具有PCM和DSD雙功能的DAC芯片PCM1738

摘要：PCM1738是B-B公司生產(chǎn)的高級(jí)數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)碼音響芯片，利用它可以同時(shí)對(duì)SACD音頻格式的DSD數(shù)據(jù)流和DVD-Audio用的PCM編碼進(jìn)行數(shù)據(jù)變換和解碼。文中介紹了PCM1738的基本原理、主要性能指標(biāo)及應(yīng)用信息，同時(shí)對(duì)其高級(jí)段DAC和電流段DAC的新技術(shù)做了描述。

1 概述

PCM1718是B-B公司繼24bit/192kHz正弦量方式DAC解碼芯片PCM1704和SACD的DSD解碼芯片PCM1700之后，最新開發(fā)的又一片應(yīng)用于高檔音響設(shè)備的雙功能解碼芯片。該芯片既可對(duì)DVD-Audio的24bit/192kHz的PCM編碼數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行解碼，又可以對(duì)SACD的64fs/1bit的DSD編碼數(shù)字音頻進(jìn)行解碼，而且性能良好。因此，它是目前開發(fā)高檔音頻播放機(jī)或進(jìn)行音響數(shù)模變換的理想器件。

2 PCM1738的特點(diǎn)和性能

圖1所示是PCM1738的結(jié)構(gòu)功能框圖，其各引腳的功能說(shuō)明如表1所列。PCM1738的主要特點(diǎn)如下：

●上有24bit分辨率；

●取要頻率達(dá)10～192kHz；

●具有多種接口格式功能，其中16/20/24bit為后接格式，16/20/24bit I2S，24bit為前接格式；

●系統(tǒng)時(shí)鐘有128/192/256/384/512/768fs多種選擇，其中fs的范圍為32kHz～192kHz；

●模擬輸出差動(dòng)電流為±2.5mA(Iout端輸出)；

●內(nèi)含8倍超取樣數(shù)字濾波器，可選擇快慢兩種斜降，并且無(wú)域外噪聲上升現(xiàn)象；

●具有數(shù)字音量衰減、軟靜噪、零檢出門閂和去加重等功能；

●具備DSD模式，并具有四種濾波模式可供選擇；

●具備DF旁路模式，可隔離PCM1738內(nèi)部的數(shù)字濾波器，從而使輸入信號(hào)可以和更高檔的外部數(shù)字濾波器進(jìn)行連接；

●采用模擬5V和數(shù)字3.3V的電源；

●采用28腳SSOP封裝形式。

表1 PCM1738管腳功能表

3 PCM1738的高級(jí)段工作原理

PCM1738的高級(jí)段（Advance Segment）DAC和電流段DAC是B-B公司專門為PCM1738新開發(fā)后種新穎的數(shù)模變換方法。由于24bit分辨精度高達(dá)1/1677216=0.00000006，因此，元件精度和電路結(jié)構(gòu)都制約最終的實(shí)際精度。在現(xiàn)有集成電路制作的工藝水平條件下，開發(fā)新型電路是一種能較快提高水準(zhǔn)的捷徑。

PCM1738高級(jí)段DAC的總體原理如圖2所示。其高級(jí)段的DAC方式主要由反相被償失調(diào)雙極型ICOB解碼部分、5電平三階Δ-∑調(diào)制、高級(jí)段數(shù)據(jù)加權(quán)平均DWA和67個(gè)電平差動(dòng)電流段構(gòu)成。當(dāng)經(jīng)過(guò)格式變化后的數(shù)字輸出數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)字濾波器后，它首先通過(guò)八倍超取樣變換成為24bit/8fs數(shù)據(jù)，然后再將其分割成上位和下位兩段。其中上位段為除去最高位MSB的6bit數(shù)據(jù)，而下位段則是MSB和后17bit組成的一共18個(gè)bit的數(shù)據(jù)。運(yùn)行時(shí)，將上位6bit輸入ICOB解碼部分，而將下位18bit數(shù)據(jù)則輸入5電平三階Δ-∑調(diào)制器。這樣利用上位6bit即可調(diào)制出64個(gè)臺(tái)階的粗波形（m=2的6次方=64），而下位18bit即是數(shù)據(jù)中的6位所不含的殘留量。

解碼器ICOB（Inverted Complementary Offset Binary）稱反相補(bǔ)償失調(diào)二進(jìn)制，它把不含MSB的6bit數(shù)據(jù)變換成64電平數(shù)據(jù)，然后再分割成適合于電流段工作的63電平工作碼輸出。

5電平三階Δ-∑調(diào)制器的等效電路見圖3所示，在對(duì)輸入幅度較大的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制時(shí)，每個(gè)取樣點(diǎn)在振幅方向上的移動(dòng)設(shè)定在1個(gè)電平之內(nèi)。這樣支使振幅對(duì)時(shí)間軸的誤差（主時(shí)鐘引起）相對(duì)小一些。

63電平的ICOB數(shù)字輸出和5電平三階Δ-∑調(diào)制器輸出的電平量均為1，在求和電路中可以直接相加成為67電平的ICOB碼，然后再加上Δ-∑調(diào)制信號(hào)傳送下去，最后進(jìn)行數(shù)碼變換操作。

數(shù)碼變換的操作分為兩步，分別為高級(jí)DWA和電流段DAC。高級(jí)DWA（Advance Data Weighted Averaging）可用來(lái)產(chǎn)生數(shù)模變換之后的電流段中需要的最合適的工作時(shí)鐘。為了最大限度地抑制模擬誤差，PCM1738用獨(dú)立的定時(shí)控制和一階噪聲整形操作相組合來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的低抖動(dòng)（jitter）。

電流段（Segment）DAC由對(duì)模擬量相同加權(quán)的平衡差動(dòng)電流部分和對(duì)此電流段進(jìn)行開/關(guān)控制的電流開關(guān)構(gòu)成。它是從數(shù)字信號(hào)變換到模擬信號(hào)的DAC的心臟。圖4是電流段的簡(jiǎn)化等效電路。它共有75對(duì)差動(dòng)電流源，可用來(lái)自高級(jí)DWA的67種電平按輸入量和控制時(shí)鐘來(lái)對(duì)其進(jìn)行控制以完成變換工作。由于這75對(duì)電流源處理67種電平有足夠的余量，因而各個(gè)電流源都能工作在最佳狀態(tài)，而不會(huì)出現(xiàn)無(wú)聲音調(diào)或特大振幅時(shí)的失配誤差。

PCM1738除了可以對(duì)DVD-Audio的24bit/192kHz PCM編碼進(jìn)行數(shù)模變換外，還具有對(duì)SACD的DSD直接數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)模變換的能力。

圖4的電流源結(jié)構(gòu)也可以用于64fs/1bit的DSD信號(hào)的數(shù)碼變換，如果將其作為模擬FIR濾波器使用，基功能相當(dāng)于圖5所示的FIR濾波器。其中延遲單元D和各種電流段的數(shù)值即為各節(jié)之權(quán)重，此時(shí)各電流源采用差動(dòng)方式工作，以便獲得高品質(zhì)的DSD/模擬變換。

4 PCM1738的應(yīng)用電路

圖6是PCM1738的應(yīng)用電路。其中音頻數(shù)據(jù)接入、工作時(shí)鐘、控制用串行數(shù)據(jù)接口等部分在圖中已經(jīng)略去，模擬輸出部分公司評(píng)估板的實(shí)際電路。PCM1738中D/A變換器的模擬輸出為平衡差動(dòng)電流，其滿幅度（0dB）時(shí)為±2.5mA，峰峰值為5mA。所以使用時(shí)必須外加電流/電壓（I/V）變換電路，而且同時(shí)需要進(jìn)行雙端/單端變換。當(dāng)I0端子處于滿幅度時(shí)，其輸出Iout為±2.5mA，圖中的反饋電阻R11，R12，R21，R22均為620Ω，這樣，I/V變換出的電壓V0將為±（2.5Rf）mA。另外，由于后段部分帶濾波作用的雙端/單端變換輸出的增益為1，所以實(shí)際輸出電壓變?yōu)閮奢斎胄盘?hào)之差。即：

Vout=Vo-(-Vo)=2Vo,

這樣可得出輸出峰-峰值Vp-p應(yīng)為2.192Vrms。

頻率響應(yīng)由與反饋電阻并聯(lián)的電容決定，按照DVD-Audio和SACD標(biāo)準(zhǔn)，其信號(hào)的帶域要求應(yīng)達(dá)到100kHz。但實(shí)際上仍可根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)調(diào)整，本電路中的電容電阻值所決定的最終帶寬為70kHz。

需要特別提出的是：為了達(dá)到THD+N小于0.001%和S/N高于120dB的要求，應(yīng)當(dāng)選擇合適的運(yùn)放。選擇運(yùn)放需要考慮基本指標(biāo)有輸入換算噪聲電壓、輸入換算噪塊電流、開環(huán)增益帶寬、上升速率、建立時(shí)間及非線性失真等。

按一般播放機(jī)的輸出電平（2Vrms）和信噪比（-120dB）要求折合出的噪聲電平只有2μv，這就是說(shuō)，運(yùn)放和電阻電容等器件的噪聲是決定最終設(shè)備的雜音電平的主要因素，因而必須注意每個(gè)環(huán)節(jié)的品質(zhì)指標(biāo)以便獲得最佳的音質(zhì)。