DSD1793：24位、192kHz采樣音頻立體聲數模轉換器的深度解析

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

文件下載：dsd1793.pdf

一、DSD1793的核心特性

1. 數據格式支持

DSD1793支持DSD和PCM兩種格式，這使得它在兼容性上表現出色。它能夠接受16 - 24位的音頻數據，PCM數據格式涵蓋標準、I2S和左對齊格式，同時還提供DSD格式接口，為不同的音頻應用場景提供了豐富的選擇。

2. 卓越的模擬性能

• 動態范圍：高達113dB，能夠清晰地還原音頻信號中的細微變化，讓聽眾感受到更加豐富的音頻細節。
• 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2.1V rms，提供了足夠的信號強度。
• 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的需求。

3. 強大的數字濾波器

采用8倍過采樣數字濾波器，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，提高音頻的質量。

4. 靈活的時鐘和采樣頻率

采樣頻率范圍為10kHz至200kHz，系統時鐘支持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進行匹配。

5. 用戶可編程功能

通過I2C兼容的串行端口，用戶可以對數字衰減（0dB至 - 120dB，0.5dB/步）、數字去加重、數字濾波器滾降（尖銳或緩慢）、軟靜音等功能進行編程控制，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）、數字輸入電壓等參數。超出這些額定值可能會導致器件永久性損壞，因此在設計電路時必須嚴格遵守。

2. 電氣性能參數

• 數字輸入/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定，確保了與其他數字電路的良好兼容性。
• 動態性能：在PCM和DSD模式下，DSD1793都表現出了優秀的動態性能，如不同采樣頻率下的THD + N、動態范圍、信噪比和聲道分離度等指標都非常出色。
• 模擬輸出：增益誤差、增益失配、雙極性零誤差等參數都在合理范圍內，差分輸出電壓和雙極性零電壓也有明確的定義，為音頻系統的設計提供了可靠的依據。

3. 電源要求

DSD1793采用雙電源供電，5V模擬電源和3.3V數字電源，不同采樣頻率下的電源電流也有所不同。在設計電源電路時，需要根據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. 系統時鐘和復位功能

• 系統時鐘輸入：DSD1793需要一個系統時鐘來驅動數字插值濾波器和先進分段DAC調制器，系統時鐘通過SCK輸入（引腳5），并具備自動檢測功能。常見音頻采樣率對應的系統時鐘頻率在文檔中有詳細的表格列出，方便工程師進行設計。
• 電源復位功能：當VDD > 2V時，電源復位功能啟用，初始化序列需要1024個系統時鐘。復位后，DSD1793將設置為默認復位狀態。

2. 音頻數據接口

• 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和系統時鐘同步，但不要求特定的相位關系。
• PCM音頻數據格式和時序：支持多種PCM音頻數據格式，通過控制寄存器18中的格式位進行選擇，默認數據格式為24位I2S。所有格式都要求二進制補碼、MSB優先的音頻數據。
• 外部數字濾波器接口和時序：支持與外部數字濾波器（如DF1704、DF1706、PMD200等）的接口，通過控制寄存器20中的DFTH位進行選擇。在外部DF模式下，部分引腳的功能會發生變化。
• 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DSD1793檢測到特定的零條件時，會將ZEROL和ZEROR引腳設置為高電平，方便工程師進行音頻信號的監測。
• 串行控制接口（I2C）：作為從設備支持I2C串行總線和標準及快速模式的數據傳輸協議，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：采用系統時鐘（SCK）進行噪聲抑制，但在某些特定條件下可能會出現誤判，如SCK周期過長、噪聲尖峰出現在特定位置等情況。

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行編程。這些寄存器可以控制數字衰減、輸入音頻數據格式、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、應用電路設計

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。運算放大器的動態性能（如增益帶寬、建立時間和壓擺率）對LPF部分的音頻動態性能起著關鍵作用。

2. 外部數字濾波器接口應用

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

3. DSD格式接口應用

DSD模式用于直接連接DSD解碼器，如超級音頻CD（SACD）應用。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時鐘的要求，以及接口的時序。

五、PCB布局和電路設計注意事項

1. PCB布局

• 分區隔離：推薦使用接地平面，將模擬和數字部分進行隔離，DSD1793的數字I/O引腳應朝向接地平面的分割處，以確保與數字音頻接口和控制信號的短而直接的連接。
• 電源分離：數字和模擬部分應使用單獨的電源，以防止數字電源上的開關噪聲干擾模擬電源，從而影響D/A轉換器的動態性能。在使用公共5V電源時，需要在模擬和數字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，但應盡量靠近DSD1793的相應引腳，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用設計的鋁電解電容；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用。

六、總結

DSD1793是一款功能強大、性能卓越的音頻立體聲數模轉換器，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播放器等領域都有廣泛的應用前景。在設計使用DSD1793的電路時，需要充分了解其各項特性和參數，注意PCB布局和電路設計的細節，以確保器件的性能得到充分發揮。你在使用DSD1793或者其他音頻DAC時，遇到過哪些有趣的問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗。