摘要
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的最終輸出結果。它的品質取決于整個音頻系統，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。
音頻性能規范
為了對某個聲音系統的噪聲性能高低進行量化，我們需要測定出某些規范參數。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、振動以及音頻系統的電路組件散熱噪聲。
人們通常用 THD+N 規范來規定音頻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壓器來完成這種轉換。開關式穩壓器較為理想，因為它們擁有較高的效率。它們的效率通常可以達到 80%-95%，可最小化系統功耗和發熱量。但是，這些穩壓器存在開關噪聲，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（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問題，并且瞬態響應能力較差。利用一個線性穩壓器(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，但是線性穩壓器的效率較低，并且會在系統中引起散熱問題。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 穩壓器中，我們會發現一個集成轉換器 +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。它擁有優異的負載和線壓瞬態響應性能，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，無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，集成轉換開關和 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、效率和性能進行了比較。我們發現，轉換器 +LDO 的集成解決方案擁有高性能和高效率優勢。
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勢。
參考文獻
[2] 《將 TPS54120 作為一款 3-A 轉換開關和 1-A 轉換開關及 LDO 的設計原則》，應用手冊、SLVA502、作者：Nick Tseng 和Tahar Allag，TI，2012年1 月。
作者簡介
Tahar Allag 現任TI 電源管理產品部模擬電源應用工程師，主要負責與電源相關的外部客戶技術支持。Tahar 畢業于羅切斯特理工大學(Rochester Institute of Technology, Rochester, New York)，先后獲電子工程理學士學位和電子工程碩士學位。