如果没有音频转换器，我们最喜爱的某些产品就会停滞不前，得不到发展。　　要点

     　　● 音频转换器的功能与特性并不能像应用它们的最终产品那样划分得一清二楚。

     　　● 对大多数消费类设备而言，器件的集成度是最重要的。转换器性能已经够用，近期不会有显著的提高。

     　　● 仍然有很大创新的空间，但在消费类设备领域内，工作的重点不是关注性能，而是成本、尺寸、功耗与功能。

     　　● 对高端消费类音频设备与专业音频设备的要求模糊不请，但两者仍有差别。规模经济将驱使许多转换器进入这两个市场，但对一个市场有吸引力的特性可能在另一市场中完全无用。　　自从 1933 年 Harvvey Fletcher 和 WA Munson 定义了首先被广泛采纳的人类听觉特性以来，研究工作又进一步提高了我们对听觉响应的认识（参考文献 1 ~ 4）。但是，公认有效的听觉刺激范围却没有显著的变化，基本上仍然是20 Hz ~ 20 kHz 和 0 ~125 dB SPL（声压级，以 1 kHz 音频信号的 20mPa为基准的）。变化大的是在使用声音交流信息和娱乐的方式方法上，特别是从廉价数字技术（如高密度存储、低成本通信以及高速信号处理）出现以来更是如此。因此，虽然我们仍然是属于模拟世界中的模拟生物，但我们越来越依赖于数字编码的音频信息以及能将模拟和数字两个领域联系起来的转换器。　　尽管有关人类听觉能力的概念基本没有变化，但各种音频转换器却变化无穷，很多活跃的 IC 制造商生产出了几十种丰富多彩的器件。许多设备采用采样率为每秒8 ~ 192k的8~24位数字音频编码信号（见附文《我们需要多少动态范围？》）。差不多各种设备均规定了采样率和分辨率，而这两种特性只是作为定义以特定市场为目标的转换器的起点。事实上，采样率和分辨率组合是很普遍的，以至各种消费类产品之间以及消费类音频设备与专业音频设备之间的市场界限变得模糊不清。　　基本情况　　除了最高端市场以外，消费类设备用的音频转换器一般不再是独立的部件。确切地说，IC 制造厂将转换器功能集成到音频子系统芯片中，提供针对专用终端产品的许多功能。由于信号源与信号目标的局限性，这些 IC 在音频性能方面几乎不进行竞争，手机、便携式 MP3 播放机或音箱对高保真的要求对 IC 设计者来说不是问题。对这些产品来说更重要的是信号处理功能，如音量、音调、信号动态控制，信号源选择器与混合器，以及某些设备中的数据速率捷变。　　原先对手持式便携设备提出的要求现在要求固定安装的消费类设备也要达到。这些要求包括功耗低、封装尺寸小和支撑元件极小。所以，能够最有效地集成混合信号功能的那些公司在消费类电子产品市场中拥有更大份额。即使功能列表中包括非音频专用项目，这种观念仍然适用。　　例如，Wolfson 微电子公司的 WM9713L 将双编解码器与触摸屏接口集成在一起，供 PDA、智能手机以及手持计算机使用。高保真立体声编解码器提供两个话筒前置放大器、一个信号源选择器、一个 ADC、一个自动电平控制器、音调控制器、一个DAC、一个耳机/话筒/扬声器切换矩阵、输出放大器，以及一个与 AC’97 标准 2.2 修订版兼容的接口。片上 PLL 产生适用于高达 48k 采样速率的音频数据采样时钟。一个独立的视频编解码器可通过独立 PCM/I2C 接口支持电话业务。电阻式触摸屏接口支持四线和五线触摸屏，并可测量 XY 轴位置和 Z 轴压力。　　9713L在线路电平输出端的最大总谐波失真（THD）在满刻度-3dB范围内为-74dB，线路输出端的最小 A 加权信噪比(SNR)为 85 dB。从电路输入端口至 ADC 的信号链具有-80dB THD 和 80dB SNR。耳机放大器可以提供最高 45 mW 功率，而扬声器放大器则可以为 8Ω 桥接负载提供 400 mW 功率。

     　　Wolfson公司还在这种 7×7mm 的 QFN-48 封装内纳入了大量其它功能——足以写满 100 页以上的数据表。这些功能与灵活性给人印象深刻。不过，有两点均与电源主题有关。积极的一面是，售价为3.35 美元（1000件批量）的WM9713L可由低至 1.62V 的数字电压和1.8V 的模拟电压供电工作。（除放大器电源电压可以高至 4.2V 外，其它部分电压最大值为 3.6V。）消极的一面是，尽管 WM9713L 已经是第三代的系列产品，而且无疑在设计过程中经历了大量的仿真工作，但该公司却没有提及这一器件的功耗特性。这很可能是一个远非某个数据可以完全解答的复杂的问题：时钟速率、采样率、工作模式、信号电平和负载阻抗都会影响总功耗。这种影响又因地域不同而各异。大多数便携产品均是在功能组合和每次充电后的工作时间方面进行竞争，虽然在其它许多功能超出了功率低限的情况下，9713L 仍然能保持长时间的工作，但我们还是有理由想知道两个编解码器会消耗多少电池能量。　　不过，对期盼的功能要小心谨慎。德州仪器公司在 TSC2101 数据表中用整整一页描述了对电源要求。如果与该器件的功能块图对照阅读，再用铅笔和便条作一下简单的记录，你会很快掌握该 IC 在各种工作模式下的功耗情况。　　与 WM9713L 类似，TSC2101 将扬声器放大器、耳机放大器和四线触摸屏控制器与音频编解码器集成在一起，供 PDA、智能手机和 MP3 播放机使用。立体声 DAC 能以高达 48k/s 的采样率播放音频文件。与DAC相配的 ADC 同样是速率捷变的，但只能接收单声道输入信号。TSC2101 没有专用于电话传输的第二个编解码器，但在 QFN-48 封装中集成有一个电池监控器和一个片上温度传感器。　　TSC 2101 带有一个立体声头戴送受话器接口、一个手机送受话器接口、一个单声道 8Ω 扬声器放大器以及一个 32Ω 受话器驱动器。8Ω 扬声器放大器可输出 400 mW 功率，在输出 335 mW 时的最大额定THD 为 -55 dB。立体声头戴送受话器放大器可为 16Ω 负载提供 90 mW 驱动功率，在提供71 mW 时的 THD 为 -60dB。　　经过系统校准工序之后，售价为4.95美元（1000件批量）的TSC2101的电池监控器可以测量 0.4V ~ 6V 的电压，测量精度在 -40 ~ +85℃ 工作温度范围内，为 ±15 mV 。电池监控器、温度监控器和两个辅助输入端子与四线触摸屏端口共用一个多路 SAR（逐次逼近寄存器）ADC。　　德州仪器公司也提供一款低功耗立体声编解码器，即TLV320AIC26，它不使用触屏控制器，取而代之的是具有更多的音频信号处理功能，采用 5×5mm QFN-32封装。立体声 DAC 通道可以复制 16、20、24 以及 32位 采样的文件。片上音调控制器能使用户调整高音、中音和低音，或者将音频处理部件配置成一个均衡器。可编程功率控制器可以实现每秒 48k 采样的立体声播放， 3.3V 电源供电时只消耗 11mW功率。　　你可以通过编解码器的串行接口，用一组可寻址寄存器来控制这种售价为3.25美元（1000件批量）的 AIC26。片上状态机按照寄存器的内容配置各种电路块。务必确保配置设定与设备要求的工作条件正确对应。例如，你可以将 DAC 的输出设置为四个电压范围之一，但要确保电源电压满足所选电压范围的最低要求。TLV320AIC26 的两个电池监控器输入端与片上温度传感器和一个辅助输入共用的一个 SAR ADC。SAR ADC 的输出可通过一个 SPI 接口获得。　　测量模拟性能的数据表条件包括 2V p-p 输出范围（四种输出范围中最低一种）、48k 采样/秒以及分别用于模拟部分和数字部分的 3.3V 和 1.8V 电压。在这样的条件下，电路输出的 THD 典型值为 -95dB，A 加权 SNR 最小值为 85dB。虽然电路输出的 THD 只是表示出一个典型值，但在 -1dB 满刻度时的头戴送受话器的输出则具有 -55dB的THD。该值与同等条件下的 -91dB的典型值相当。典型值与极限值之间相差数个分贝不足为怪，但在两者相差 36 dB 的情况下，如果对你设备非常重要的数据表项目出现这样的差值，则就要小心地处理典型值。　　美国国家半导体公司的处理方法是去掉华而不实的功能，以利进一步实现微型化：该公司在一个每边不足3.5mm 的 36 凸点微型 SMD 封装中集成了一个立体声 DAC、一个音频编解码器、一个扬声器放大器、立体声头戴送受话器放大器、一个话筒前置放大器、PCM 与 I2S 数据接口以及一个控制端口。你可能会担心这种微型化的 36凸点Trump Tower 器件会超高，但 LM4930音频子系统的高度只有0.6 mm。　　这块售价为 3.95 美元（1000件批量）的IC，可以由 2.6V ~ 4.5V数字电源和 2.6V ~ 5.5V 模拟电源供电工作。国家半导体公司具体规定了两种电源状态（数字电源与 模拟电源分别为3.3V与5V和数字与模拟电源兼有为 3V ）下的性能。LM4930 的输出范围为 2.5V p-p，相当于提供给 32Ω 负载的最大输出功率 25mW，也相当于8Ω 桥接负载的最大输出功率 390mW。采用3V供电时，立体声头戴送受话器放大器在 1kHz 频率下达到0.5％的THD+N（总谐波失真加噪声）之前提供至少 15mW功率。单声道扬声器在与头戴送受话器放大器相同条件下的输出功率和THD+N分别为270 mW （最小值）和2% 。单声道声音与立体声音乐通道的典型 SNR 值分别为 72dB 和 86dB。　　家庭应用　　家庭娱乐设备使用的数字音频转换器也需要很高的集成度。语音编解码器、电池监控器和片上扬声器放大器已成历史，代之以更多的通道数，以容纳环绕声编码的音频、更高的采样率以及更先进的数字信号处理功能。　　小型耳塞式头戴送受话器和 1 英寸扬声器也销声匿迹。这一领域的发展趋向是出现各种各样声学驱动器，从能够暴露信号处理电路缺陷的全频带扬声器，到使用信号处理技术并能发出比实际尺寸更高声音的单频带扬声器。所以，尽管消费类设备用的 IC 主要在价格、功耗、尺寸以及功能方面展开竞争，但 IC 厂家懂得，在性能问题会影响到产品接受程度之前，不需要将其产品偏离 OEM 产品系列的定位。正如一位 IC 系列产品经理所说，“性能不足以使一个元件生存，但足以使之消亡。”　　家庭娱乐设备并非同质的，特别是考虑到它们的信号源时。普通的数字音频信号源从 16位44.1k 采样率的红皮书标准 CD到 24位96k 采样率的 DVD，不一而足。模拟输入包括既有的信号源，如地面广播和飞利浦公司的盒式磁带播放机等。此外，信号源还包括来自机顶盒的由数字信号导出的模拟信号、VCR、TiVo 以及不带数字输出端口的 CD 和 DVD 播放机等。　　不管家庭娱乐设备市场上通常的产品更替率有多大，对数字音频转换器的技术要求近来却几乎没有什麽变化，但却按其演进的程度，以可预期的方式演进。这一趋势扩展了许多音频编解码器设计的使用寿命。你不仅可以适度地选择供应商最新最好的产品，也可以选择前几年推出的器件，特别是供应商在一个演进的产品系列内保持引脚兼容性的情况下更是如此。因此，随着 IC 制造商增加对最成功数字音频部件的投资，进行设计优化和工艺移植，我们会更多地看到产品的种种修改版。　　接近市场商品部分的家庭娱乐设备吸引了不同的数字音频子系统设计方案。Analog Devices 公司和 Cirrus Logic 公司的两款产品拥有完全相异的特性，它们是数字音频子系统方案的范例。虽然它们差异明显，但两款芯片均取决于很高的集成度。　　Analog Devices 公司的 AD1954 信号处理 DAC 或许算是具有片上信号处理功能的数字音频转换器的一个极端例子。AD 1954 的核心是一个完全针对音频信号处理的 DSP 芯核。DAC 的前端可以复用3个串行数据和3个时钟源。DSP 芯核可以提供大量的滤波、电平检测以及动态控制功能，并为 2.0 或 2.1 立体声系统的3个 DAC提供信号。片上的程序与参数存储器允许你随时对 DSP 进行配置，相关的 GUI 界面软件提供了一种灵活配置芯片信号处理流程的方式，并可以修改每个功能的参数集（图 1）。GUI 可以创建装入 DAC 程序内存的文件。你还可以开发并装入多个参数RAM 设置，以在你的设备内实现多种工作模式。

     图 1，基于 GUI 的开发与配置软件可以方便地采纳 Analog Devices 公司 Sigma-DSP 产品系列的先进信号处理功能。　　除了通常的音调和音量控制以外，你还可以用 AD1954 的信号处理功能实现均衡器，以对音箱和房间的缺陷进行补偿。可以引入长达 6 毫秒的信号延迟，以调整不理想的音箱位置。你还可以拓宽两个音箱距离挨得过近的设备的立体声声像，小型立体声音响、电视机以及视频监视器的情况就是这样。

     　　主通道的差分输出最小可测量108 dB的A 加权 SNR，重低音通道最小可测量的A加权SNR 只比主通道小 4dB。这种售价为5.88美元（1000件批量）的 DAC，其THD 为：主通道 -93 dB，重低音通道 -90 dB。AD1954的输出是在 2.5V 共模电平上的 2.75V p-p ，精度为±数毫伏。Analog Devices公司 以 MQFP-44 和 TQFP-48 两种封装形式提供 AD1954。　　高集成度并不总是意味着往 IC 内纳入许多功能。它也可以表示一个器件可在极小的封装中提供某种基本功能。Cirrus Logic公司 用它的 CS434x 系列实现了这一目标。CS434x是一个 24 位192 kHz 立体声 DAC系列，它采用 TSSOP-10封装，可以用于所谓低价位的 DVD 娱乐设备、数字电视机和机顶盒，这些设备或者不需要音量和音调控制，或者用模拟的方式来实现。这一系列有4种产品，其中每种转换器只是在它们支持的数据接口格式上有所不同。通常某个控制寄存器中有几位用于管理这种区别。但 CS4344、45、46 和 48都没有控制端口的引脚。这四种DAC均可以自动检测 2 kHz音频采样率至每秒 200k 采样（实际应用中采用的是 32k ~ 192k采样/秒 的标准采样率），并提供 16 ~ 24 位的精度。　　CS434x DAC 由单电源供电。Cirrus 公司规定了这四种DAC由 5V 和 3.3V 电源供电时的性能，由5V电源供电时，分辨率高于 16 位，动态范围达 6 dB。如果考虑了这四种 DAC 的 THD 特性，则这种差异就不复存在。由5V电源供电时，要达到 16 位以及 16 位以上的分辨率，最小 A 加权 SNR 分别为 90 dB 和 99 dB，而由3.3V 电源供电时则分别为 90dB 和 93dB。16 位音频信号的最大 THD+N为 -87dB，而18 ~ 24 位音频信号的则为 -89dB。这四种转换器售价为 1.20 美元（1000件批量），工作温度为-10 ~ +70℃。采用 I2S 数据的CS4344，其工作温度范围为-40 ~ +85℃。　　高端消费类与专业设备市场　　如果把目光移向高端消费类设备和专业设备，则市场要求就开始模糊不清。高端消费类设备和专业设备两个市场都需要健康的价格竞争，但最终用户愿意花钱来获得看得见的性能优势。两种设备都把 24 位192 k 采样/秒作为基本要求。尽管消费类设备市场上仍有编解码器的用武之地，但专业设备几乎毫无例外地使用单独的 DAC 和 ADC。应用这一类器件的设备包括数字音频控制台、工作站、效果处理器、广播设备、高级音频视频接收机以及环绕声处理器。　　就像IC 制造商不断地为这些设备塞进各种规范一样，电路设计创新继续牺牲功能密度，而侧重于作为主要目标的原始性能。对于价格最不敏感的专业设备市场来说，这一特点可能体现在更宽的内部数据路径上，以防止数字滤波器或者高度线性的转换器的舍入误差。　　在芯片开发过程中，IC设计师更关心的是音频频带以外的线性。-∑转换器体系结构的一个优点，就是它可以把产生的噪声从基带转移到奈奎斯特频率以外的频带。在奈奎斯特频率上，就听音感受来说，听者几乎不在乎这种噪声。但是，超声频带的非线性会使噪声能量进入到音频频带内。在主观感受上，这种复杂的行为会降低声学透明度。据分析，在 1kHz 激励下的 额定THD 并不揭示这种性能特点。最佳的数据表数据可从特性曲线中找到，但要注意那些在音频频带高端陡峭下降的特性曲线；这些特性曲线很可能使用转换器外部的滤波器，虽然这种用法有其它原因，但在这一问题上，掩盖的内容要比揭示的多。

     图 2，采用多位-∑调制器的 DAC 都使用动态元素匹配方法来减少对 IC 内部器件匹配的依赖性（ Wolfson 微电子公司提供资料）。　　这一类转换器实际上全都采用多位 -∑体系 架构（图 2）。这一概念也逐渐应用于某些消费类装置，但未达到市场高端设备的先进水平。与单个位 DAC 一样，多位 DAC 也起始于一个内插式滤波器，从而提高了有效采样率，抑制了带外信号镜像的发生。DEM（动态单元匹配）阵列将来自多位 -∑调制器的信号分解成许多个被 -∑调制的信号（参考文献 5）。DEM 系统一般选择最近最少使用的单元来确定单个等权重信号的重组方法。这种方法可减小单个 DAC 部件为达到额定性能而必须进行的匹配的程度（参考文献 6）。　　德州仪器公司Burr-Brown 部的四通道 PCM4104 DAC 就是一个高性能音频转换器的实例。PCM 4104 可以接受常用格式（左调整、右调整 及 I2S）的、采样速率高达 200 k 采样/秒的 16位、18位、20位 和 24 位音频数据，以及与 DSP 串行端口简单接口的 TDM（时分复用）数据流。　　这种四转换器可用作为独立器件，你也可以通过一个四线 SPI 在软件控制下对它进行配置。软件控制能利用诸如数字混音台所需的单独通道的静音和输出信号倒相等功能。　　PCM 4104 DAC可为5Ω差动输出端提供能驱动600Ω负载的6.15Vp-p电压范围。TI公司 在 通常的 1k 采样/秒激励为odB的情况下，将 THD 限制在 采样率为48k采样/秒时的 -94 dB以下。为在 96k 和 192k 采样/秒下测量 THD，该公司还将测量带宽扩展至 40 kHz，但在96k和192k两种采样率的THD 典型值分别为-100dB 和 -97 dB。在所有采样率下，典型的未加权 SNR 均优于 113 dB，但 TI公司 没有公布这款售价为7.50 美元的 IC 的 SNR 极限值。PCM4104 采用TQFP-48 封装，可由 5V 模拟电源和 3.3V 数字电源供电。其功耗在 48k 采样/秒下仅为 256 mW ，在更高采样率下则相应增大。　　Cirrus Logic公司 的 CS4398 立体声 DAC 可以处理普通 PCM 格式的 16 位~24 位数字音频数据，支持高达 192k采样/秒 的采样率。它还有一个 DSD 位流输入端。PCM 和 DSD两个 输入端均有可以通过控制端口来使用的对数式音量控制器。你可以在过零时以固定斜率或固定的 1/8 dB/过零斜率立刻改变单个通道的音量及静音状态。除了软件控制的音量和静音机制外，你可以针对将转换器作为独立器件而工作的设备在硬件控制下对每个通道单独静音。　　在采用 24 位 PCM 数据和不足3dB DSD 输入的情况下，售价为4.32美元（1000件批量）的CS4398的动态范围为 A 加权 114 dB，非加权 111 dB。在 采用24 位 PCM 或 DSD 输入时， THD 限制为在-99 dB以下。该器件具有 50Ω 差动输出端，可以驱动 1kΩ 负载。该器件由 5V电源供电时，功耗为 340 mW，当你用一个 3.3V 电源为数字部分供电时，功耗降为 240 mW，而在断电模式下功耗为 1 mW。　　CS4398采用TSSOP-28封装。与它配套的 ADC，即 CS5381，具有一个五阶 -∑调制器。它有 TSSOP-24 和 SOIC-24 两种封装形式，售价为 14.95 美元（1000件批量）。　　AKM公司 提供一款192k 采样/秒的24位 -∑ ADC，其型号为AK5385。它具有差分输入端和一个线性相位抽取滤波器，适用于高端音频/视频接收机、家庭视频录像机和乐器。AK5385 的采样率范围为 8采样/秒 至 216k采样/秒。其体系结构包括数字部分中的一个高通滤波器，它可以消除输入偏移，并确保一个以零为中心的数据流。　　在 带宽为20 kHz、 -1 dB 满量程内，48k 采样/秒的信噪比加失真最小值为 -92 dB，而在带宽为40 kHz、采样率为96k 采样/秒时为 -90 dB。最小 A 加权 SNR 测量值为 107 dB。AK53885型 立体声 ADC 采用VSOP-28封装，售价为 5 美元（5000件批量）。　　Wolfson 公司WM8740 体现出多位 -∑ DAC体系 结构的一个有趣的变化。一个具有14 个非等同加权单元的 DEM 块在几个级联级中分解 6 位 PCM 字。WM 8740 的 DEM 阵列包括两个1元素和两个 2 ×元素、两个 4 ×元素以及 8 个 8 ×元素。一个个元素都根据每一级的 LSB，按相同或不相同的极性组合起来。在作用于 LSB 后，每一级都将剩余部分传送给下一级。在级联的最末端，最终剩余部分送给一个非加权的 DEM 块。WM 8740 的 DEM 块在元素选择过程中使用随机数序列，以防止输出端出现重复元素访问模式在单个元素存在非理想状态时产生的各种单音。

     图 3，一个基于 DEM 的具有非等同加权元素的体系结构，可降低 Wolfson公司 WM8740型 DAC 的带外噪声。　　Wolfson 公司 非等同加权 DEM 块的效果是，与基于多位 -∑ 调制器的普通 DAC 相比，带外噪声显著降低（图 3）。该DAC 的带内SNR 在带宽为 20kHz、 采样率为48k采样/秒时为 110 dB。THD 优于 -95 dB。　　这种售价为4.56美元（1000件批量）的立体声 DAC可以以独立的硬件模式工作，也可以通过四线 SPI 接口在软件控制下工作。硬件控制引脚可以对器件的音频数据格式、去加重和静音状态进行配置。软件控制增加 256 级 0.5 dB 步长的衰减和倒相两种功能。你还可以将 WM8740 配置成一个单通道器件。在这种差分单声道模式下，两个输出端以相反的相位工作。当两个通道恰当地组合起来时，就能组成一个典型 SNR 提高 3 dB的单声道。在这种配置下，你可以将两个采用SSOP-28封装的、 时钟与音频输入端共用的WM8740连接在一起，以实现一个立体声DAC配对。　　Wolfson公司还报道了在数字滤波器设计领域的新成果，并声称有利于实现不遵守线性相位响应的数字滤波器。虽然许多制造商都用某些方式描述它们的数字滤波器振幅性能，但几乎没有一家制造商提供有关相位响应的细节。尽管 IC 设计师承认转换器相位响应具有听得见的结果，但客观观测与主观观测之间尚没有实用的相关性获得业界认同。　　参考文献

     　　1. Fletcher, Harvey and WA Munson, "Loudness: its definition measurement and calculation," Journal of the Acoustical Society of America, Volume 5, pg 82, October 1933.

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     　　3. "Normal Equal-Loudness Level Contours," International Organization for Standardization, ISO 226, 1987.

     　　4. Stevens, SS, "Perceived Level of Noise by Mark VII and Decibels (E)," Journal of the Acoustical Society of America, Volume 51, pg 575, 1972.

     　　5. Hossack, D, P Frith, J Hayes, and A Jackson, "Design and evaluation of an audio DAC with non-uniformly weighted dynamic element matching," Wolfson Microelectronics, 2003.

     　　6. Norsworth, S, R Schreier, and GC Temes, editors, Delta-Sigma Data Converters," IEEE Press, 1997.