16位PCM音频DAC AD1856：高性能音频解决方案

在音频设备的世界中，数字模拟转换器（DAC）起着至关重要的作用。它决定了音频信号从数字形式转换为模拟形式的质量，进而影响到我们听到的声音的纯净度和真实感。今天，我们就来详细探讨一款高性能的16位PCM音频DAC——AD1856。

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一、AD1856概述

AD1856是一款单片、16位脉冲编码调制（PCM）音频DAC。它集成了电压输出放大器、16位DAC、16位串行转并行输入寄存器和电压基准。数字部分采用了ADI公司的BiMOS II工艺的CMOS逻辑元件，模拟部分则使用了双极型和MOS器件以及薄膜电阻。这种电路元件的组合加上精心的设计和布局技术，实现了高性能的音频播放。

1. 主要特性

• 低失真：总谐波失真（THD）仅为0.0025%，经过激光微调线性误差，可实现极低的总谐波失真。这意味着在音频播放过程中，能够最大程度还原音频的原始信号，减少失真。想象一下，听一首古典音乐，低失真能让你清晰地听到每一个乐器的声音，感受到音乐的原汁原味。
• 快速稳定：输出放大器具有快速稳定和高转换速率，能在负载电流高达±8 mA时提供完整的±3 V信号。输出稳定时间仅为1.5 μs，允许2×、4×和8×过采样，这对于处理不同采样率的音频信号非常重要。就好比在处理高采样率的音频文件时，能够快速准确地进行转换，保证音质的流畅性。
• 宽电源范围：可在±5 V至±12 V电源下工作，适用于便携式和家用市场。同时，数字电源和模拟电源可以分开，以减少数字串扰，还提供了独立的模拟和数字接地引脚。不同的设备可能有不同的电源要求，AD1856的宽电源范围使其能够适应各种应用场景。
• 超线性性能：提供可选的微调功能，允许超线性操作，可消除中规模处的残余差分线性误差，这对于低幅度信号的低失真重建尤为重要。在处理低音量的音频信号时，能够保证信号的质量不受影响。
• 串行输入接口：与消费音频产品中常用的数字滤波器芯片兼容，输入时钟可支持10 MHz的时钟速率。这种兼容性使得AD1856可以方便地与其他音频设备集成，简化了电路设计。

2. 应用领域

• 光盘播放器：无论是便携式CD播放器还是家用CD播放机，AD1856都能提供高质量的音频转换，让你享受清晰、纯净的音乐。
• 数字音频放大器：为音频放大器提供准确的模拟信号，增强音频的放大效果。
• DAT录音机和播放器：在数字音频磁带的录制和播放过程中，保证音频信号的准确转换和还原。
• 合成器和键盘：为音乐创作和演奏设备提供高质量的音频输出，满足专业音乐人的需求。

二、工作原理

1. 整体架构

从功能框图来看，AD1856包含电压基准、输出放大器、16位DAC、16位输入锁存器和16位串行转并行输入寄存器。电压基准由带隙电路和缓冲放大器组成，能产生随时间和温度变化稳定的输出电压。这就好比是整个电路的“稳定器”，为后续的信号处理提供了稳定的基础。

2. 数字模拟转换

16位数字模拟转换器采用分段解码器和R - 2R架构的组合，以实现一致的线性度和差分线性度。形成梯形结构的电阻采用硅铬薄膜制造，并通过激光微调进一步降低线性误差，从而实现低输出失真。这种结构就像是一个精确的“翻译官”，准确地将数字信号转换为模拟信号。

3. 输出放大器

输出放大器使用MOS和双极型器件，实现低失调、高转换速率和最佳稳定时间。结合片上反馈电阻，可将输出电流转换为电压输出。它起到了将转换后的信号进行放大和优化的作用，确保输出的信号能够满足后续设备的要求。

三、电路设计注意事项

1. 接地建议

AD1856有模拟和数字两个接地引脚（AGND和DGND）。模拟接地引脚是器件模拟部分的高质量接地参考点，数字接地引脚用于返回数字逻辑部分的接地电流。两个引脚都应直接连接到单个实心接地平面，并合理布局元件，避免模拟和数字返回电流相互交叉。良好的接地设计可以减少干扰，提高信号的完整性，就像为电路搭建了一个稳定的“地基”。

2. 电源供应和解耦

AD1856有四个电源输入引脚。(+V{s}) 和 (-V{s}) 为DAC的线性部分（包括电压基准、输出放大器和控制放大器）提供电源，可在±5 V至±12 V范围内工作。(+V{L}) 和 (-V{L}) 为芯片的数字部分（包括输入移位寄存器和输入锁存电路）供电，同样在±5 V至±12 V范围内工作，但需满足 (+V{L}) 不大于 (+V{S}) ， (-V{L}) 不小于 (-V{s}) 的条件。所有电源引脚都应使用去耦电容，并尽量靠近封装引脚。合理的电源设计可以保证电路的正常工作，避免电源波动对音频信号产生影响。

3. 总谐波失真测试

ADI公司基于THD性能对所有AD1856器件进行测试和分级。测试时，将代表0 dB、 - 20 dB或 - 60 dB正弦波的数字数据流以4× fS速率（176.4 kHz）发送到被测设备，频率为990.5 Hz。自动测试设备对输出测试波形的4096个样本进行数字化处理，进行4096点FFT，根据990.5 Hz输出波的前九次谐波计算总谐波失真。通过这种严格的测试，能够保证产品的质量和性能。

4. 可选的MSB调整

对于低输出电平下的最佳性能，可以使用可选的MSB调整电路来消除中规模周围的残余差分线性误差。当信号幅度减小时，中规模差分线性误差与信号幅度的比值会增加，THD也会增加，使用该电路可以有效改善这一问题。这就像是对电路进行“微调”，让它在不同的工作条件下都能发挥最佳性能。

5. 数字电路考虑

数据以16位字的串行、MSB优先格式传输到AD1856，需要数据、时钟和锁存使能三个信号。输入数据位在时钟信号的上升沿时钟进入输入寄存器，第16个时钟脉冲时钟输入LSB。所有数据位加载完成后，一个下降沿的锁存使能脉冲更新DAC输入。AD1856的输入引脚与TTL和5 V CMOS兼容，输入时钟可运行在10 MHz的速率，允许2×、4×或8×过采样重建。在设计数字电路时，要严格按照这些时序要求进行，确保数据的准确传输和处理。

四、应用架构

1. 单系统单DAC架构

在典型的第一代数字音频系统中，每个系统使用一个AD1856来再现立体声通道。输入数据以左声道数据和右声道数据交替的格式输入，AD1856的输出在左声道和右声道输出采样保持放大器（SHAs）之间切换。这种架构适用于低端家用或便携式系统，但由于多路复用输出中引入的相位延迟，在中高质量数字音频再现中的应用受到限制。可以通过引入第三个非反相SHA来延迟一个声道的输出，以恢复同时再现，消除相移。在实际应用中，需要根据具体的系统要求来选择是否采用这种架构以及是否需要进行相移补偿。

2. 每通道单DAC架构

为了消除左右声道之间的相位延迟，每个声道使用一个DAC。在这种架构中，左声道和右声道的输入数据位流同时发送并锁存到每个DAC中，适用于更高性能的数字音频播放单元。这种架构能够提供更准确的声道分离和更好的音频质量，对于对音质要求较高的设备是一个不错的选择。

3. 每通道双DAC架构（四DAC系统）

在这种架构中，每个声道使用两个DAC，每个DAC再现输出波形的一半。优点是中规模差分线性误差不再影响波形的过零点，将其影响转移到输出波形过±3/4满量程的点，从而大大提高了低幅度信号的THD性能。但需要一个VLSI电路将输入数据分离成每个DAC所需的适当形式。在一些对低幅度信号处理要求较高的专业音频设备中，可以考虑采用这种架构。

五、过采样技术

1. 过采样的概念

过采样是指重建频率是原始量化数据速率的整数倍（2倍或更多）的播放技术。例如，在光盘立体声数字音频播放单元中，原始量化数据采样率为44.1 kHz，常见的过采样率为2× fS或4× fS，分别产生88.2 kHz和176.4 kHz的重建率。过采样技术通过提高重建频率，使得低通滤波器的设计更加容易，降低了成本和失真。

2. 过采样的优势

过采样可以减轻通常跟随重建DAC的低通滤波器的性能约束。在从采样数据重建的信号中，输出频谱会引入不期望的频率分量，这些分量以重建频率为中心。使用更高的过采样率可以使最低不期望的频率分量升高，从而可以使用更简单的滤波器来去除这些分量，降低滤波器的阶数，减少失真并降低成本。在设计音频系统时，合理选择过采样率可以优化系统的性能和成本。

3. 实现8× fS过采样

使用Yamaha YM3414数字滤波器芯片和两个AD1856音频DAC可以实现8× fS过采样。使用16.9344 MHz时钟，可实现极高性能的8×过采样率，并且可以使用较低阶的低通滤波器而不牺牲性能。DAC输入数据通过YM3414上的专用左右声道输出引脚同时传输到DAC的输入寄存器，并提供可选的采样保持信号。这种组合为高性能音频系统提供了一种有效的解决方案。

六、产品规格和订购信息

1. 规格参数

AD1856在 (T{A}=25^{circ} C) ， (V{L}= pm 5 ~V) ， (V{S}= pm 5 ~V) 条件下有一系列典型参数，如分辨率为16位，输入电压高（VH）为2.4 V至 (+V{L}) ，输入电压低（VL）为0至0.8 V等。这些参数为工程师在设计电路时提供了重要的参考依据，确保电路能够在合适的条件下正常工作。

2. 绝对最大额定值

包括电源电压、数字输入电压等的绝对最大额定值，超过这些额定值可能会对器件造成永久性损坏。在使用AD1856时，必须严格遵守这些额定值，以保证器件的可靠性和稳定性。

3. 订购指南

提供了不同型号的AD1856，如AD1856RZ、AD1856RZ - REEL等，每个型号有不同的温度范围、满量程输出时的THD和封装选项。工程师可以根据具体的应用需求选择合适的型号。

AD1856以其高性能、低失真、宽电源范围和多种应用架构等特点，成为了音频设备设计中的理想选择。在实际设计过程中，工程师需要根据具体的应用场景和要求，合理考虑电路设计、应用架构和过采样技术等方面，以充分发挥AD1856的优势，实现高质量的音频播放。你在使用类似的DAC过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。