D/A处理单元简介
大家看了上篇的文章《数码/模拟转换器名词浅释》一文。相信大家已对D/A Converter有结构上的认识。这次笔者将对其中的D/A转换单元为各位作简略的介绍,并对市场上较常用的D/A转换单元的讯号处理方式加以说明,希望在日后阅读有关的D/A Converter的评论、介绍,除了阅读对产品音色的评论之外,能深一层对机器的软体性能也有所了解。现今在音响市场上,D/A转换器大致可以粗分为两大主流:一是多位元,另一个则是单位元。以发展时间的长短来说,多位元是在CD唱盘问世时就出现的,而第一代的1bit产品则是约在1990代初期才在市场上出现,但是多bit和1bit以结构上分析到底孰优孰劣?就多bit而言,它的优点是没有所谓的再量化的过程,因此噪音较低;除此之外,亦有较佳的动态表现。但传统的多bit在Low Level的情况有非线性失真人及过零失真(Zero Cross)的问题,若想克服需要使用非常复杂的电路结构,这就造成了多bitDAC晶片在追求高品质的目标下,同时也要负担高昂的代价。相对地以1 bitDAC它的优点是先天上就不存在过零失真的问题,类比波形的线性良好,再则生产成本较低,这就是市场上中低价位的CD player大量使用1 bitDAC的原因。然而1 bit DAC需要更高的频率的Clock,以及它在“再量化”的过程中会造成若干讯息失落,这也是它挤身Hi-End 的障碍。其实多bit DAC和1 bit DAC电路结构上最大的差异,只是在于是不是有“再量化”的这一个过程,两者之间的优劣比较也集中在这个问题上。
OVER SAMPLING是什么?
在初期的数位音响制品中,DAC没有数位滤波器而是使用高阶的类比滤波器。CD讯号的取样频率是44.1KHz,以现今的观点来看两个取样相距太远,在量化的过程中会产生下陷(Glitch)现象,使类比输出的线性不良。为了改善此一缺点,因而出现了Over Sampling的技术,我就以下做个说明:
杯子A和B代表相邻的两个取样,A杯的水位较高,而B杯的水位较低,代表量化讯号由高→低。Over Sampling的意义就是在杯A与杯B之间加入更多的杯子(如n倍取样就加入n-1个杯子),然后经由数位滤波器的运算,算出A与B间杯子的水量再送至DAC晶片做解码。以上加入杯子1-7的过程,我们就称为补间(Interpolation)。如此一来讯号的密度提高了,不再需要使用太高阶的类比滤波器就能拥有优良的线性表现。在此之前有很多人有这样的疑惑:“CD的取样频率是44.1KHz,8倍OVER SAMPLING中间的七个数据是那来的?”我的答案是:“运算出来的!”只是运算的方法各有巧妙不同罢了,又有人问CD的讯号是16bit,为什么D/A转换器要作20bit?没错!对上图的A和B而言16bit的精确度就够了(和CD讯号相等),但是A→B间插补的数据则可提高它的精确度,所以更高于16bit的存在是有它的价值。
ANALONG DEVICES AD 1862
首先介绍的是Analong Devices公司所生产的AD 1862 20bit Audio DAC,它除了使用在数位音响之外,亦使用在电子合成乐器、专业录音的数位混音器及各种效果器上,应用的范围相当广泛。厂方在发布的资料当中,特别强调AD 1862的讯号/杂音比非常优良,在外接二枚杂讯旁路电容的状态下,讯号/杂音比可以高达119dB,而20bit的分解能力也使它有120dB的动态范围(Dynamic Range,理论值)。在此要说明一点,某些半导体厂商在较高级的晶片出厂之前,将成品进行测试并就其性能分类,因此即使是同一品牌、同一编号的DAC,在性能和价格上还有分别。
AD 1862分成AD1862N 和AD1862N-J两个等级,其中在THD+N(Total Harmonic Distrot+Noise)和讯号/杂音比(S/N),使用990.5Hz讯号测试性能如图1、图2:
THD+N at 990.5Hz
Signal Level Typ Max
0dB AD1862N -98dB -96dB
0dB AD1862N-J -94dB -92dB
-20dB AD1862N -84dB -80dB
-20dB AD1862N-J -84dB -80dB
-60dB AD1862N -45dB -42dB
-60dB AD1862N-J -45dB -42dB
S/N With A-Weight Filtel
Min Typ
AD1862N 110dB 119dB
AD1862N-J 113dB 119dB
AD1862的外观是16pin的塑胶DIP包装,电路结构大致由三个部分所构成。串列讯号输至一个20bit的解码部分转化成并列讯号传送到20bitDAC,将数位讯号转换成类比电流讯号输出,另有一组参考电压源供应给20bit DAC部分,电路方块图如图四。
BURR-BROWN PCM63P
说到PCM63P这类DAC,实在称得上目前市售DAC产品中的“主流派”。即使它出来已有一段时间,但是在多bit的Hi-End数位/类比转换器中仍然具有代表性,像Theta的GII和Monarchy Model100等就是采用PCM63。在电路结构的设计上PCM63亦相当有特色,在这片晶片上有所谓的Colinear双DAC结构,此外在S/N比有116dB输出电流的高速特性(200ns Typ 2mA Stop)及低失真的性能,都是使它受Hi-End厂商爱用的原因。长久以来,音响用的DAC在不断地改良,而为了克服低电平的非线性失真(主要由过零失真所引起),各家IC制造商各自开发不同的杂讯整形方式或提高取样频率。所谓的Bit Stream、MASH等1bitDAC,就在此种情况下,应运而生。没错,它们是解决了低电平线性的问题,然而对于互调失真和分离会有不良的影响。PCM63在线路上是使用多bit常用的R、2R阶梯方式作为主要的解码,但不同的是它在每一个声道使用了两个的19bit的DAC分别负责正负半周的讯号,再将DAC的电流输出部分和而为一,这就是所标榜的Colinear结构。这个结构不但保有传统Bit DAC的高动态特性,更成功地解决了在一般多Bit DAC上所出现的过零失真的问题,相对地类比类比输出的线性亦获得改善。系列产品分为三级,分别是标准型的PCM63P和较高级的PCM63PJ,以及最高等级的PCM63PK,在性能上略有不同。笔者在此列举两项供读者参考。(图五、图六)
由以上数据可以得知Burr-Brown主要是以Dynamic Range和THD+N作三级筛选,以此区隔PCM63P、PCM63PJ与PCM63PK,当然这三者在价位上亦有相当的差距。PCM63系列的价格不菲,许多数类转换器的生产厂商基于成本的顾虑或是产品的分级的考量,就不会运用如此高级的DAC。不过也有像Wadia9这样的产品,为了提高Bit数(22Bit)和Over Sampling 倍数(32倍)的前提下,不计成本地在每个声道使用四颗PCM63(左右声道一共用了八颗),像这样的手笔在数类转换器的市场上可算是凤毛麟角,实在不多见。(图七)
以上述的两种晶片作比较,使用单一20Bit DAC的AD1864是属于传统的多Bit结构,因此仍然存在着过零失真,而PCM63以双19Bit合并为20Bit,在技术上是解决了过零失真的问题,却出因此付出了高昂的低价。
BURR-BROWN PCM67
另一个Burr-Brown的DAC:PCM67,是一个内含左右声道的18Bir DAC。值得一提的是它在18Bit讯号输入之后,立即交18Bit讯号切分成10Bit 和8Bit两个部分,其中较高位的10个Bit由多Bit DAC转换,较低位的8 Bit 则以1 Bit 的方式转换,最后再将两部分的类比讯号相加输出。这个设计以1 Bit 来解决过零失真的问题,又能保有多Bit DAC的高动态优点。若要制造一部18 Bit 八倍超取样的数类转换器,仅需一枚PCM67作解码单元就够了,在成本上就比用PCM63P要便宜许多,这也是Theta的DS Pro Bsaic和GIII的差别,若只纯粹比较性能,PCM67还是不能与PCM63 相提并论,但是PCM67成功地降低了成本并融合了多Bit 和1 Bit 的优点,设计者“四两拨千斤”,不能不佩服他在设计构想上的高明!(图八)
Philips SAA7350
SAA7350是飞利浦公司生产的1 Bit DAC,每一片SAA7350可以提供两声道的平衡输出,其结构方块图如图九。
当它与20Bit八倍超取样的数位滤波器连接,左右声道的数位讯号经输入介面送进杂讯整形滤波器,出来成为1 Bit 讯号,再进入由CMOS闸和电容组成的1 Bit D/A将1 Bit 讯号变成连续讯号,最后透过类比低通滤波器输出。
Philips的DAC7解码模组中就有使用到SAA7350,实际上该说它只用了SAA7350的前半总再加上两枚TDA1547 1Bit Converter,TDA1547的功能大致相当于SAA7350的杂讯整形滤波器输出的1 Bit讯号,然后经过TDA1547的1 Bit D/A至积分线路,再经由低通滤波器输出由SAA7350+TDA1547再加上NPC的SM5803和其他周边元件就是DAC7数位模组,广泛地使用在飞利浦和其他厂牌的1 Bit D/A系统中。
DAC7的作法虽然仅将SAA7350中的后半总另外使用,却使得类比部分免于受到数位部分的严重干扰,使线性更加完善,否则飞利浦也不会如此浪费去使用和SAA7350类比部分功能重复的TDA1547晶片。
1 Bit,MASH,△∑,∑DECO
写到这里,再把上述四个名词稍作说明。市场上的DAC晶片可分为1Bit和多Bit ,早期的1Bit DAC为达到多Bit相当程度的精确度,必须使用非常高频的Colck。若是用1Bit D/A以一个LSB表示16Bit的资料,Clock频率将高明达44.1KHzX(216-1)=2.8900935GHz,才与16Bit相当就需要近3GHz的时永频率。这样看来,似乎1Bit DAC没有什么前途。还好后来又陆续发展△∑调变方式,又演进到“多级杂讯量化抑制技术”MASH(Multistage Noise Shaping)使1Bit DAC可以比以前使用较低倍的Clock就能得到更高的精确度。在今天,大多数的1Bit解码单元都有应用到上述技术,所以不论是MASH、△∑、∑DECO,其实都是1Bit。Vimak DS-2000mkII是哪一种?有人能告诉我吗?
NPC SM5864AP
最后出场的是NPC(Nippon Precision Circuits LTD.)的CMOS LSI ∑DECO SM5864AP。这个LSI是用传统的Plastic DIP28脚封装,每个LSI提供两声道的PWM差动式输出,配合同公司的SM5840(20Bit,八倍超取样)数位滤波器同时使用。SM5864AP是1Bit DAC,它采用多次△∑的MASH方式,结构上大致和Philips的SAA7350差不多,在实际应用上较不同的是SAA7350在输出之前,晶片内已烧附数个OP。仅需加接电阻电容即可构成LPF(低通滤波器),无需再接其他的OP。而NPC的SM5864是直接输出PWM波形,需要再加接积分电路(将PWM转为连续讯号)和LPF,看来似乎较为麻烦;从另一个角度来看,SM5864后PWM波形处理和LPF在设计及使用上却更有弹性。SM5864的重要规格如下,其中Fosc为主系统振荡频率(图十)
一口气介绍了五种D/A处理单元,真是蛮累人的!原本DAC就不是很容易了解的东西,尤其是对没有学过电子电机的人来说,即使用口述也得说上一整天,可能对方还是一头雾水。于是只好想出“看图说故事”的办法,以文章配合图解加以说明。但原本文提供的资讯能对读者进一步认识DAC有所助益,若本文有谬误之外还请各方先进不吝赐教。