單聲道低功耗音頻DAC AD1859：打造高品質(zhì)音頻系統(tǒng)的理想之選

在當今數(shù)字化時代，消費者對音頻設(shè)備的音質(zhì)要求越來越高，這就對數(shù)字音頻轉(zhuǎn)換器（DAC）的性能提出了嚴峻挑戰(zhàn)。AD1859作為一款功能強大的單聲道低功耗音頻DAC，在眾多音頻應(yīng)用中表現(xiàn)出色。本文將結(jié)合我多年的電子工程師經(jīng)驗，詳細剖析AD1859的關(guān)鍵特性、工作原理、操作要點以及應(yīng)用場景，為您全面解讀這款優(yōu)秀的音頻DAC。

文件下載：AD1859JRZ-RL.pdf

一、關(guān)鍵特性亮點多

AD1859具備一系列令人矚目的特性，使其在音頻領(lǐng)域脫穎而出。

1. 集成度高成本低

它是一個完整的立體聲DAC系統(tǒng)，集成在單個芯片中，大大降低了系統(tǒng)成本和PCB面積。這對于追求高性價比的產(chǎn)品設(shè)計來說至關(guān)重要。

2. 靈活的濾波與調(diào)制

可變速率過采樣插值濾波器、多比特調(diào)制器搭配三角PDF抖動功能，能有效降低量化噪聲，提升音頻質(zhì)量。同時，離散和連續(xù)時間模擬重建濾波器進一步優(yōu)化音頻信號，減少帶外能量。

3. 出色的性能指標

動態(tài)范圍達到94 dB，THD + N低至 - 88 dB，在音頻處理方面表現(xiàn)卓越。此外，它還能支持連續(xù)可變的采樣率，并且擁有數(shù)字鎖相環(huán)實現(xiàn)異步主時鐘功能，有效抑制采樣時鐘抖動。

4. 豐富的功能選項

64級（1 dB/步）模擬衰減器帶靜音功能，方便用戶控制音頻輸出。還有模擬去加重處理選項，可通過外部無源元件實現(xiàn)。輸出緩沖可驅(qū)動2 kΩ負載，確保信號穩(wěn)定輸出。

二、工作原理深度解析

1. 音頻數(shù)據(jù)接口

串行音頻數(shù)據(jù)接口利用位時鐘（BCLK）將數(shù)據(jù)送入AD1859，該位時鐘可與左/右時鐘（LRCLK）異步。LRCLK 既是幀信號，也是數(shù)字鎖相環(huán)的采樣頻率輸入信號，AD1859 通過它確定輸入采樣率，并利用數(shù)字鎖相環(huán)抑制其抖動。SDATA 輸入以 MSB 優(yōu)先、二進制補碼格式傳輸串行立體聲數(shù)字音頻。

2. 數(shù)字插值濾波器

其主要作用是對輸入數(shù)據(jù)進行“過采樣”，通過多級 FIR 數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。第一級是下垂均衡器，第二、三級是半帶濾波器，第四級是二階梳狀濾波器。這種無乘法器的 FIR 濾波器實現(xiàn)方式，通過移位和加法操作完成乘法運算，提高了處理效率。

3. 多比特Σ - Δ調(diào)制器

采用四比特Σ - Δ調(diào)制器，具有 17 個量化級別，而傳統(tǒng)單比特Σ - Δ調(diào)制器只有兩個量化級別。AD1859 以約 128 倍的輸入采樣率對輸入信號進行采樣，相比傳統(tǒng)單比特架構(gòu)，其 DAC 輸出頻譜中的帶外噪聲能量顯著降低，從而減少了 DAC 后模擬重建濾波器的過渡帶陡度和衰減要求，降低了相位失真，提升了音頻性能。此外，該調(diào)制器還具有高抗襯底數(shù)字噪聲能力，以及穩(wěn)定性好、能利用更寬范圍電壓參考提高動態(tài)范圍等優(yōu)點。

4. 抖動發(fā)生器

片內(nèi)抖動發(fā)生器采用三角概率分布函數(shù)（PDF）特性，有效降低了多比特 DAC 引入的量化噪聲，這在低成本 IC 音頻 DAC 中是一項領(lǐng)先的技術(shù)。

5. 模擬濾波與去加重處理

集成了二階開關(guān)電容離散時間低通濾波器和一階模擬連續(xù)時間低通濾波器，無需額外的片外重建濾波。同時，提供模擬去加重處理選項，通過 DEEMP 控制引腳使能，當該引腳為高電平時，通過 EMPL 和 EMPR 模擬輸出引腳切換所需的模擬組件到輸出級，實現(xiàn) 50/15 μs 或 CCITT J.17 去加重頻率響應(yīng)特性。模擬去加重在降低噪聲、適應(yīng)不同采樣率等方面優(yōu)于數(shù)字去加重。

6. 數(shù)字鎖相環(huán)

數(shù)字鎖相環(huán)自適應(yīng)地在 100 ms 到 200 ms 內(nèi)鎖定應(yīng)用的采樣率。初始處于“快速”模式，具有較寬的鎖定捕獲帶寬，隨著相位鎖定逐漸獲得，相位檢測器自動將環(huán)路濾波器切換到“慢速”模式，環(huán)路帶寬為 15 Hz，能以每倍頻程 6 dB 的衰減抑制左/右時鐘上 15 Hz 以上的抖動。

三、操作要點需掌握

1. 串行數(shù)據(jù)輸入端口

通過左/右輸入時鐘頻率確定輸入采樣率，LRCLK 必須連續(xù)運行。位時鐘 BCLK 為邊沿敏感，可采用門控或突發(fā)模式。輸入數(shù)據(jù)以二進制補碼、MSB 優(yōu)先格式輸入，左聲道數(shù)據(jù)字段在前，數(shù)據(jù)位數(shù)由 18/16 輸入控制引腳決定。AD1859 支持四種串行輸入端口模式，通過 IDPM0 和 IDPM1 控制引腳配置。

2. 串行控制端口

SPI 兼容的串行控制端口用于通道特定的靜音和衰減控制。它由控制時鐘 CCLK、控制數(shù)據(jù) CDATA 和控制鎖存 CLATCH 三個信號組成?？刂茢?shù)據(jù)在 CCLK 上升沿有效，CLATCH 在 LSB 時鐘輸入后由低到高轉(zhuǎn)換。該端口為字節(jié)導(dǎo)向，數(shù)據(jù) MSB 優(yōu)先且無符號，左右聲道各有一個控制寄存器，初始默認值為非靜音、無衰減狀態(tài)。

3. 片內(nèi)振蕩器和主時鐘

主時鐘可由外部時鐘源提供，也可通過連接晶體并使用片內(nèi)振蕩器實現(xiàn)。晶體應(yīng)采用基模和并聯(lián)調(diào)諧方式。支持的音頻采樣率范圍取決于主時鐘速率，最高采樣率 = 主時鐘頻率÷512，最低采樣率 = 主時鐘頻率÷1024。

4. 靜音和衰減

提供兩種靜音模擬輸出的方法：一是將 MUTE 信號置高，同時靜音左右聲道；二是在串行控制寄存器中設(shè)置靜音位。為減少靜音和取消靜音時的“噗噗”聲和“咔嗒”聲，AD1859 采用零交叉檢測器，盡量在波形零交叉處進行衰減變化。

5. 輸出驅(qū)動和緩沖

模擬輸出級可驅(qū)動 2 kΩ負載，若需驅(qū)動更低阻抗負載，可使用外部緩沖級。輸出通常采用 10 μF 電容交流耦合，也可使用 CMOUT 信號作為偏置點進行直流耦合。

6. 片內(nèi)電壓參考

片內(nèi)電壓參考確定輸出電壓范圍，標稱值為 + 2.25 V，對應(yīng) 3 V p - p 的線路輸出電壓擺幅。參考必須在 FILT 輸入和 CMOUT 輸出分別用 10 μF 和 0.1 μF 電容旁路，可使用外部參考源驅(qū)動片內(nèi)電壓參考以校準多個 AD1859 DAC 的增益。

7. 電源管理和復(fù)位

PD/RST 輸入引腳控制 AD1859 的功耗，低電平進入低功耗狀態(tài)，高電平進入正常工作狀態(tài)。復(fù)位時，所有數(shù)字引擎寄存器清零，模擬部分放大器短路，串行控制端口寄存器初始化到默認值。為使數(shù)字鎖相環(huán)重新鎖定，在將 PD/RST 置高后應(yīng)等待 100 ms 再使用串行數(shù)據(jù)輸入端口和串行控制輸入端口。

四、應(yīng)用場景廣

AD1859適用于多種音頻相關(guān)的應(yīng)用場景，包括數(shù)字有線電視和衛(wèi)星直播機頂盒解碼器、數(shù)字視頻光盤和 CD 播放器、高清電視、數(shù)字音頻廣播接收器、數(shù)字音頻工作站以及計算機多媒體產(chǎn)品等。在實際應(yīng)用中，需根據(jù)不同的音頻源和系統(tǒng)要求，合理配置 AD1859 的工作模式和參數(shù)。

五、布局與去耦有講究

1. 去耦和旁路電路

根據(jù)是否需要去加重處理，分別采用不同的推薦電路連接方式。在去耦和旁路設(shè)計中，合理選擇電容和電阻的參數(shù)，確保電源和信號的穩(wěn)定。

2. PCB 和接地平面

理想情況下，AD1859 應(yīng)位于分割接地平面上方，數(shù)字引腳位于數(shù)字接地平面上，模擬引腳位于模擬接地平面上。兩個接地平面在封裝中心下方一點用約 3 mm 走線連接，以減少射頻傳輸和接收，提高模擬音頻性能。

AD1859憑借其卓越的性能、豐富的功能和靈活的配置選項，為音頻系統(tǒng)設(shè)計提供了一個優(yōu)秀的解決方案。在實際應(yīng)用中，電子工程師應(yīng)深入了解其工作原理和操作要點，結(jié)合具體應(yīng)用場景，合理設(shè)計電路布局和參數(shù)配置，以充分發(fā)揮 AD1859 的優(yōu)勢，打造出高品質(zhì)的音頻系統(tǒng)。大家在使用 AD1859 過程中遇到過哪些獨特的問題或挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)交流分享。