數模音頻轉換器（音頻DAC）是一款將數字音頻編碼轉換為模擬音頻聲音（例如：音樂等）的器件。在任何數字音頻編碼的轉換過程中，進入到音頻轉換器器件的外部噪聲耦合都會對音頻帶產生巨大的影響。諸如DAC電源的AC紋波和開關噪聲等是被轉換音頻聲音品質下降的主要根本原因之一。因此，高性能數模音頻系統(tǒng)的設計要求將音頻DAC與電源軌噪聲隔離。本文中，一款結合了開關式電源高效率和線性電源超低噪聲特性的集成解決方案就可以很好地解決該問題，從而提供更高的音頻品質。
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。它可以提供無損數據存儲、高品質的完美拷貝、無限期存儲、高靈活性以及與其他數字系統(tǒng)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，從而驅動揚聲器產生音頻聲音（模擬波）。音頻放大器對轉換后的音頻聲音進行放大，而揚聲器則將其傳輸給聽眾。
人們通常認為將傳輸給聽眾的模擬音頻聲音是音頻系統(tǒng)的最終輸出結果。它的品質取決于整個音頻系統(tǒng)，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。這些外部噪聲會在轉換期間進入音頻帶。這種噪聲可以來自AC電源紋波、射頻干擾、開關噪聲，甚至是音頻系統(tǒng)其他電路組件的散熱噪聲。本文將探究如何通過提高DAC電源電壓的噪聲性能來最終改善音頻轉換器的噪聲性能。
音頻性能規(guī)范
為了對某個聲音系統(tǒng)的噪聲性能高低進行量化，我們需要測定出某些規(guī)范參數。總諧波失真(THD)測定音頻信號回放期間音頻轉換器所產生的不良信號數量。如音頻轉換器等系統(tǒng)均為非理想和非線性器件，其具有單個或者多個輸入和輸出。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性能的一個理想技術參數。
但是，單是總諧波失真本身而言，并沒有包含DAC產生輸出信號的其他非失真相關噪聲。因此，將總諧波失真與噪聲結合，便可構建起另一個測量標準，即THD+N規(guī)范。THD+N準確地量化了DAC產生的與輸入信號無關的所有噪聲。這種噪聲來自于電源AC紋波、射頻干擾、開關噪聲、振動以及音頻系統(tǒng)的電路組件散熱噪聲。
人們通常用THD+N規(guī)范來規(guī)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FFT分析儀圖來分析其頻帶內所有模擬音頻信號的質量。該此類型的分析儀利用改變模擬音頻輸出信號的時間，并通過快速傅里葉變換(FFT)技術將其轉換成頻譜。這一測量過程顯示了一款音頻轉換器在其整個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12V總線的AC電源適配器來供電。我們必須將這種12V總線轉換成5V或者3.3V，這樣才能滿足音頻DAC轉換器的要求。我們可以利用一個開關式或者線性穩(wěn)壓器來完成這種轉換。開關式穩(wěn)壓器較為理想，因為它們擁有較高的效率。它們的效率通常可以達到80%-95%，可最小化系統(tǒng)功耗和發(fā)熱量。但是，這些穩(wěn)壓器存在開關噪聲，并在其 DC輸出電壓以上有AC紋波電壓。這兩個影響降低了音頻DAC的性能。圖1顯示了一個開關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，它對聲音品質產生的不利影響也就越大。輸入噪聲和紋波可以進入IC本身，并通過在轉換過程期間進入音頻帶來影響性能，干擾內部偏壓、時鐘、振蕩器等。它們還可以通過電路板布局耦合至輸出。另外，整體音頻系統(tǒng)（包括功率音頻放大器和揚聲器）的性能均受到影響。因此，電源噪聲會極大地降低輸出音頻聲音的品質。
圖2中的例子顯示了一個音頻DAC（例如：PCM5102）的最終性能，其直接由一個3.3V開關式穩(wěn)壓器供電。通過將一個標準的1-kHz測試音施加于DAC的數字輸入，以進行測試。使用音頻精度(AP)分析儀測試設備來進行測量。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。
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
將開關噪聲和紋波與DAC的電源軌隔離，可以實現更高的音頻性能。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(jié)問題，并且瞬態(tài)響應能力較差。利用一個線性穩(wěn)壓器(LDO)將12V輸入總線轉換為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的缺點是設計的效率較低且功耗更高。
圖3顯示了通過一個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:通過一個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提高約8 dB。圖3表明THD+N將超過93 dB。另外，觀察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（請參見圖2）。該結果證明，在音頻轉換器上使用一個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，但是線性穩(wěn)壓器的效率較低，并且會在系統(tǒng)中引起散熱問題。因此，理想的解決方案是將轉換器的高效率同線性穩(wěn)壓器的低噪聲輸出性能相結合，從而實現一種高效、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，往往存在價格和空間限制。
在集成開關式轉換器和LDO穩(wěn)壓器中，我們會發(fā)現一個集成轉換器+LDO解決方案，例如：TPS54120。1A開關式轉換器與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)異的負載和線壓瞬態(tài)響應性能，可在使用小型封裝時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。
使用集成開關式轉換器和LDO穩(wěn)壓器代替第一個測量舉例的轉換器，可以得到更加低噪的輸出電壓（請參見圖4）。我們沒有觀測到輸出電壓噪聲或者紋波。運用一個12V輸入電壓，并將輸出調節(jié)為3.3V。在400 mA負載電流時對受測輸出電壓進行測量。該電壓可以完美地驅動整個音頻系統(tǒng)，無需擔心轉換器的噪聲和AC紋波。
圖4:集成轉換器和LDO穩(wěn)壓器的輸出電壓紋波
圖5中，集成轉換開關和LDO穩(wěn)壓器用于為音頻DAC供電。穩(wěn)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(wěn)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
開關式電源所產生的AC紋波和開關噪聲會產生負面影響，其降低了音頻DAC輸出的質量。我們可以利用一些濾波技術，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(tǒng)中所占用的電路板空間，都是重要的因素。把開關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一步降低， 開關式轉換器+LDO集成解決方案比獨立解決方案更有優(yōu)勢。
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