DSD1793：24位、192kHz采樣音頻立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器的深度解析

在音頻處理領(lǐng)域，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的性能對音頻質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。今天我們要深入探討的是德州儀器（Texas Instruments）的DSD1793，一款24位、192kHz采樣的先進(jìn)分段音頻立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

文件下載：dsd1793.pdf

一、DSD1793的核心特性

1. 數(shù)據(jù)格式支持

DSD1793支持DSD和PCM兩種格式，這使得它在兼容性上表現(xiàn)出色。它能夠接受16 - 24位的音頻數(shù)據(jù)，PCM數(shù)據(jù)格式涵蓋標(biāo)準(zhǔn)、I2S和左對齊格式，同時還提供DSD格式接口，為不同的音頻應(yīng)用場景提供了豐富的選擇。

2. 卓越的模擬性能

• 動態(tài)范圍：高達(dá)113dB，能夠清晰地還原音頻信號中的細(xì)微變化，讓聽眾感受到更加豐富的音頻細(xì)節(jié)。
• THD + N：低至0.001%，有效減少了諧波失真和噪聲，保證了音頻的純凈度。
• 滿量程輸出：在后置放大器處可達(dá)2.1V rms，提供了足夠的信號強(qiáng)度。
• 差分電壓輸出：滿量程時為3.2V p - p，能夠滿足不同音頻系統(tǒng)的需求。

3. 強(qiáng)大的數(shù)字濾波器

采用8倍過采樣數(shù)字濾波器，具有出色的阻帶衰減（ - 82dB）和極小的通帶波紋（±0.002dB），能夠有效濾除噪聲，提高音頻的質(zhì)量。

4. 靈活的時鐘和采樣頻率

采樣頻率范圍為10kHz至200kHz，系統(tǒng)時鐘支持128、192、256、384、512或768 fs，并具備自動檢測功能，方便與不同的音頻系統(tǒng)進(jìn)行匹配。

5. 用戶可編程功能

通過I2C兼容的串行端口，用戶可以對數(shù)字衰減（0dB至 - 120dB，0.5dB/步）、數(shù)字去加重、數(shù)字濾波器滾降（尖銳或緩慢）、軟靜音等功能進(jìn)行編程控制，滿足個性化的音頻處理需求。

二、電氣特性分析

1. 絕對最大額定值

在使用DSD1793時，需要注意其絕對最大額定值，如電源電壓（VCCF、VCCL、VCCC、VCCR為 - 0.3V至6.5V，VDD為 - 0.3V至4V）、數(shù)字輸入電壓等參數(shù)。超出這些額定值可能會導(dǎo)致器件永久性損壞，因此在設(shè)計電路時必須嚴(yán)格遵守。

2. 電氣性能參數(shù)

• 數(shù)字輸入/輸出：邏輯電平與TTL兼容，輸入輸出電壓和電流都有明確的規(guī)定，確保了與其他數(shù)字電路的良好兼容性。
• 動態(tài)性能：在PCM和DSD模式下，DSD1793都表現(xiàn)出了優(yōu)秀的動態(tài)性能，如不同采樣頻率下的THD + N、動態(tài)范圍、信噪比和聲道分離度等指標(biāo)都非常出色。
• 模擬輸出：增益誤差、增益失配、雙極性零誤差等參數(shù)都在合理范圍內(nèi)，差分輸出電壓和雙極性零電壓也有明確的定義，為音頻系統(tǒng)的設(shè)計提供了可靠的依據(jù)。

3. 電源要求

DSD1793采用雙電源供電，5V模擬電源和3.3V數(shù)字電源，不同采樣頻率下的電源電流也有所不同。在設(shè)計電源電路時，需要根據(jù)實際的采樣頻率來選擇合適的電源，以確保器件的正常工作。

三、功能模塊詳解

1. 系統(tǒng)時鐘和復(fù)位功能

• 系統(tǒng)時鐘輸入：DSD1793需要一個系統(tǒng)時鐘來驅(qū)動數(shù)字插值濾波器和先進(jìn)分段DAC調(diào)制器，系統(tǒng)時鐘通過SCK輸入（引腳5），并具備自動檢測功能。常見音頻采樣率對應(yīng)的系統(tǒng)時鐘頻率在文檔中有詳細(xì)的表格列出，方便工程師進(jìn)行設(shè)計。
• 電源復(fù)位功能：當(dāng)VDD > 2V時，電源復(fù)位功能啟用，初始化序列需要1024個系統(tǒng)時鐘。復(fù)位后，DSD1793將設(shè)置為默認(rèn)復(fù)位狀態(tài)。

2. 音頻數(shù)據(jù)接口

• 音頻串行接口：采用3線串行端口（PLRCK、PBCK和PDATA），PBCK作為串行音頻位時鐘，PLRCK作為串行音頻左右字時鐘。DSD1793要求PLRCK和系統(tǒng)時鐘同步，但不要求特定的相位關(guān)系。
• PCM音頻數(shù)據(jù)格式和時序：支持多種PCM音頻數(shù)據(jù)格式，通過控制寄存器18中的格式位進(jìn)行選擇，默認(rèn)數(shù)據(jù)格式為24位I2S。所有格式都要求二進(jìn)制補(bǔ)碼、MSB優(yōu)先的音頻數(shù)據(jù)。
• 外部數(shù)字濾波器接口和時序：支持與外部數(shù)字濾波器（如DF1704、DF1706、PMD200等）的接口，通過控制寄存器20中的DFTH位進(jìn)行選擇。在外部DF模式下，部分引腳的功能會發(fā)生變化。
• DSD格式接口和時序：支持DSD格式接口操作，通過控制寄存器20中的DSD位進(jìn)行激活。DSD格式接口采用3線同步串行端口（DBCK、DSDL和DSDR），在DSD模式下，PLRCK和PBCK必須連接到GND。

3. 功能描述

• 零檢測功能：當(dāng)DSD1793檢測到特定的零條件時，會將ZEROL和ZEROR引腳設(shè)置為高電平，方便工程師進(jìn)行音頻信號的監(jiān)測。
• 串行控制接口（I2C）：作為從設(shè)備支持I2C串行總線和標(biāo)準(zhǔn)及快速模式的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，具有7位從地址，最多可以在同一總線上連接四個DSD1793。
• 噪聲抑制：采用系統(tǒng)時鐘（SCK）進(jìn)行噪聲抑制，但在某些特定條件下可能會出現(xiàn)誤判，如SCK周期過長、噪聲尖峰出現(xiàn)在特定位置等情況。

4. 模式控制寄存器

DSD1793包含多個用戶可編程的模式控制寄存器，通過串行控制接口進(jìn)行編程。這些寄存器可以控制數(shù)字衰減、輸入音頻數(shù)據(jù)格式、采樣率選擇、去加重控制、軟靜音控制等功能，為工程師提供了豐富的音頻處理選項。

四、應(yīng)用電路設(shè)計

1. 模擬輸出

• 輸出電平與LPF：DAC差分電壓輸出在0dB（滿量程）時為3.2V p - p，LPF的電壓輸出可以通過公式 (V{OUT }=3.2 V p - p timesleft(R{f} / R{i}right)) 進(jìn)行計算，其中 (R{f}) 為LPF中的反饋電阻， (R_{i}) 為輸入電阻。
• 運算放大器選擇：推薦使用OPA2134或5532類型的運算放大器，以獲得指定的音頻性能。運算放大器的動態(tài)性能（如增益帶寬、建立時間和壓擺率）對LPF部分的音頻動態(tài)性能起著關(guān)鍵作用。

2. 外部數(shù)字濾波器接口應(yīng)用

在某些應(yīng)用中，使用外部數(shù)字濾波器可以提供更好的阻帶衰減。DSD1793支持與多種外部數(shù)字濾波器的接口，通過編程控制寄存器20中的DFTH位來選擇外部數(shù)字濾波器模式。在該模式下，部分引腳的功能會發(fā)生變化，需要注意接口的時序和數(shù)據(jù)格式。

3. DSD格式接口應(yīng)用

DSD模式用于直接連接DSD解碼器，如超級音頻CD（SACD）應(yīng)用。通過編程控制寄存器20中的DSD位來激活DSD模式，該模式提供了低通濾波功能，通過DMF[1:0]選擇模擬FIR濾波器的性能。在DSD模式下，需要注意位時鐘和系統(tǒng)時鐘的要求，以及接口的時序。

五、PCB布局和電路設(shè)計注意事項

1. PCB布局

• 分區(qū)隔離：推薦使用接地平面，將模擬和數(shù)字部分進(jìn)行隔離，DSD1793的數(shù)字I/O引腳應(yīng)朝向接地平面的分割處，以確保與數(shù)字音頻接口和控制信號的短而直接的連接。
• 電源分離：數(shù)字和模擬部分應(yīng)使用單獨的電源，以防止數(shù)字電源上的開關(guān)噪聲干擾模擬電源，從而影響D/A轉(zhuǎn)換器的動態(tài)性能。在使用公共5V電源時，需要在模擬和數(shù)字5V電源連接之間放置電感（RF扼流圈、鐵氧體磁珠）。

2. 旁路和去耦電容

各種尺寸的去耦電容都可以使用，但應(yīng)盡量靠近DSD1793的相應(yīng)引腳，以減少周圍電路的噪聲拾取。對于較大的值，推薦使用專為高保真音頻應(yīng)用設(shè)計的鋁電解電容；對于較小的值，可以使用金屬膜或單片陶瓷電容。

3. 后置LPF設(shè)計

通過合理選擇后置LPF電路中的運算放大器和電阻，可以實現(xiàn)DSD1793的出色性能。為了獲得0.001% THD + N和113dB信噪比的音頻性能，需要考慮運算放大器的THD + N和輸入噪聲性能。建議使用二階或三階后置LPF，其截止頻率取決于具體的應(yīng)用。

六、總結(jié)

DSD1793是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的音頻立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具有豐富的功能和出色的電氣性能。在音頻處理、A/V接收器、SACD播放器、DVD播放器等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。在設(shè)計使用DSD1793的電路時，需要充分了解其各項特性和參數(shù)，注意PCB布局和電路設(shè)計的細(xì)節(jié)，以確保器件的性能得到充分發(fā)揮。你在使用DSD1793或者其他音頻DAC時，遇到過哪些有趣的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。