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为什么要选用性能优良的外部DAC?

楼主 DC 于 2009-06-20 11:59:31

为什么要选用性能优良的外部DAC?

作者：Dafydd Roche 德州仪器（TI）音频市场营销经理文章转载于TI官方网站

作为一名音频市场经理，我听到许多不同的消费者提问这个问题。我们看一下大量的消费电子产品，如电视机，机顶盒，DVD/蓝光播放机，通常许多SoC器件都集成有内部转换器。表面上看，这是一个很好的概念，芯片具有所有功能！然而，并非所有事情都像窗外的玫瑰花看起来那样美丽！

半导体制造商所面对的最大挑战之一就是要在产品制造的半导体工艺中来平衡功能和性能。可能许多人都听说过90nm工艺，45nm工艺，等等。这些都是半导体制造商制造新产品所用的具体工艺。每家制造商都有其自己的工艺，每种工艺都有其自己的优点。

为了在一片小小的低成本芯片中植入更多的数字处理功能，所有工艺设计师所关注的都是使数字晶体管更小。但随着工艺节点更小，电路更密集，系统的模拟性能似乎要受到影响。

要在充满了许多ASIC的小小硅片上实现动态范围大于96dB的ADC和DAC是越来越难。请看一个高性能的机顶盒(STB)处理器。在先进的STB芯片中包含一个实时的视频解压缩处理器，一个系统用微处理器，以太网子系统，硬盘驱动器接口，还有许许多多其它的功能。这些模块主要都是数字的，都将随着半导体工艺节点的减小而获益。

可是混合信号和模拟系统模块感觉起来确并非如此好。数字处理关注的速度和体积，处理器的模拟性能处于次席。许多时候，因为数字部分具有非常低的信噪比(SNR)，这只能为模拟部分带来重负。在现实世界中这意味着要从SoC获得较高的音频性能是极其困难的。许多SoC安排了90dB多一点的动态范围，但由于许多都采用差分输出，这又吃掉了另外3dB的性能。

在手机系统中，90dB可以被认为是比较好的质量，然而，在今天的家庭娱乐环境中，90dB则是古老陈旧的技术。现代视听系统通常提供最低为105dB的性能，更好的系统要求高达120dB的性能或更高。将更高性能的音频转换器移到外部，对家庭和便携式环境都有好处。在低级的96dB数模转换器，为了将固定量化噪声和音频输出差最大化，需要16位中的每一个斗工作在满量程。

市场上许多系统实际上需要向用户展示音量衰减了多少分贝(通常在AV接收机上可以看到)。
对于10dB变化究竟意味着什么，对应于增加和衰减，用户会告诉说声音增加或降低了1倍。而20dB则等同于音量4倍的变化。这是一个相当大的变化！

在DAC或DSP中，任何种类的数字音量控制(衰减)都将采用较少的位数来代表信号，不过还有等量级的噪声。足够好的DAC一下子变成了早在上世纪80年代的水平。

图1所示为正在为100dB转换器送入一个满量程的CD信号。噪音水平位于音频信号的动态范围一下。换句话说，音频信号上的量化噪声高于转换器的固有噪声。现在，让我们通过DSP，或者在DAC中用数字的方法，将信号衰减20dB。这相当于对信号衰减10倍。现在我们看到，16位96dB的音频的较低位数将被转换器中的固有噪声所淹没。

我之所以鼓励设计师购买性能比芯片中原有的更高的转换器，其原因是为信号提供了余量，换句话说，它在信号和转换器中最低噪音水平之间保留了一定的空间。如果需要衰减20dB，就可以衰减，而不会对音频产生影响。图2显示了这一原理。正如你所看到的，即使有20dB的衰减，仍然可以体验到高质量的CD。
      [upload=1955,0]External_DAC.gif[/upload]
         图(a)：一个100dB数模转换器中的数字音量控制(衰减)。
      (b)：118dB数模转换器中的数字音量控制(衰减)。

这对市场销售有什么影响呢？
目前大部分使用音频DAC的家用音响产品，数字域音量控制都比较差，或者用的是无法实现远程控制的模拟音量控制。

模拟调整音量的优点是同时减少信号和噪音，因此可以保持信噪比不变。对于更高的性能的音响系统，可利用一系列的可编程增益放大器来实现。一个简单的串行字送入系统，并在下次过零时刻，增益就被改变了。
然而，对于大多数消费电子系统有很大的成本压力，使信号位于系统的噪声基底之外是实现高性能的关键。一个高性能的DAC(具有110dB以上的范围)对于所有用户都能提供高质量的听觉体验，而在保证听不出任何差别的前提下，对CD信号具有14dB以及更高的衰减空间。

如果说这个理由对于DAC还不足够充分的话，使用性能更高的ADC、而不是SOC中的ADC的概念则是强制性的。在今天的家庭娱乐市场，系统中通常使用2VRMS(5.6Vpp)来传输音频。然而，许多系统中仍然使用+4dBu(1.23VRMS)和-10dBv(0.316VRMS)。从0.316VRMS到2VRMS的差别高达大约22dB！假设你校准ADC的信号链来接收2VRMS的输入。任何老式的-10dBv的信号听起来就像降低了4倍(或低于满量程大约-20dB)。通常情况下，你可以在这种情况下采用数字自动增益控制算法，并增加20dB左右的数字增益。但这种算法的缺点是，与信号一道，ADC噪声基底也增加了20dB。

有两种方法解决这个问题，就像DAC一样。一种是使用一个更好的ADC(大约107dB或更高)。另一种是在前端使用一个可编程增益放大器，根据需要来调整增益。更高性能的ADC将提供一个足够低的噪音电平，即便是在加了10或15dB增益的时候。

目前市场上许多ADC包括一个多路复用器和一个可编程增益放大器。例如，德州仪器的PCM185xA系列的ADC就有一个编程范围为22dB的PGA，步进值为0.5dB。当系统检测到了-10dBv峰值信号存在时，增益将逐步增加。
目标是什么？
下一步要看一下价格差。一个典型的105dB的DAC(PCM1754)在小批量(约100单位)时将额外增加1.30美元。然而，这将设计师提供一个干净的单端输出，可直接送到一个线驱动输出和耳机放大器，而无需额外的差分到单端放大器的转换。这为设计师节省了0.41美元(小批量的RC4580)。
为所有人提供好系统？

拥有更高质量的输出，而价格差仅有0.80美元(100批量单位)能真正为你的产品提供差异化并在市场上脱颖而出的机会。推出真正好的产品，可以使你走在竞争对手的前面。而在同一点上，差异化的只能是价格。
因此，尝试放慢在价格底部的竞赛...请把一些思想和关注放到你所设计的信号链中。无论是客户的耳朵、还是你的销售队伍都将会获益，而最重要的是，由于具有了优于竞争对手的更好产品，贵公司的账本底线将会因为收入增加而大为受益。

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