分析音頻DAC抖動(dòng)靈敏度

本應(yīng)用筆記描述了采樣時(shí)鐘抖動(dòng)（時(shí)間間隔誤差或“TIE抖動(dòng)”）如何影響Δ數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的性能。新的見解解釋了在這些器件中分別指定低頻（< 2x 通帶頻率）和高頻或?qū)拵В? 2x 通帶頻率）抖動(dòng)容限的重要性。本文還提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的高度抖動(dòng)周期跳躍采樣時(shí)鐘的應(yīng)用示例，并描述了一種生成適當(dāng)寬帶抖動(dòng)時(shí)鐘的方法。然后，本文將Maxim的音頻DAC抖動(dòng)容限與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的音頻DAC進(jìn)行比較。Maxim具有極高的抖動(dòng)容限，可實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單、低成本的采樣時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)。

高性能音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）傳統(tǒng)上需要一個(gè)非常干凈的采樣主時(shí)鐘（MCLK），以避免音頻質(zhì)量下降。時(shí)鐘源通常直接來自晶體振蕩器，其產(chǎn)生的抖動(dòng)通常小于100ps。在某些系統(tǒng)中，音頻過采樣頻率（通常是3.072MHz或2.8224MHz的倍數(shù)）不是晶體振蕩器參考頻率的方便部分。雖然這些系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)小數(shù)N分頻PLL來創(chuàng)建所需的音頻MCLK頻率，但這種基于PLL的頻率基準(zhǔn)通常具有多個(gè)參考頻率雜散和大量的低頻抖動(dòng)。此外，這些基于PLL的頻率基準(zhǔn)通常無法在不超過所需引腳數(shù)、面積或功耗目標(biāo)的情況下使抖動(dòng)足夠低。然而，有一個(gè)解決這一困境的辦法?？梢匀萑谈叨秳?dòng)的音頻DAC允許在此類系統(tǒng)中使用更簡(jiǎn)單的采樣時(shí)鐘基準(zhǔn)。

了解抖動(dòng)容限

高抖動(dòng)容限很重要，因?yàn)樗?/p>

在存在抖動(dòng)的情況下最大限度地提高音頻信號(hào)質(zhì)量

通過使用更簡(jiǎn)單的抖動(dòng)時(shí)鐘源降低系統(tǒng)復(fù)雜性或物料清單 （BOM）

無需高頻 MCLK，從而降低功耗和電磁干擾 （EMI）

目前沒有評(píng)估抖動(dòng)容限的標(biāo)準(zhǔn)方法。音頻精度 2700 （AP2700） 音頻分析儀可以產(chǎn)生時(shí)鐘抖動(dòng)，但它產(chǎn)生的大部分是低頻抖動(dòng)（主要低于奈奎斯特音頻采樣率），如圖 1 所示。

圖1.AP5 產(chǎn)生的 2700ns “寬帶”抖動(dòng)頻譜。

抖動(dòng)容限測(cè)試設(shè)置

使用兩個(gè)不同的抖動(dòng)時(shí)鐘源來比較多個(gè)DAC的抖動(dòng)靈敏度。第一個(gè)抖動(dòng)時(shí)鐘是來自12MHz基準(zhǔn)的288.25MHz周期跳躍時(shí)鐘。這在11kHz以上產(chǎn)生~40ns的抖動(dòng)，在0kHz以下產(chǎn)生~37.40ns的抖動(dòng)。該 時(shí)鐘 是 使用 NI PXI-5421? 100MHz 任意 波形 發(fā)生 器 （ARB） 創(chuàng)建 的， 該 發(fā)生 器 提供 所需 的 時(shí)鐘 模式。

第二個(gè)抖動(dòng)時(shí)鐘是使用相同的ARB創(chuàng)建的寬帶白色抖動(dòng)時(shí)鐘。ARB產(chǎn)生一個(gè)6.144MHz的正弦波，并增加白噪聲，然后通過MAX999比較器饋送，產(chǎn)生具有大量寬帶抖動(dòng)的方波時(shí)鐘。

使用LeCroy WaveRunner? 104MXI-A 1GHz示波器使用時(shí)間間隔誤差（TIE）抖動(dòng)測(cè)量來測(cè)量抖動(dòng)。上升沿和下降沿在兩個(gè)測(cè)試文件中都會(huì)抖動(dòng)。

為此評(píng)估創(chuàng)建的寬帶抖動(dòng)時(shí)鐘具有真正的寬帶（白色）抖動(dòng)頻譜，適用于評(píng)估對(duì)寬帶抖動(dòng)的靈敏度。參見圖 2、3 和 4。這種真正的白色抖動(dòng)頻譜不太可能在實(shí)際應(yīng)用中找到;但是，這是一個(gè)很好的抖動(dòng)容限測(cè)試，因?yàn)樗鼘⒔沂救魏翁囟l率范圍內(nèi)的抖動(dòng)敏感性。

圖2.用于此分析的寬帶 5.9ns RMS 白抖動(dòng)頻譜。

圖3.5.9ns寬帶抖動(dòng)直方圖。

圖4.示波器捕獲3.072MHz時(shí)鐘，具有5.9ns寬帶白抖動(dòng)。

本研究使用的跳周期時(shí)鐘如圖5所示，該時(shí)鐘的抖動(dòng)頻譜如圖6和圖7所示。該周期跳躍時(shí)鐘測(cè)試表明，DAC可以容忍非常容易生成、極其抖動(dòng)的時(shí)鐘，而無需PLL。只需少量邏輯即可跳過任何頻率基準(zhǔn)的時(shí)鐘周期，以生成任何（較低頻率）采樣時(shí)鐘。這種類型的時(shí)鐘生成不需要濾波或反饋環(huán)路。

圖5.12.288MHz MCLK與周期跳躍的25MHz時(shí)鐘的瞬態(tài)圖。

圖6.從12MHz參考時(shí)鐘周期跳過的288.25MHz MCLK抖動(dòng)頻譜。

圖7.周期跳躍時(shí)鐘的低頻抖動(dòng)頻譜。

Maxim的幾個(gè)器件，包括音頻編解碼器（MAX98089和MAX98096）和MAX98355/MAX98356功率放大器，都受益于高抖動(dòng)容限D(zhuǎn)AC。 這些器件的額定值可在 0 至 5kHz 頻段內(nèi)承受高達(dá) 0.40ns 的抖動(dòng)，在 12kHz 頻段上可承受 40ns 的抖動(dòng)。有了這個(gè)抖動(dòng)量，這些器件將顯示以下抖動(dòng)引起的性能限制（不包括電路噪聲）：

-108dB THD+N，1kHz 滿量程音調(diào)

-96.5dB THD+N，6kHz滿量程音調(diào)

-87dB THD+N，20kHz 滿量程音調(diào)

105dB 動(dòng)態(tài)范圍和信噪比 （SNR）

THD+N性能結(jié)果僅受低頻抖動(dòng)（<40kHz）的影響。而動(dòng)態(tài)范圍和信噪比僅受高頻抖動(dòng)（> 40kHz）的影響。

圖8、9、10和11顯示了Maxim MAX98355功率放大器使用高抖動(dòng)時(shí)鐘源測(cè)量的音頻性能與一組競(jìng)爭(zhēng)DAC的比較。除競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 2 外，所有這些競(jìng)爭(zhēng)部件都聲稱它們對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)不敏感，但沒有提供抖動(dòng)容限規(guī)格。

抖動(dòng)容限測(cè)試結(jié)果

圖8.動(dòng)態(tài)范圍下降，11.5ns RMS周期跳躍時(shí)鐘抖動(dòng)。

注意，MAX98355的動(dòng)態(tài)范圍不會(huì)隨著周期跳躍的抖動(dòng)時(shí)鐘而降低。因此，MAX98355在時(shí)鐘抖動(dòng)時(shí)的性能比“120dB DAC”高出20dB以上。

圖9.寬帶白抖動(dòng)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)范圍下降。

競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 3 的 5.5ns 和 9.3ns 抖動(dòng)性能以及競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 5 的 9.2ns 抖動(dòng)性能是外推的，因?yàn)樵撈骷谶@些抖動(dòng)電平下實(shí)際上無法正常工作;它們開始下降位，實(shí)際測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍低于該圖所示。

圖 10.1kHz THD+N 性能隨時(shí)鐘抖動(dòng)而下降。

圖 11.20kHz THD+N 性能隨時(shí)鐘抖動(dòng)而下降。

結(jié)論

本應(yīng)用筆記介紹了一種測(cè)試音頻DAC抖動(dòng)容限的方法。音頻DAC對(duì)低頻和高頻頻段抖動(dòng)的響應(yīng)不同，因此有助于分別指定抖動(dòng)頻譜這兩個(gè)頻段的容差。容忍高抖動(dòng)的DAC允許更簡(jiǎn)單的采樣時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)，而不會(huì)降低音頻質(zhì)量。

審核編輯：郭婷