具有PCM和DSD雙功能的DAC芯片PCM1738

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

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)的又一片應用于高檔音響設備的雙功能解碼芯片。該芯片既可對DVD-Audio的24bit/192kHz的PCM編碼數(shù)字音頻信號進行解碼，又可以對SACD的64fs/1bit的DSD編碼數(shù)字音頻進行解碼，而且性能良好。因此，它是目前開發(fā)高檔音頻播放機或進行音響數(shù)模變換的理想器件。

2 PCM1738的特點和性能

圖1所示是PCM1738的結構功能框圖，其各引腳的功能說明如表1所列。PCM1738的主要特點如下：

●上有24bit分辨率；

●取要頻率達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，從而使輸入信號可以和更高檔的外部數(shù)字濾波器進行連接；

●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的高級段工作原理

PCM1738的高級段（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1/1677216=0.00000006，因此，元件精度和電路結構都制約最終的實際精度。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的捷徑。

PCM1738高級段DAC的總體原理如圖2所示。其高級段的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、高級段數(shù)據(jù)加權平均DWA和67個電平差動電流段構成。當經(jīng)過格式變化后的數(shù)字輸出數(shù)據(jù)進入數(shù)字濾波器后，它首先通過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bit的數(shù)據(jù)。運行時，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個臺階的粗波形（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）稱反相補償失調(diào)二進制，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，在對輸入幅度較大的信號進行調(diào)制時，每個取樣點在振幅方向上的移動設定在1個電平之內(nèi)。這樣支使振幅對時間軸的誤差（主時鐘引起）相對小一些。

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)制信號傳送下去，最后進行數(shù)碼變換操作。

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

電流段（Segment）DAC由對模擬量相同加權的平衡差動電流部分和對此電流段進行開/關控制的電流開關構成。它是從數(shù)字信號變換到模擬信號的DAC的心臟。圖4是電流段的簡化等效電路。它共有75對差動電流源，可用來自高級DWA的67種電平按輸入量和控制時鐘來對其進行控制以完成變換工作。由于這75對電流源處理67種電平有足夠的余量，因而各個電流源都能工作在最佳狀態(tài)，而不會出現(xiàn)無聲音調(diào)或特大振幅時的失配誤差。

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

圖4的電流源結構也可以用于64fs/1bit的DSD信號的數(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)之權重，此時各電流源采用差動方式工作，以便獲得高品質(zhì)的DSD/模擬變換。

4 PCM1738的應用電路

圖6是PCM1738的應用電路。其中音頻數(shù)據(jù)接入、工作時鐘、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估板的實際電路。PCM1738中D/A變換器的模擬輸出為平衡差動電流，其滿幅度（0dB）時為±2.5mA，峰峰值為5mA。所以使用時必須外加電流/電壓（I/V）變換電路，而且同時需要進行雙端/單端變換。當I0端子處于滿幅度時，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，所以實際輸出電壓變?yōu)閮奢斎胄盘栔?。即?/P>

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

這樣可得出輸出峰-峰值Vp-p應為2.192Vrms。

頻率響應由與反饋電阻并聯(lián)的電容決定，按照DVD-Audio和SACD標準，其信號的帶域要求應達到100kHz。但實際上仍可根據(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：為了達到THD+N小于0.001%和S/N高于120dB的要求，應當選擇合適的運放。選擇運放需要考慮基本指標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、建立時間及非線性失真等。

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