转自“电子发烧友”------CD机的心脏－－解码芯片大解析

杨维中

       你到旧货市场买cd，js们就会和你大谈该cd用xx解码芯片所以值xx元，其实一台cd机还有很多方面要考虑，如转盘，运放，接口等。而商贩们不大懂行，只是流行用这个说价。 不过解码芯片确实是cd中的核心，让我们看看现在主流的芯片。
　　d/a数字/模拟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？举例来说，一串用细绳穿起来的珠链。我们用两种方法将细绳上的珠子取下来，第一种方法是：分若干次取，每次取下固定数量的珠子；第二种方法是：有多少颗珠子就取多少次，每次只取一个珠子。实际上，第一种方法就相当于多比特方式，只有接收到全部16位数码后，才进行一次解码处理。第二种方法就相当于单比特方式，一个数码位一个数码位、连续不停地解码处理。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
　　常见DAC芯片主要是分为多BIT（MULTI BIT）和1BIT两大阵营，以前多BIT的主要生产厂家是BB，ADI，PHILIPS。SANYO，但现在PHILIPS和ADI也转向1BIT了，而SANYO也没见有什么好的东西，就剩BB公司在支撑着。
　　1）BB公司的常见DAC芯片是：
　　16BIT的PCM56，主要应用在大部分的平价CD机上

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       18BIT的PCM58，以前大量的使用在中档CD上，其着不错的性能和较吸引人的声音，20BIT的PCM63，这应该是BB公司最为经典的DAC芯片了，有着优异的性能指标和 不错的听感。在以前的很多高档机上总是见其身影。可惜是后来 停产了。
       20BIT的PCM1702，这个是BB公司用来替代PCM63的产品。有着比PCM63更好的性能 指标，但不知是什么原因，很多人是宁愿喜欢PCM63的声音而不大 愿意接受PCM1702的声音，个人估计可能是PCM63比PCM1702更容易 得到厚暖的声音。
24BIT的PCM1704，PCM1702的升级产品，也使用了PCM1702相同的内部结构，有着更 更高的分辨率和动态，自然的成为了高档机种的主流DA芯片。
PCM1702和PCM63和PCM1704 都采用了BB公司独有的COLINEAR结构，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的电流输出部分合2为一，这个结构不但有着多Bit DAC的高动态特性，更成功解决了在一般多Bit DAC上所出现的过零失真的问题，使输出的线性获得改善。
       还有是BB公司混合型设计的PCM67。这是一个双声道声道的18BIT芯片。它在18BIT讯号输入后，立即将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8BIT则以1BIT的方式转换，最后再将两部分的模拟讯号相加输出。这个设计以1BIT来解决过零失真的问题，又能保有多Bit的高动态优点。在设计构想上是极为高明的。
       BB公司大部分的DAC芯片通常分为三级，分别是：标准型的P后缀，较高级的PJ后缀，高等级的PK后缀，内部结构完全一样，在性能上略有不同。

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2）ADI公司的AD1862

这是Analong Devices公司所生产的20BIT DAC芯片，AD1862的讯号/杂音比非常优良，在外接二个旁路电容的状态下，讯号/杂音比可以高达119dB，而20BIT的分辨率也使它有120dB的动态范围，典型的应用就是DENON的DG2560了。AD1862分成AD1862N 和AD1862N-J两个等级。。.。。

　3）PHILIPS的TDA1541和TDA1543

TDA1541和TDA1543都是16BIT的DAC芯片，也许，TDA1541可以称为16BIT芯片的中的王者了。其优异的THD+N性能指标连许多所谓的18BIT DAC芯片也追赶不上的。特别是其可以外接的阶梯旁路点容，更成为DIY玩家调整声音所喜爱。本人则对其高频的分辨能力很是不满意。MARANTZ和PHILIPS的是该DAC芯片的主要用家，特别是MARABTZ连其顶级CD上也使用了他。TDA1543也是16BIT的DAC，其只有8个引脚，可算是极简单的DAC芯片了。但其高频的失真也算的上是惨不忍睹的了。TDA1543有后缀带A的TDA1543A和不带的TDA1543，这两个型号接受的数据格式是不同的，不可以直接代换。其分别是：TDA1543A是接受MSB 16BIT的数据信号，不可以接受IIS数据格式的。而TDA1543则是只接收IIS数据格式的。
　　TDA1541则有4种，档次由低到高的排列分别是：TDA1541A，TDA1541A/R1，TDA1541A/S1，TDA1541A/S2，他们的性能数据是不同的，其主要分别表现在S/N和-60DB时的THD+N的失真，这4个型号都是只接受IIS的数据格式。
　4）SANYO的LC7881和LC78820，LC7881是16BIT的，而LC78820则为18BIT，以前的一代平价 CD机CEC891使用的DAC芯片就是LC78820。而LC7881则多数使用在平价机中，其性能没有 PCM56好。

说到多BIT的DAC芯片，还有一个是不得不提的，就是ULTRA ANALOG公司的D20400A，有着 良好的性能指标和听感以一身的20BIT的DAC芯片，当年只有在高价的器材中才可见其身影。 多BIT的芯片就说到这里，由于还有一些多BIT的芯片，本人没有接触过，不便在这里 胡言。只好就此打住了，下面谈谈1BIT的DAC芯片。

现在的DAC芯片生产阵营可是比多BIT的强大得多了。计有PHILIPS的比特流技术，松下的 MASH，CS公司的DELTA SIGMA，SONY的PULSE，还有日本AK和NPC。
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，
　　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。
　　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。
　　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。
　　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！
　　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。
　　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？

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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）
　　除非光头是philipscdm1201和sony213或240a这些常见的光头，坏了可以较为容易地找到，价钱也相当便宜。象philips的1201这个型号从cdm到vam一直保留，前面符号虽然变了，但东西基本是一个东西。
　　现在在国内可选择的侍服电路芯片较多，现成的侍服电路板更是五花八门。侍服电路芯片除了philips和sony两大家之外，还有三星、松下、sharp等，但基本都是配合sony电压型机芯使用的（philips是电流型）。侍服ic变化非常快
3．解码系统
　　现有的两款原创cd机主要的差别在于音频解码部分电路不同，其中cda6使用的是美国crystal公司的cs4390；cda9则使用pmi公司的 pmd100和bb公司的pcm1702。了解音频dac的人都知道，目前主要的音频dac供应厂商有美国的burr-brown、crystal和 analoguedevices，欧洲的philips，日本nipponprecisioncircuits和 asahikaseimicrosystem，还有一些公司也提供
　　dac，但是供货期无法保证。akm实际上就是crystal，当年akm收购了crystal，将技术拿到手，反手又卖给cirruslogic。
　　现在再出cd机产品只能选用比较好的dac来尽量弥补这种劣势。对cd机生产厂家而言，选择dac其实较为简单，从技术上看，尽管日本的东西并不落后欧美产品，但是，从名声上还是差一点，所以，国产cd机创牌时是不会轻易用日本dac。至于philips，可惜它已不在hifi产品上下功夫了， tda1547出现也有七八年了，虽然讲 tda1547+tda1307还是一套非常好的组合，不过，philips的供货手续和交货期却很难满足国内厂家的要求。省下只有bb、crystal和ad了，价格相同的情况下比较性能，很难讲它们之间谁优谁劣。
　　滤波器性能如何直接关系到最后的音频输出质量，理论上讲，超倍取样越高，性能就越好。超倍取样的有时候定义不同，通常是以cd标准采样周期内的插补值多少来计算超倍取样倍数；少数后接1比特dac的滤波器是以1比特转换周期来计算。目前硬件方式的数字滤波器基本都是8或4倍插补。pmd100是8倍插补； cs4390尽管称128x，但实际上是4倍。插补虽然是无中生有，但这里有好过无。因为插补目的是为了减轻dac之后模拟滤波器负担，尽量减少音频信号因模拟滤波器而带来的相位移。
　　从目前发展趋势看，数字滤波器，应该叫数字处理器dsp，它的作用越来越大。从早期的theta、wadia到现在的sony、marantz（cd-7），他们的高档数字音频制作都使用大量数字处理芯片进行运算。
　　DAC的性能指标 信息来自维库电子市场网（www.dzsc.com ）
　　D／A转换器的输出形式有电流型和电压型，输出极性可以是单极性，也可以是双极性。对于电流输出型DAC，一般要外接集成运放，以将输出电流转换成输出电压，同时还可以提高负载能力。在实际应用中，一般选用电流输出型DAC来实现电压输出。
　　DAC的性能指标很多，主要有以下几个。
　　①分辨率：是指D＼C能分辨的最小输出模拟增量，取决于输人数字量的二进制位数。分辨率通常用数字量的位数表示，一般为8位、12位、16位等。一个n位的DAC所能分辨的最小电压增量定义为满量程值的2-n倍。例如，满量程为10V的8位DAC芯片的分辨率为10V×2-8＝39mV。一个同样量程的16位DAC的分辨率高达lOV×2-16＝153μV.
　　②转换精度：转换精度和分辨率是两个不同的概念。转换精度是指满量程时DAC的实际模拟输出值和理论值的接近程度。对T型电阻网络的DAC，其转换精度和参考电压Uref 、电阻值和电子开关的误差有关。例如，满量程时理论输出值为10V，实际输出值为9，99～10．DIV，其转换精度为±10mV。通常DAC的转换精度为分辨率之半，即为LSB／2。LSB是分辨率，是指最低一位数字量变化引起幅度的变化量。
　　③偏移量误差：是指输入数字量为零时，输出模拟量对零的偏移值。这种误差通常可以通过DAC的外接Uref 和电位计权加以调整。
　　④线性度：是指DAC的实际转换特性曲线和理想直线之问的最大偏差。通常，线性度不应超过±1/2 LSB。
　　⑤输入编码形式：是指DAC输人数字量的编码形式，如二进制码、BCD码等。
　　⑥输出电压：是指DAC的输出电压信号。不同型号的DAC，输出电压相差很大，对于电压输出型，一般为5～10V，也有高压输出型的，为24～30V。对于电流输出型的DAC，输出电流一般为20mA左右，高者有的达到3A。
　　⑦转换时间：是指输入的数字信号转换为输出的模拟信号所需要的时间。一般为几十纳秒至几毫秒。
　　除上述指标外，供电电源、工作温度、温度灵敏度等指标也是DAC的技术指标，关于DAC的资料很多，请再参考其他书目。
　　目前，市售的D／A转换器有两类：一类在一般电子电路中使用，不带使能端和控制端，主要有数字量输人线和模拟量输出线；另一类是专为微机设计的，带有使能端和控制端，可以直接与微机接口。现在与微机接口的DAC应用较多，主要有8位、10位、12位、16位等。下面以12位DAC和16位DAC为例介绍D／A转换器。
　　一般是使用什么样的dac，声音有80%已经由你使用的这颗dac加上前面的数字滤波器决定了。

月亮升

辛苦了杨老师！