备进入即时静音状态。进入该状态后可移除电源。同样，为减少爆音，建议在进入该状态前向数字DAC输入发送8000个连续的零样本。设备进入静音状态后，可停止MCLK进入低功耗复位状态，但需确保静音序列完全完成后再停止MCLK。

电源供应

VREF参考电压

• 电路功能：NAU8402包含一个中间电源参考电路，通过VREF引脚和旁路电容连接到VSSA，VREF电压作为DAC参考。
• 电容选择：为实现低频下良好的电源抑制比，旁路电容需选用较大值，典型值为2.2uF，但较大电容会增加VREF的上升时间，延迟有效线路输出信号。由于VREF引脚具有高阻抗特性，应使用低泄漏的解耦电容。上电时，预充电电路会将电容预充电至接近VDDA/2，以减少上升时间，快速获得有效线路输出。

电荷泵

• 功能作用：用于为接地参考的立体声线路输出DAC产生负电源。
• 工作过程：电荷泵从LINEVDD电源获取能量，先将220nF的CPC电容连接到LINEVDD电源，然后将CPC电容的电荷放电到CPOUT引脚，该引脚通过另一个4.7uF电容进行解耦。
• 性能优化：为获得最佳性能，电荷泵电容应靠近引脚连接。增加CPOUT解耦电容可减少电源纹波，但会增加电荷泵的稳定时间。MCLK施加后，电荷泵以fMCLK/128的频率运行（12.288MHz主时钟时为96kHz），静音状态下，只要主时钟存在，电荷泵就会继续工作。

电源域

• 引脚功能：NAU8402有两个接地引脚（VSSA和LINEGND）和三个电源引脚（VDDA、LINEVDD和VDDB）。VSSA为低噪声模拟电路（如DAC、参考电路和线路输出驱动器）供电；LINEGND为开关电路（如电荷泵、数字输入和逻辑电路）供电；VDDA为DAC、参考电路和线路输出驱动器供电，需连接到3.3V ± 10%的低噪声电源，VREF参考电压由VDDA和VSSA生成，通常为（VDDA + VSSA）/2；LINEVDD为电荷泵供电，需连接到3.3V ± 10%的电源，电荷泵为线路输出驱动器提供负电源CPOUT，通常为 - LINEVDD；VDDB为数字输入缓冲器和逻辑LDO供电，需连接到1.7V - 3.6V的电源，逻辑LDO在VDDB上电后立即启动，为内部POR和逻辑电路供电。

六、音频接口与滤波器特性

音频接口时序

• 接口模式参数：音频接口模式包括BCLK周期时间、高脉冲宽度、低脉冲宽度、FS到BCLK上升沿建立时间、BCLK上升沿到FS保持时间等参数。这些参数的合理设置对于确保音频数据的准确传输至关重要。
• MCLK时序：MCLK周期时间、高脉冲宽度和低脉冲宽度等参数也有相应的要求，以保证系统时钟的稳定性。

滤波器特性

数字滤波器

• 高通滤波器：具有不同的截止频率，如 - 3dB时为7.7 × (10^{-5}) fs， - 0.5dB时为2.2 × (10^{-4}) fs， - 0.1dB时为4.5 × (10^{-4}) fs，可有效去除直流分量。
• DAC滤波器：通带波动为±0.035dB， - 6dB截止频率为0.5fs，阻带起始于0.546fs，阻带衰减在f > 0.546 * fs时为 - 55dB，群延迟为28个1/fs，可实现良好的音频滤波效果。

模拟滤波器

ADC滤波器在 - 6dB时的通带截止频率为0.20322fmclk 。

七、典型应用与注意事项

典型应用电路

典型应用电路中，NAU8402的L/R LINEOUT电平与VDDA有关，使用该电路，当施加10kΩ负载时，L & R AUDIO OUT端子的0dBFs电平为2Vrms。在设计时，需要考虑VDDA电源电压精度、负载精度、500Ω电阻和NAU8402输出电平变化对输出电平的影响。

注意事项

• 电阻作用：500Ω的串联电阻可有效减少线路输出连接器上可能存在的干扰，500Ω和2700pF的RC组合可降低DAC的带外噪声， - 3dB截止频率为118kHz。
• PCB布局：为获得最佳性能，PCB上应使用VSS走线将左右线路输出走线和RC网络分开。

总的来说，新唐科技的NAU8402以其卓越的性能、灵活的接口和丰富的功能，为音频设备的设计提供了一个优秀的解决方案。在实际应用中，工程师们需要根据具体需求合理选择和使用该器件，以实现最佳的音频效果。你在使用类似DAC器件时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。