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USB（通用串行总线）经过几十年发展，已经成为一种在个人电脑领域大量使用的标准。记忆棒、移动硬盘、鼠标和网络摄像头都通过USB连接。本文将深入分析USB音频：一种用来将PC、智能手机和平板电脑中所使用的电子音频与扬声器、麦克风或调音台等音频外设连接在一起的标准。本文将描述USB音频的工作原理，需要注意什么事项，以及对于高保真多通道输入输出，应如何使用USB音频等。 USB基本原理 USB是一种由PC（USB主机）发起一次传输，设备（例如一套USB扬声器）继而响应的通信协议。每次传输都寻址到一个特定设备，并寻址到该设备的一个特定端点。IN传输将数据发送至PC。当主机发起一次IN传输时，设备必须用主机所需的数据做出响应。OUT传输将数据传输至设备。当主机执行一次OUT传输时，它发送设备必须捕获的数据包。在USB音频领域，IN传输和OUT传输可以用于传输音频样本：一个OUT传输将音频数据从PC发送至扬声器，而IN传输用于将音频数据从麦克风发送至PC。 作者：XMOS首席技术专家Henk Muller USB规范中有4种类型的IN传输和OUT传输：批量传输、同步传输、中断传输和控制传输。 批量传输用于在主机和设备之间可靠地传输数据。所有USB传输都带有CRC（校验和），它表明是否有错误发生。在一次批量传输中，数据的接收端必须验证CRC。如果CRC正确，传输被应答，数据被假定已经传输无误。如果CRC不正确，传输不会被应答，然后将会重试。如果设备未准备好接收数据，它将传送一个否定应答（NAK）信号，该信号将会使主机重试传输。批量传输不被认为对时间要求严格，因此将会安排在以下将要讨论的、对时间要求严格的各种传输的周边时间。 同步传输用于在主机和设备之间实时传输数据。若主机建立了同步端点，主机会为同步端点分配一定数量的带宽，并且它将在该端点上规律地执行IN传输或OUT传输。例如，主机可以每125μs对该设备OUT 1KB数据。由于分配了固定的、有限数量的带宽，如果出现了任何异常，都将没有时间重发数据。数据具有正常的CRC，但是如果接收端检测到错误，将没有重发机制。 中断传输被主机用于定期探询设备，以发现是否有值得做的事情发生。例如，主机可以探询音频设备，核对静音（MUTE）按钮是否已被按下。“中断”传输这个名称有一点混淆视听，因为其并不中断任何事情。然而，数据的定期探询给出了主机中断将会提供的相同类型的功能。 控制传输与批量传输非常相似。控制传输会被应答（即可以被NAK），并且以非实时方式传送。控制传输用于正常数据流以外的操作，例如询问设备功能或端点状态。设备功能描述的说明在本文范畴之外，本文仅陈述诸如“USB音频类”或“USB大容量存储类”等预定义的类型，它们能够实现跨平台的互操作性。 USB帧中制定了所有的传输类型。高速USB帧的长度为125μs（Full Speed USB帧为1ms），并由主机发送帧起始（SOF）消息进行标记。同步传输和中断传输每帧至多发送一次。 USB音频 USB音频使用了同步传输、中断传输和控制传输。所有音频数据通过同步传输来传输；中断传输用于转发关于音频时钟可用性的信息；控制传输用于设置音量、请求采样率等（参见图1）。 图1：主机和USB设备之间的传输——同步IN和OUT用于音频数据，控制用于设置参数，中断用于状态监视。 USB音频系统的数据需求取决于通道数、代表每个样本的位数，以及采样率。典型的通道数为2（立体声）、6（5.1声道）或者更高（用于录音室或DJ应用）。尽管传统音频可用16位，典型的采样率为24位，而高质量音频为32位。典型的采样率为44.1、48、96及192kHz，后者为高质量音频所使用。 这里假设去设计一个具有96kHz采样率和24位样本的立体声音频扬声器系统，为了简化主机和设备上的数据编组，24位值一般用一个零字节填充，因此，总数据吞吐速率为96,000×2通道×4B=768,000Bps。同步端点以每125μs进行一次传输（或8000次传输/s）的速率工作。用所需的字节速率除以帧速率，可以得到每次同步传输的字节数：768,000/8,000=每次传输96B。 假若使用例如44,000Hz 的CD唱片速率，传输速率经计算为44.1次传输/s。在USB音频中，每次传输总是运送整数个样本；传输在48B和40B（6个和5个立体声样本）之间交替进行，以至于平均速率算出为每次传输44.1B。 单次同步传输可运送1024B，最多能够运送256个样本（在24/32位时）。这意味着，单个同步端点在48kHz时能传输42个通道，或者在192kHz时能传输10个通道——假定使用的是高速USB（High Speed USB）——全速USB（Full Speed USB）在48kHz时无法运送多于一个立体声IN和OUT对。 当发送数字音频时，将会有延迟引入。在高速USB的情况下，延迟为250μs。数据包在每个125μs窗口中传输一次，但是考虑到它可能会在该窗口中的任何时候发送，需要有一个250μs的缓冲器。在该250μs延迟的顶端，操作系统（O/S）驱动程序和编解码器（CODEC）中可能引起额外延迟。注意：全速USB的固有延迟远远更高（为2ms），因为数据在每个1ms窗口中仅发送一次。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 1s在“朋友”之间是什么？ 在数字音频中，商定一个共同的时间概念是大问题。上文已经定义了USB帧的传输速率为8,000次/s，并设定了扬声器播放样本的速率为96,000次/s。仅当扬声器和主机约定了1s的长度，这才能够奏效。USB音频提供了3种模式，来确保主机和扬声器共同约定时序： ● 在同步模式中，1s的长度由主机设备定义。这就是说，主机以某个速率发送数据，设备必须精确匹配这个速率。 ● 在异步模式中，这正好相反——设备设置1s的定义，主机必须对设备进行匹配。 ● 在自适应模式中，数据流决定时钟。 自适应模式和同步模式并不理想，因为PC保持时钟稳定的能力非常差，而且经常有其他音频源介入，例如一台外部数字录音机。异步模式使外部时钟源（或是设备内的低抖动时钟）能够用作主时钟。一般两者都依赖于基于晶振的锁相环（PLL），如图2所示。 图2：一款带有一个晶振用于稳定音频频率的USB音频板，并且有一个低抖动PLL用于产生任何所需的频率信号。 因此，系统中至少有2个不同的时钟：USB时钟由主机产生，频率为8,000次传输/s；采样时钟由外部产生，例如，其采样率为96,000Hz。 这些时钟的频率会略有不同，其差别会随时间略微变化。因此，每帧音频样本的平均数会稍微高于或低于期望的比率。例如，在本文96,000Hz采样率的情况下，样本的平均数为12.001。为了确保主机发送正确数量的数据，并且不会太多或太低，主机向中断端点请求当前的采样率。每隔几个毫秒，上一个周期的平均采样率将以16.16位定点数格式回报。如果上一个周期取平均数为12.001帧，那么报告值将为0x000C0041（65536×12.001）。 给定该平均速率，主机将能计算出在一次传输中在何时发送额外样本；在此例中，每秒8次传输将运送一个额外样本。此外，主机能够利用该值与音频设备进行同步。这使得DVD播放器等主机应用能够将视频保持为与音频同步。如果没有同步，音频会慢慢地跑到视频前面，两个小时以后，音频将会有1s误差。 为了保持反馈回路较短，诀窍是不对音频包和反馈包做不必要的缓冲。任何附加的缓冲都会产生报告延迟，该延迟使得保持通信流的平滑变得更加困难。这意味着，底层USB栈和USB音频栈应紧密集成，而无需在它们之间缓冲。尽管这在应用处理器上难以达到，但是把软件在执行时间可预测的嵌入式处理器上来实现，这点将非常容易达到。诸如XMOS等公司现在可以提供这种可预测的嵌入式处理器，如XMOS的xCORE多核MCU等处理器系列。借助其丰富的内置USB接口，它们紧密地将底层USB栈和USB音频栈集成在一起。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 多个时钟源 以上方案仅考虑了两个时钟源——或者USB设备提供时钟，或是主机提供时钟。在调音台等更复杂的设备中，可能还有其他设备提供采样率，例如，通过ADAT或S/PDIF等数字接口，或通过携带字时钟的BNC连接器提供。对于这样的系统，USB音频标准使设计人员能够在设备当中置入时钟选择器。 时钟选择器规定采用哪个时钟作为采样率。时钟选择器有多个输入时钟（例如，一个S/PDIF接口上的输入时钟、本地晶振、以及一个ADAT接口上的输入时钟），并带有一个用户可选择哪个时钟用作输入的控制传输，例如S/PDIF接口上的输入时钟。 符合性及原生支持 一旦一款设备符合USB音频类协议，它将会很便捷地集成到操作系统中。图3显示了USB音频设备插入到Mac OS/X系统中的控制界面截屏。它表明，时钟选择、采样率选择、通道音量控制以及静音控制等都是可以控制的，就像对于任何其他的音频设备那样。 图3：一款可互操作的设备出现在标准O/S对话框（例如本例中的OS/X）中，并且O/S可以设置音量和采样率等。 设备的标准符合性使其可以实现互操作。O/S供应商能够提供一种单独的USB音频驱动程序，该驱动程序可驱动大量设备，并具有众多功能。 的确，相同的USB音频实现能够进行参数化，以实现不同数量的通道，并且相同的驱动程序能够用于连接设备。 小结与展望 USB-Audio Class 2.0利用了高速USB 2.0标准，支持在PC和一台所连接的音频设备之间对音频进行低延迟传输。高速USB 2.0的高吞吐率可用于实现多个音频通道，并且具有高的音频质量。USB音频类标准可服务于多种设备的，从复杂的、具备多个通道、多个时钟源和复杂控制的调音台，到环绕立体声系统、PC扬声器和麦克风。 目前，顶级的消费性音频产生已经推出了各种USB-Audio产品，并且受到了市场的好评，如Sony和OPPO已经推出了基于XMOS公司xCORE多核MCU产品的USB-Audio耳机放大器和音响组合单元。预计该项应用将在不远的将来为更多用户所选用。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

USB（通用串行总线）经过几十年发展，已经成为一种在个人电脑领域大量使用的标准。记忆棒、移动硬盘、鼠标和网络摄像头都通过USB连接。本文将深入分析USB音频：一种用来将PC、智能手机和平板电脑中所使用的电子音频与扬声器、麦克风或调音台等音频外设连接在一起的标准。本文将描述USB音频的工作原理，需要注意什么事项，以及对于高保真多通道输入输出，应如何使用USB音频等。 USB基本原理 USB是一种由PC（USB主机）发起一次传输，设备（例如一套USB扬声器）继而响应的通信协议。每次传输都寻址到一个特定设备，并寻址到该设备的一个特定端点。IN传输将数据发送至PC。当主机发起一次IN传输时，设备必须用主机所需的数据做出响应。OUT传输将数据传输至设备。当主机执行一次OUT传输时，它发送设备必须捕获的数据包。在USB音频领域，IN传输和OUT传输可以用于传输音频样本：一个OUT传输将音频数据从PC发送至扬声器，而IN传输用于将音频数据从麦克风发送至PC。 作者：XMOS首席技术专家Henk Muller USB规范中有4种类型的IN传输和OUT传输：批量传输、同步传输、中断传输和控制传输。 批量传输用于在主机和设备之间可靠地传输数据。所有USB传输都带有CRC（校验和），它表明是否有错误发生。在一次批量传输中，数据的接收端必须验证CRC。如果CRC正确，传输被应答，数据被假定已经传输无误。如果CRC不正确，传输不会被应答，然后将会重试。如果设备未准备好接收数据，它将传送一个否定应答（NAK）信号，该信号将会使主机重试传输。批量传输不被认为对时间要求严格，因此将会安排在以下将要讨论的、对时间要求严格的各种传输的周边时间。 同步传输用于在主机和设备之间实时传输数据。若主机建立了同步端点，主机会为同步端点分配一定数量的带宽，并且它将在该端点上规律地执行IN传输或OUT传输。例如，主机可以每125μs对该设备OUT 1KB数据。由于分配了固定的、有限数量的带宽，如果出现了任何异常，都将没有时间重发数据。数据具有正常的CRC，但是如果接收端检测到错误，将没有重发机制。 中断传输被主机用于定期探询设备，以发现是否有值得做的事情发生。例如，主机可以探询音频设备，核对静音（MUTE）按钮是否已被按下。“中断”传输这个名称有一点混淆视听，因为其并不中断任何事情。然而，数据的定期探询给出了主机中断将会提供的相同类型的功能。 控制传输与批量传输非常相似。控制传输会被应答（即可以被NAK），并且以非实时方式传送。控制传输用于正常数据流以外的操作，例如询问设备功能或端点状态。设备功能描述的说明在本文范畴之外，本文仅陈述诸如“USB音频类”或“USB大容量存储类”等预定义的类型，它们能够实现跨平台的互操作性。 USB帧中制定了所有的传输类型。高速USB帧的长度为125μs（Full Speed USB帧为1ms），并由主机发送帧起始（SOF）消息进行标记。同步传输和中断传输每帧至多发送一次。 USB音频 USB音频使用了同步传输、中断传输和控制传输。所有音频数据通过同步传输来传输；中断传输用于转发关于音频时钟可用性的信息；控制传输用于设置音量、请求采样率等（参见图1）。 图1：主机和USB设备之间的传输——同步IN和OUT用于音频数据，控制用于设置参数，中断用于状态监视。 USB音频系统的数据需求取决于通道数、代表每个样本的位数，以及采样率。典型的通道数为2（立体声）、6（5.1声道）或者更高（用于录音室或DJ应用）。尽管传统音频可用16位，典型的采样率为24位，而高质量音频为32位。典型的采样率为44.1、48、96及192kHz，后者为高质量音频所使用。 这里假设去设计一个具有96kHz采样率和24位样本的立体声音频扬声器系统，为了简化主机和设备上的数据编组，24位值一般用一个零字节填充，因此，总数据吞吐速率为96,000×2通道×4B=768,000Bps。同步端点以每125μs进行一次传输（或8000次传输/s）的速率工作。用所需的字节速率除以帧速率，可以得到每次同步传输的字节数：768,000/8,000=每次传输96B。 假若使用例如44,000Hz 的CD唱片速率，传输速率经计算为44.1次传输/s。在USB音频中，每次传输总是运送整数个样本；传输在48B和40B（6个和5个立体声样本）之间交替进行，以至于平均速率算出为每次传输44.1B。 单次同步传输可运送1024B，最多能够运送256个样本（在24/32位时）。这意味着，单个同步端点在48kHz时能传输42个通道，或者在192kHz时能传输10个通道——假定使用的是高速USB（High Speed USB）——全速USB（Full Speed USB）在48kHz时无法运送多于一个立体声IN和OUT对。 当发送数字音频时，将会有延迟引入。在高速USB的情况下，延迟为250μs。数据包在每个125μs窗口中传输一次，但是考虑到它可能会在该窗口中的任何时候发送，需要有一个250μs的缓冲器。在该250μs延迟的顶端，操作系统（O/S）驱动程序和编解码器（CODEC）中可能引起额外延迟。注意：全速USB的固有延迟远远更高（为2ms），因为数据在每个1ms窗口中仅发送一次。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 1s在“朋友”之间是什么？ 在数字音频中，商定一个共同的时间概念是大问题。上文已经定义了USB帧的传输速率为8,000次/s，并设定了扬声器播放样本的速率为96,000次/s。仅当扬声器和主机约定了1s的长度，这才能够奏效。USB音频提供了3种模式，来确保主机和扬声器共同约定时序： ● 在同步模式中，1s的长度由主机设备定义。这就是说，主机以某个速率发送数据，设备必须精确匹配这个速率。 ● 在异步模式中，这正好相反——设备设置1s的定义，主机必须对设备进行匹配。 ● 在自适应模式中，数据流决定时钟。 自适应模式和同步模式并不理想，因为PC保持时钟稳定的能力非常差，而且经常有其他音频源介入，例如一台外部数字录音机。异步模式使外部时钟源（或是设备内的低抖动时钟）能够用作主时钟。一般两者都依赖于基于晶振的锁相环（PLL），如图2所示。 图2：一款带有一个晶振用于稳定音频频率的USB音频板，并且有一个低抖动PLL用于产生任何所需的频率信号。 因此，系统中至少有2个不同的时钟：USB时钟由主机产生，频率为8,000次传输/s；采样时钟由外部产生，例如，其采样率为96,000Hz。 这些时钟的频率会略有不同，其差别会随时间略微变化。因此，每帧音频样本的平均数会稍微高于或低于期望的比率。例如，在本文96,000Hz采样率的情况下，样本的平均数为12.001。为了确保主机发送正确数量的数据，并且不会太多或太低，主机向中断端点请求当前的采样率。每隔几个毫秒，上一个周期的平均采样率将以16.16位定点数格式回报。如果上一个周期取平均数为12.001帧，那么报告值将为0x000C0041（65536×12.001）。 给定该平均速率，主机将能计算出在一次传输中在何时发送额外样本；在此例中，每秒8次传输将运送一个额外样本。此外，主机能够利用该值与音频设备进行同步。这使得DVD播放器等主机应用能够将视频保持为与音频同步。如果没有同步，音频会慢慢地跑到视频前面，两个小时以后，音频将会有1s误差。 为了保持反馈回路较短，诀窍是不对音频包和反馈包做不必要的缓冲。任何附加的缓冲都会产生报告延迟，该延迟使得保持通信流的平滑变得更加困难。这意味着，底层USB栈和USB音频栈应紧密集成，而无需在它们之间缓冲。尽管这在应用处理器上难以达到，但是把软件在执行时间可预测的嵌入式处理器上来实现，这点将非常容易达到。诸如XMOS等公司现在可以提供这种可预测的嵌入式处理器，如XMOS的xCORE多核MCU等处理器系列。借助其丰富的内置USB接口，它们紧密地将底层USB栈和USB音频栈集成在一起。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 多个时钟源 以上方案仅考虑了两个时钟源——或者USB设备提供时钟，或是主机提供时钟。在调音台等更复杂的设备中，可能还有其他设备提供采样率，例如，通过ADAT或S/PDIF等数字接口，或通过携带字时钟的BNC连接器提供。对于这样的系统，USB音频标准使设计人员能够在设备当中置入时钟选择器。 时钟选择器规定采用哪个时钟作为采样率。时钟选择器有多个输入时钟（例如，一个S/PDIF接口上的输入时钟、本地晶振、以及一个ADAT接口上的输入时钟），并带有一个用户可选择哪个时钟用作输入的控制传输，例如S/PDIF接口上的输入时钟。 符合性及原生支持 一旦一款设备符合USB音频类协议，它将会很便捷地集成到操作系统中。图3显示了USB音频设备插入到Mac OS/X系统中的控制界面截屏。它表明，时钟选择、采样率选择、通道音量控制以及静音控制等都是可以控制的，就像对于任何其他的音频设备那样。 图3：一款可互操作的设备出现在标准O/S对话框（例如本例中的OS/X）中，并且O/S可以设置音量和采样率等。 设备的标准符合性使其可以实现互操作。O/S供应商能够提供一种单独的USB音频驱动程序，该驱动程序可驱动大量设备，并具有众多功能。 的确，相同的USB音频实现能够进行参数化，以实现不同数量的通道，并且相同的驱动程序能够用于连接设备。 小结与展望 USB-Audio Class 2.0利用了高速USB 2.0标准，支持在PC和一台所连接的音频设备之间对音频进行低延迟传输。高速USB 2.0的高吞吐率可用于实现多个音频通道，并且具有高的音频质量。USB音频类标准可服务于多种设备的，从复杂的、具备多个通道、多个时钟源和复杂控制的调音台，到环绕立体声系统、PC扬声器和麦克风。 目前，顶级的消费性音频产生已经推出了各种USB-Audio产品，并且受到了市场的好评，如Sony和OPPO已经推出了基于XMOS公司xCORE多核MCU产品的USB-Audio耳机放大器和音响组合单元。预计该项应用将在不远的将来为更多用户所选用。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

将音箱插上U盘或SD/MMC卡就可播放MP3；将车载USB MP3插上汽车点烟器取电并读取U盘MP3文件，再通过FM发射电路和车载音箱就可收听音乐……曾成功研发并量产大陆第一款USB Host MP3解码主控芯片的山景公司，在IIC展会上带来了众多惊喜，同时也隆重推出了最新的“曼妙”系列芯片。   据山景集成电路技术有限公司研发副总许刚介绍，山景的产品线一直在不断壮大、完善和升级，年销售芯片超过两千万片。目前，采用AU68/78系列芯片已成为业界的主流方案，国内多家汽车厂采用了山景的芯片作为其汽车音响的主控芯片。   谈到山景产品的竞争优势，许刚总结为三点：音质好，抗干扰性好，性价比高。他解释道，这源于山景从产品研发到技术支持，都有非常严格的技术和管理规范，从而为产品提供了可靠的技术品质和售后保障。许刚以山景新近推出的AU7860为例做了详细介绍。   AU7860属于AU7850的升级版本，其中，AU7860A主要应用于小音响，而AU7860C则主要用于车机。与前代产品相比，AU7860不仅在 音质上有所提升，同时具有更大的扩展空间，方便客户设计个性化的功能。它集成MCU、MP3/WMA/WAV解码、OTG2.0、SD/MMC控制器、 SARADC、Audio Codec、MIC、LCD驱动、RTC、IR解码、Booster等功能，可以支持更多音频格式，如WAV等。系统设计简单，BOM成本低，低功耗待 机。可广泛用于便携式音响、扩音机、拖箱音响、桌面音响、多媒体音箱等。在模调数显收音机产品中，该产品可以实现“模调数显”功能，进一步简化了生产工 艺，降低生产成本，提高产品良率。   值得一提的是，AU7860还可应用到iPhone USB接口的相关音响产品，并为客户节省大量成本。据介绍，采用该产品的方案不仅可以通过标准USB接口对iPhone的音乐播放进行控制，同时可以通过 Apple的TDMANoise认证，对iPhone的Digitalaudio信号进行解码并输出。   另一款AU6850D则是为车载音响系统量身定制、高集成度的芯片解决方案。MASK ROM减少研发过程，方便快速推出产品；AD按键功能由用户随意选择；集成LCD驱动、电源管理等外设，系统设计简单，BOM成本低，性价比极高。   提及当前中国IC设计产业的现状，许刚认为，中国本土IC设计公司经过多年的发展依然面临各种挑战：除了技术积累不够、资金匮乏、成本压力大以外，还有来 自自身的问题，比如一些从业者和投资者仍然存在急于做大、急于求成、盲目追求多元化的浮躁心态，缺乏深耕于某一领域的专注，以及努力从市场需求出发的意 识。   许刚说道，山景仍将一如既往地专注于数字音响在家庭娱乐和车载系统等领域的应用，在中高端和低成本两个方向下功夫，立足于市场需求，在技术服务和拓展新应用方面持续加大投入。他表示：只有做精，才能做大做好。   对于数字音频IC的发展前景，许刚信心满满地表示，音频IC的特点是技术门槛高，但功能全面，应用范围广。随着数字音频的流行，以及大容量存储介质的迅速发展，数字音频IC在消费类产品中必将有更加广阔的应用前景。

  作者：Tahar Allag，德州仪器 (TI) 模拟电源应用工程师   摘要   数模音频转换器（音频 DAC）是一款将数字音频编码转换为模拟音频声音（例如：音乐等）的器件。在任何数字音频编码的转换过程中，进入到音频转换器器件的外部噪声耦合都会对音频带产生巨大的影响。诸如 DAC 电源的 AC 纹波和开关噪声等是被转换音频声音品质下降的主要根本原因之一。因此，高性能数模音频系统的设计要求将音频 DAC 与电源轨噪声隔离。本文中，一款结合了开关式电源高效率和线性电源超低噪声特性的集成解决方案就可以很好地解决该问题，从而提供更高的音频品质。   引言   大多数现代音频均以数字格式存储，例如：脉冲编码调制 (PCM) 和 MP3。它可以提供无损数据存储、高品质的完美拷贝、无限期存储、高灵活性以及与其他数字系统的兼容性。需要使用一款音频 DAC 将这些数字格式转换为模拟信号，从而驱动扬声器产生音频声音（模拟波）。音频放大器对转换后的音频声音进行放大，而扬声器则将其传输给听众。   人们通常认为将传输给听众的模拟音频声音是音频系统的最终输出结果。它的品质取决于整个音频系统，包括原始数字编码本身、音频 DAC 器件、音频功率放大器和扬声器或者耳机的质量。   如果我们将注意力放在音频 DAC 上，则性能的高低取决于 DAC 本身的质量，并受其他外部因素的影响。高性能音频 DAC 对外部噪声很敏感。这些外部噪声会在转换期间进入音频带。这种噪声可以来自 AC 电源纹波、射频干扰、开关噪声，甚至是音频系统其他电路组件的散热噪声。本文将探究如何通过提高 DAC 电源电压的噪声性能来最终改善音频转换器的噪声性能。   音频性能规范 为了对某个声音系统的噪声性能高低进行量化，我们需要测定出某些规范参数。总谐波失真 (THD) 测定音频信号回放期间音频转换器所产生的不良信号数量。如音频转换器等系统均为非理想和非线性器件，其具有单个或者多个输入和输出。它们始终都有原始输入信号失真。这种失真常常加在原始输入信号谐波上。因此，总谐波失真代表了原始信号的失真数量是衡量所有音频 DAC 性能的一个理想技术参数。   但是，单是总谐波失真本身而言，并没有包含 DAC 产生输出信号的其他非失真相关噪声。因此，将总谐波失真与噪声结合，便可构建起另一个测量标准，即 THD+N 规范。THD+N 准确地量化了 DAC 产生的与输入信号无关的所有噪声。这种噪声来自于电源 AC 纹波、射频干扰、开关噪声、振动以及音频系统的电路组件散热噪声。   人们通常用 THD+N 规范来规定音频 DAC 器件的性能，但是其未对频带范围内的 DAC 性能作深入探讨。需要使用一个 FFT 分析仪图来分析其频带内所有模拟音频信号的质量。该此类型的分析仪利用改变模拟音频输出信号的时间，并通过快速傅里叶变换 (FFT) 技术将其转换成频谱。这一测量过程显示了一款音频转换器在其整个 1 – 20 KHz 范围内的音频转换器性能，并清晰地显示了噪声和谐波失真性能。   电源对音频性能的影响 大多数音频应用都由一个 12V 总线的 AC 电源适配器来供电。我们必须将这种 12V 总线转换成 5V 或者 3.3V，这样才能满足音频 DAC 转换器的要求。我们可以利用一个开关式或者线性稳压器来完成这种转换。开关式稳压器较为理想，因为它们拥有较高的效率。它们的效率通常可以达到 80%-95%，可最小化系统功耗和发热量。但是，这些稳压器存在开关噪声，并在其 DC 输出电压以上有 AC 纹波电压。这两个影响降低了音频 DAC 的性能。 图 1 显示了一个开关式转换器的典型输出电压。       图 1  转换器的典型输出电压纹波   电源 AC 纹波和噪声越高，它对声音品质产生的不利影响也就越大。输入噪声和纹波可以进入 IC 本身，并通过在转换过程期间进入音频带来影响性能，干扰内部偏压、时钟、振荡器等。它们还可以通过电路板布局耦合至输出。另外，整体音频系统（包括功率音频放大器和扬声器）的性能均受到影响。因此，电源噪声会极大地降低输出音频声音的品质。   图 2 中的例子显示了一个音频 DAC（例如：PCM5102）的最终性能，其直接由一个 3.3V 开关式稳压器供电。通过将一个标准的 1-kHz 测试音施加于 DAC 的数字输入，以进行测试。使用音频精度 (AP) 分析仪测试设备来进行测量。本例中，模拟音频输出信号的 FFT 图表明左右信道之间存在差异，原因是两条信道的噪声底限不同。THD+N 结果显示，带有噪声的电源极大降低了输出音频信号的品质。        图 2 使用转换器供电的正弦波音频信号的 FFT 频谱分析图和 THD+N 测量   将开关噪声和纹波与 DAC 的电源轨隔离，可以实现更高的音频性能。给转换器输出添加额外滤波，可以帮助减少一定的噪声。但是，一些精密型滤波器过于豪华、复杂且占用空间更多。另外，大多数滤波器都存在功耗和负载调节问题，并且瞬态响应能力较差。利用一个线性稳压器 (LDO) 将 12V 输入总线转换为 3.3V，可以极大地减少纹波和噪声，从而达到更高的音频性能。使用 LDO 的缺点是设计的效率较低且功耗更高。   图 3 显示了通过一个 LDO 供电的音频 DAC 的 FFT 图。同前面的测试一样，我们给该 DAC 的光输入施加一个 1-KHz 正弦音频信号。测试条件与前面一样，并使用相同的音频精度测试设备作为测量工具，可得到如下 FFT 结果和 THD+N 测量情况。       图 3   通过一个 LDO 供电的正弦波音频信号音频 DAC 的 FFT 图频谱分析和 THD+N 测量结果   使用 LDO 低噪电源轨可以将声音品质提高约 8 dB。 图 3 表明 THD+N 将超过 93 dB。另外，观察 FFT 频谱分析仪图后，我们发现，噪声底限得到极大降低。谐波很容易辨认，其取决于器件的性能。在其大部分频率带宽中，相比 –110 dBV，该噪声底限维持在 –120 dBV 以下（请参见 图 2 ）。该结果证明，在音频转换器上使用一个低噪声电源轨可以提高性能。   相比转换器，LDO 电源解决方案拥有更加低噪的输出电压，但是线性稳压器的效率较低，并且会在系统中引起散热问题。因此，理想的解决方案是将转换器的高效率同线性稳压器的低噪声输出性能相结合，从而实现一种高效、低噪的电源解决方案。然而，在一些这两种因素都很重要的应用中，往往存在价格和空间限制。   在集成开关式转换器和 LDO 稳压器中，我们会发现一个集成转换器 +LDO 解决方案，例如：TPS54120。1A 开关式转换器与 LDO 组合使用，可向音频转换器高效地提供低噪电源。另外，这种集成解决方案还是一种低成本的解决方案，而占用的电路板空间也更少。它拥有优异的负载和线压瞬态响应性能，可在使用小型封装时承受很宽的输入电压范围，这让它成为家庭音频应用的理想选择。   使用集成开关式转换器和 LDO 稳压器代替第一个测量举例的转换器，可以得到更加低噪的输出电压（请参见 图 4 ）。我们没有观测到输出电压噪声或者纹波。运用一个 12V 输入电压，并将输出调节为 3.3V。在 400 mA 负载电流时对受测输出电压进行测量。该电压可以完美地驱动整个音频系统，无需担心转换器的噪声和 AC 纹波。        图 4 集成转换器和 LDO 稳压器的输出电压纹波   图 5 中，集成转换开关和 LDO 稳压器用于为音频 DAC 供电。稳压器 输入端使用 12 伏输入电压。我们得到与 图 3 相同的结果。       图 5 集成转换器和 LDO 稳压器供电音频 DAC 的示意图 表 1 对不同解决方案的成本、电路板空间、效率和性能进行了比较。我们发现，转换器 +LDO 的集成解决方案拥有高性能和高效率优势。   表 1 不同解决方案比较：   IC 成本 面积 效率 性能 转换开关 中 中 高 低 LDO 低 低 低 高 转换开关+滤波器 高 高 高 中 转换开关+ LDO 高 高 高 高 集成SW +LDO 中 中 高 高     结论 开关式电源所产生的 AC 纹波和开关噪声会产生负面影响，其降低了音频 DAC 输出的质量。我们可以利用一些滤波技术，将音频转换器隔离于这些噪声源。除噪声以外，滤波器的效率、成本以及在音频系统中所占用的电路板空间，都是重要的因素。把开关式转换器的高效率与 LDO 的超低噪声性能相结合，是一种理想的解决方案。另外，由于成本和电路板空间占用得到进一步降低， 开关式转换器 +LDO 集成解决方案比独立解决方案更有优势。   参考文献   请下载下列产品的产品说明书：PCM5102, TPS54120。 《将TPS54120 作为一款3-A 转换开关和1-A 转换开关及LDO 的设计原则》，应用手册、SLVA502、作者：Nick Tseng 和 Tahar Allag，TI，2012 年 1 月。   作者简介    Tahar Allag 现任 TI 电源管理产品部模拟电源应用工程师，主要负责与电源相关的外部客户技术支持。Tahar 毕业于罗切斯特理工大学(Rochester Institute of Technology, Rochester, New York)，先后获电子工程理学士学位和电子工程硕士学位。