引言

大多數現代音頻均以數字格式存儲，例如：脈沖編碼調制 (PCM) 和 MP3。它可以提供無(wú)損數據存儲、高品質(zhì)的完美拷貝、無(wú)限期存儲、高靈活性以及與其他數字系統的兼容性。需要使用一款音頻 DAC 將這些數字格式轉換為模擬信號，從而驅動(dòng)揚聲器產(chǎn)生音頻聲音（模擬波）。音頻放大器對轉換后的音頻聲音進(jìn)行放大，而揚聲器則將其傳輸給聽(tīng)眾。
 
人們通常認為將傳輸給聽(tīng)眾的模擬音頻聲音是音頻系統的最終輸出結果。它的品質(zhì)取決于整個(gè)音頻系統，包括原始數字編碼本身、音頻 DAC 器件、音頻功率放大器和揚聲器或者耳機的質(zhì)量。
 
如果我們將注意力放在音頻 DAC 上，則性能的高低取決于 DAC 本身的質(zhì)量，并受其他外部因素的影響。高性能音頻 DAC 對外部噪聲很敏感。這些外部噪聲會(huì )在轉換期間進(jìn)入音頻帶。這種噪聲可以來(lái)自 AC 電源紋波、射頻干擾、開(kāi)關(guān)噪聲，甚至是音頻系統其他電路組件的散熱噪聲。本文將探究如何通過(guò)提高 DAC 電源電壓的噪聲性能來(lái)最終改善音頻轉換器的噪聲性能。
 
音頻性能規范
為了對某個(gè)聲音系統的噪聲性能高低進(jìn)行量化，我們需要測定出某些規范參數�？傊C波失真 (THD) 測定音頻信號回放期間音頻轉換器所產(chǎn)生的不良信號數量。如音頻轉換器等系統均為非理想和非線(xiàn)性器件，其具有單個(gè)或者多個(gè)輸入和輸出。它們始終都有原始輸入信號失真。這種失真常常加在原始輸入信號諧波上。因此，總諧波失真代表了原始信號的失真數量是衡量所有音頻 DAC 性能的一個(gè)理想技術(shù)參數。
 
但是，單是總諧波失真本身而言，并沒(méi)有包含 DAC 產(chǎn)生輸出信號的其他非失真相關(guān)噪聲。因此，將總諧波失真與噪聲結合，便可構建起另一個(gè)測量標準，即 THD+N 規范。THD+N 準確地量化了 DAC 產(chǎn)生的與輸入信號無(wú)關(guān)的所有噪聲。這種噪聲來(lái)自于電源 AC 紋波、射頻干擾、開(kāi)關(guān)噪聲、振動(dòng)以及音頻系統的電路組件散熱噪聲。
 
人們通常用 THD+N 規范來(lái)規定音頻 DAC 器件的性能，但是其未對頻帶范圍內的 DAC 性能作深入探討。需要使用一個(gè) FFT 分析儀圖來(lái)分析其頻帶內所有模擬音頻信號的質(zhì)量。該此類(lèi)型的分析儀利用改變模擬音頻輸出信號的時(shí)間，并通過(guò)快速傅里葉變換 (FFT) 技術(shù)將其轉換成頻譜。這一測量過(guò)程顯示了一款音頻轉換器在其整個(gè) 1 – 20 KHz 范圍內的音頻轉換器性能，并清晰地顯示了噪聲和諧波失真性能。
 
電源對音頻性能的影響
大多數音頻應用都由一個(gè) 12V 總線(xiàn)的 AC 電源適配器來(lái)供電。我們必須將這種 12V 總線(xiàn)轉換成 5V 或者 3.3V，這樣才能滿(mǎn)足音頻 DAC 轉換器的要求。我們可以利用一個(gè)開(kāi)關(guān)式或者線(xiàn)性穩壓器來(lái)完成這種轉換。開(kāi)關(guān)式穩壓器較為理想，因為它們擁有較高的效率。它們的效率通�？梢赃_到 80%-95%，可最小化系統功耗和發(fā)熱量。但是，這些穩壓器存在開(kāi)關(guān)噪聲，并在其 DC 輸出電壓以上有 AC 紋波電壓。這兩個(gè)影響降低了音頻 DAC 的性能。圖 1 顯示了一個(gè)開(kāi)關(guān)式轉換器的典型輸出電壓。
 

圖 1 轉換器的典型輸出電壓紋波
 
電源 AC 紋波和噪聲越高，它對聲音品質(zhì)產(chǎn)生的不利影響也就越大。輸入噪聲和紋波可以進(jìn)入 IC 本身，并通過(guò)在轉換過(guò)程期間進(jìn)入音頻帶來(lái)影響性能，干擾內部偏壓、時(shí)鐘、振蕩器等。它們還可以通過(guò)電路板布局耦合至輸出。另外，整體音頻系統（包括功率音頻放大器和揚聲器）的性能均受到影響。因此，電源噪聲會(huì )極大地降低輸出音頻聲音的品質(zhì)。
 
圖 2 中的例子顯示了一個(gè)音頻 DAC（例如：PCM5102）的最終性能，其直接由一個(gè) 3.3V 開(kāi)關(guān)式穩壓器供電。通過(guò)將一個(gè)標準的 1-kHz 測試音施加于 DAC 的數字輸入，以進(jìn)行測試。使用音頻精度 (AP) 分析儀測試設備來(lái)進(jìn)行測量。本例中，模擬音頻輸出信號的 FFT 圖表明左右信道之間存在差異，原因是兩條信道的噪聲底限不同。THD+N 結果顯示，帶有噪聲的電源極大降低了輸出音頻信號的品質(zhì)。
 

圖 2 使用轉換器供電的正弦波音頻信號的 FFT 頻譜分析圖和 THD+N 測量
 
將開(kāi)關(guān)噪聲和紋波與 DAC 的電源軌隔離，可以實(shí)現更高的音頻性能。給轉換器輸出添加額外濾波，可以幫助減少一定的噪聲。但是，一些精密型濾波器過(guò)于豪華、復雜且占用空間更多。另外，大多數濾波器都存在功耗和負載調節問(wèn)題，并且瞬態(tài)響應能力較差。利用一個(gè)線(xiàn)性穩壓器 (LDO) 將 12V 輸入總線(xiàn)轉換為 3.3V，可以極大地減少紋波和噪聲，從而達到更高的音頻性能。使用 LDO 的缺點(diǎn)是設計的效率較低且功耗更高。
 
圖 3 顯示了通過(guò)一個(gè) LDO 供電的音頻 DAC 的 FFT 圖。同前面的測試一樣，我們給該 DAC 的光輸入施加一個(gè) 1-KHz 正弦音頻信號。測試條件與前面一樣，并使用相同的音頻精度測試設備作為測量工具，可得到如下 FFT 結果和 THD+N 測量情況。
 

圖3 通過(guò)一個(gè)LDO 供電的正弦波音頻信號音頻DAC 的FFT 圖頻譜分析和THD+N 測量結果
 
使用 LDO 低噪電源軌可以將聲音品質(zhì)提高約 8 dB。圖 3 表明 THD+N 將超過(guò) 93 dB。另外，觀(guān)察 FFT 頻譜分析儀圖后，我們發(fā)現，噪聲底限得到極大降低。諧波很容易辨認，其取決于器件的性能。在其大部分頻率帶寬中，相比 –110 dBV，該噪聲底限維持在 –120 dBV 以下（請參見(jiàn)圖 2）。該結果證明，在音頻轉換器上使用一個(gè)低噪聲電源軌可以提高性能。
 
相比轉換器，LDO 電源解決方案擁有更加低噪的輸出電壓，但是線(xiàn)性穩壓器的效率較低，并且會(huì )在系統中引起散熱問(wèn)題。因此，理想的解決方案是將轉換器的高效率同線(xiàn)性穩壓器的低噪聲輸出性能相結合，從而實(shí)現一種高效、低噪的電源解決方案。然而，在一些這兩種因素都很重要的應用中，往往存在價(jià)格和空間限制。
 
在集成開(kāi)關(guān)式轉換器和 LDO 穩壓器中，我們會(huì )發(fā)現一個(gè)集成轉換器 +LDO 解決方案，例如：TPS54120。1A 開(kāi)關(guān)式轉換器與 LDO 組合使用，可向音頻轉換器高效地提供低噪電源。另外，這種集成解決方案還是一種低成本的解決方案，而占用的電路板空間也更少。它擁有優(yōu)異的負載和線(xiàn)壓瞬態(tài)響應性能，可在使用小型封裝時(shí)承受很寬的輸入電壓范圍，這讓它成為家庭音頻應用的理想選擇。
 
使用集成開(kāi)關(guān)式轉換器和 LDO 穩壓器代替第一個(gè)測量舉例的轉換器，可以得到更加低噪的輸出電壓（請參見(jiàn)圖 4）。我們沒(méi)有觀(guān)測到輸出電壓噪聲或者紋波。運用一個(gè) 12V 輸入電壓，并將輸出調節為 3.3V。在 400 mA 負載電流時(shí)對受測輸出電壓進(jìn)行測量。該電壓可以完美地驅動(dòng)整個(gè)音頻系統，無(wú)需擔心轉換器的噪聲和 AC 紋波。
  

圖4集成轉換器和LDO 穩壓器的輸出電壓紋波
 
圖 5 中，集成轉換開(kāi)關(guān)和 LDO 穩壓器用于為音頻 DAC 供電。穩壓器 輸入端使用 12 伏輸入電壓。我們得到與圖 3 相同的結果。
 

圖 5 集成轉換器和 LDO 穩壓器供電音頻 DAC 的示意圖
 
表 1 對不同解決方案的成本、電路板空間、效率和性能進(jìn)行了比較。我們發(fā)現，轉換器 +LDO 的集成解決方案擁有高性能和高效率優(yōu)勢。
 


表 1 不同解決方案比較：

結論
開(kāi)關(guān)式電源所產(chǎn)生的 AC 紋波和開(kāi)關(guān)噪聲會(huì )產(chǎn)生負面影響，其降低了音頻 DAC 輸出的質(zhì)量。我們可以利用一些濾波技術(shù)，將音頻轉換器隔離于這些噪聲源。除噪聲以外，濾波器的效率、成本以及在音頻系統中所占用的電路板空間，都是重要的因素。把開(kāi)關(guān)式轉換器的高效率與 LDO 的超低噪聲性能相結合，是一種理想的解決方案。另外，由于成本和電路板空間占用得到進(jìn)一步降低， 開(kāi)關(guān)式轉換器 +LDO 集成解決方案比獨立解決方案更有優(yōu)勢。