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音頻設(shè)備中最核心和最重要的設(shè)備解碼器 無非是 數(shù)模轉(zhuǎn)換器和放大器(數(shù)模轉(zhuǎn)換)芯片。人們經(jīng)常密切關(guān)注音頻dac芯片的選擇，并熱衷于討論其優(yōu)缺點。
本文試圖簡單介紹一下目前最好的高端音頻dac芯片的結(jié)構(gòu)、工藝和性能，并做一個排名，供大家參考。
盡管如此，任何高質(zhì)量的音頻dac芯片(不論排名)都可能被用來實現(xiàn)整機(jī)的良好音效。想必我們既要客觀認(rèn)識dac芯片的重要性，也要客觀認(rèn)識芯片的整機(jī)配合的重要性。因此，本文不提倡 核心 主義。
一個
音頻dac芯片的類型
70年始出現(xiàn)單片集成電路(ic) dac，甚至開啟了dac的芯片時代。最早的dac芯片是從加權(quán)電阻的結(jié)構(gòu)和雙極晶體管的工藝開始的。
1975年8位dac芯片dac08，來自《the data conversion handbook》，adi公司，2005年。
1)分壓式
在音頻應(yīng)用中，傳統(tǒng)技術(shù)使用分壓結(jié)構(gòu)(r2r是分壓的特例)和多位(并行輸入)pcm(脈碼調(diào)制)數(shù)據(jù)格式。為了提高精度、速度和降低功耗，工藝中逐漸采用了互補(bǔ)雙極型集合管、薄膜電阻加激光校正和電流cmos電路。在這些芯片中，有幾個著名的r2r結(jié)構(gòu)的芯片，如burrbrown公司(2000年被德州儀器收購):
pcm63:支持20位/96khz pcm音頻信號，動態(tài)范圍108db；
pcm 1702:1995年推出，20位，動態(tài)范圍110db；
pcm 1704:1999年推出，24位，動態(tài)范圍112db。
這些芯片采用了一些特殊措施來提高性能，如 符號大小和架構(gòu)、零附近小電平差、兩組互補(bǔ)dac電路產(chǎn)生絕對電流、激光校正電阻等措施降低過零失真和差分誤差。
r2dac芯片pcm1704，取自《pcm1704 24bit, datasheet》 burrbrown公司，1999年。
飛利浦半導(dǎo)體公司(2006年與摩托羅拉半導(dǎo)體公司合并成立恩智浦半導(dǎo)體公司)也推出了數(shù)字流(串行輸入)dac芯片，如:
tda1541/tda1541a: 16位，分別于1985年和1991年推出，信噪比分別為95db和110db，采用10位6位分壓器，其中低6位旋轉(zhuǎn)3 ^ 2位，實現(xiàn)動態(tài)元素自適應(yīng)(dem)功能，減少失真。tda1541a根據(jù)微分線性誤差從高到低分為/n2/r1、/n2和/n2/s1三個級別。
tda 1547:1991年推出，1 bit(支持20 bit pcm信號)，信噪比113db，動態(tài)范圍108db，需要配合saa7350數(shù)字流電路使用。分離芯片的布局和獨立通道的設(shè)計，通道分離度很好(115db)，通過切換電容分壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，非常適合當(dāng)時的高端cd機(jī)等設(shè)備。
數(shù)字流dac芯片tda1547框圖，取自《 tda1547 datasheet》飛利浦半導(dǎo)體公司，1991年9月。
2)適馬三角洲
性能更好(動態(tài)范圍更大、噪聲和失真更低)且數(shù)量更多的音頻dac芯片正在使用多位適馬德爾塔調(diào)制器。著名的是:
ad1955美國模擬設(shè)備公司(ad)的；美國cirrus logic(cl)公司的cs43xx系列，英國wolfson半導(dǎo)體公司的wm87xx系列(2014年被cirrus logic收購)，美國德州儀器(ti)公司的pcm179x和dsd179x系列，美國ess公司sabre sound旗下的es90xx和es90xxpro系列，日本asahi kasei microdevices(akm)公司，the world 2007年推出的首款32位ak4397，以及velvet sound technology品牌下的ak44xx系列等。
目前，ess、akm、cirrus logic、德州儀器等公司是高端音頻dac芯片的主要供應(yīng)商。
3)fpga/cpld
隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)dac的功能有了更多的選擇。根據(jù)設(shè)計者的需要，可以用fpga(現(xiàn)場可編程門陣列)或cpld(復(fù)雜可編程邏輯器件)來實現(xiàn)dac的功能。這類設(shè)備的廠商主要是美國的xilinx和intel(收購了altera)。
主流芯片
由于工藝的限制，提高r2r dac芯片的性能非常困難。用fpga或cpld實現(xiàn)dac的技術(shù)細(xì)節(jié)并不統(tǒng)一，而采用適馬德爾塔技術(shù)的芯片由于具有動態(tài)范圍大、噪聲低、cmos電路成本低、易于在芯片上增加其他處理功能等優(yōu)點，是目前音頻市場和高端音頻市場的主流芯片。
2
芯片組成
音頻dac芯片的組成主要有以下幾種形式:
1)基本dac
音頻dac芯片最基本的功能元件是一個多路復(fù)用器，用于接收各種格式(dsd或pcm)的音頻信號、過采樣和數(shù)字濾波器、調(diào)制器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出。akm公司的ak4499、ak4497、德州儀器公司的dsd1794等芯片都是這樣構(gòu)造的，如下圖所示:
基本dac芯片組成
這種芯片需要與外部數(shù)字音頻接收芯片一起使用，以在諸如spdif(索尼飛利浦?jǐn)?shù)字接口或索尼飛利浦?jǐn)?shù)字互連格式)/aes(美國音頻工程協(xié)會)/ebu(歐洲廣播聯(lián)盟)的標(biāo)準(zhǔn)下接收串行音頻數(shù)據(jù)。cirrus logic公司的cs8416是典型的數(shù)字音頻接收芯片。
數(shù)字音頻接收芯片cs8416框圖，《cs8416 datasheet》，cirrus logic公司。;07.
2)帶數(shù)字音頻接收器
有些芯片會將數(shù)字音頻接收機(jī)集成到同一個dac芯片中，比如ess的es9038pro和es9028pro，集成一個spdif功能塊。這樣，采用更高程度的soc (solution on chip)設(shè)計思想帶來的好處，不僅可以減少芯片數(shù)量、電路板占用面積、外部干擾、功耗等。，但更重要的是，它可以更方便地處理數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)一些技術(shù)手段。
帶spdif接收器的dac芯片
spdif數(shù)字音頻接收器設(shè)置比較
3)獨立調(diào)制和獨立數(shù)模轉(zhuǎn)換
芯片，比如akm的ak4191，目前還沒有上市，是獨立的64位調(diào)制器，支持dsd1024和pcm信號，采樣頻率高達(dá)1536khz。結(jié)合ak4498獨立數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，可以實現(xiàn)高密度音頻播放。
4)片上解決方案(soc)
cirrus logic的cs43131、cs43198等芯片，在基本dac功能塊之后附加模擬濾波器，可以直接輸出模擬信號。比如ess公司的es9219，es9080，akm的ak4377a等。，帶大功率模擬放大器，可直接連接耳機(jī)；再比如ess的es9038q2m，采用低功耗設(shè)計。soc設(shè)計簡化了整機(jī)的組成和材料，縮小了體積，降低了成本。這些芯片是面向應(yīng)用的，比如手機(jī)或者移動設(shè)備。
三
技術(shù)手段
目前，大多數(shù)高端音頻dac芯片使用性能良好的多位適馬德爾塔調(diào)制器，并采用過采樣和數(shù)字濾波、噪聲整形、動態(tài)元件自適應(yīng)(dem)等技術(shù)。此外，各廠商也開發(fā)了自己的技術(shù)。以進(jìn)一步提高芯片的整體性能。
1)異步采樣率轉(zhuǎn)換(asrc)技術(shù)
傳統(tǒng)芯片跟蹤音頻時鐘的是使用pll(鎖相環(huán))技術(shù)。下圖顯示了典型的pll電路原理圖。鎖相環(huán)的本質(zhì)是一個反饋電路，用來跟蹤時鐘和輸入信號的變化。
傳統(tǒng)pll電路原理圖，取自cirrus logic，inc. august 07年，《cs8416 datasheet》。
通過精心的設(shè)計和元件選擇，pll可以實現(xiàn)良好的時鐘跟蹤性能，并將抖動控制在較小的水平。但鎖相環(huán)電路的性能容易受到信號質(zhì)量、傳輸線質(zhì)量、設(shè)備、干擾和速度的影響，在高速時性能受到限制。
ess公司采用異步采樣率轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過適當(dāng)?shù)挠嬎闶筪ac時鐘與音頻信號時鐘一致但脫離瞬態(tài)變化。芯片使用本地產(chǎn)生的時鐘信號，dac的抖動只取決于本地晶振的固有性能，基本消除了信號和傳輸中的抖動，降低了對前端信號質(zhì)量、連接線和設(shè)備的要求。ess公司的sabre dac的spdif接口可以實現(xiàn)很大的抖動容限。
sabre dac抖動消除電路原理圖，摘自《 about jitter》 ammes，2011年10月；
不同片上時鐘源的比較
2)超流調(diào)制器
ess 的低級級聯(lián)調(diào)制器，稱為hyperstream調(diào)制器，使調(diào)制深度接近100%，并保持調(diào)制器穩(wěn)定，從而降低了適馬德爾塔dac的瞬態(tài)(頻域)非線性和噪聲。
3)過采樣率乘數(shù)(osr乘數(shù))
適馬德爾塔dac采用過采樣技術(shù)擴(kuò)大動態(tài)范圍，然后通過噪聲整形降低音頻頻段的噪聲。早期dac芯片的過采樣頻率仍處于較低水平，如標(biāo)準(zhǔn)音頻采樣頻率的4~16倍?，F(xiàn)在芯片可以實現(xiàn)更高的頻率，以進(jìn)一步提高dac的性能。日本akm公司在數(shù)字濾波中采用過采樣乘法器(osr乘法器)，以增加輸入信號的范圍，降低音頻頻段的噪聲，降低功耗。其高端dac芯片如ak4490可以實現(xiàn)256倍的過采樣倍數(shù)。
4)分段dac
將數(shù)字信號的高低位按其不同的位置和作用進(jìn)行分段，然后分別進(jìn)行處理，可以提高dac的性能。德州儀器在pcm179x和dsd179x系列芯片中都采用了這項技術(shù)，被稱為 先進(jìn)的分段數(shù)模轉(zhuǎn)換器和放大器以增加動態(tài)范圍并改善抖動電容。寬容。
amp示意圖；先進(jìn)的分段數(shù)模轉(zhuǎn)換器和放大器德州儀器，摘自2006年11月《《dsd1794a datasheet》德州儀器》。
5)其他技術(shù)
為了盡可能提高音頻dac芯片的性能，廠商還會采用其他技術(shù)，如:dwa、增益校正和失真補(bǔ)償、基準(zhǔn)電壓校正、電流輸出、低輸出阻抗、差分互補(bǔ)輸出、外部數(shù)字濾波、低噪聲線性電源等等。技術(shù)手段多樣，有些技術(shù)還是保密的，很難一一列舉和描述。
四
高端音頻dac芯片排名
動態(tài)范圍是音頻dac的代表性性能參數(shù)。根據(jù)這個性能水平和其他因素，最高端的音頻dac芯片排在下面。
高端音頻dac芯片排名:
注:動態(tài)范圍數(shù)據(jù)為各廠商公布的各對應(yīng)芯片的最大值。排名不包括面向應(yīng)用(如帶模擬放大器的soc)、獨立調(diào)制器、獨立數(shù)模轉(zhuǎn)換器和停產(chǎn)芯片。
ess s es9038pro作為目前業(yè)界參數(shù)指標(biāo)最高的芯片之一，片上集成了spdif接口，通過采樣率異步轉(zhuǎn)換技術(shù)的抖動消除電路與前端傳輸抖動解耦，抖動容忍度極大。hyperstream專利調(diào)制器可以使適馬德爾塔調(diào)制器克服某些頻域瞬變的非常線性。再加上一些其他技術(shù)，比如失真校正、8通道可切換差分dac、專用超低噪聲線性電源(《 sabre pro es9038pro datasheet》。
akm的新旗艦ak4499是陣列中管腳最多、最貴的芯片，動態(tài)范圍達(dá)到了業(yè)界最高(甚至和es9038pro一起)，但沒有配備spdif接口，所以如果在同等條件下考慮，綜合性能指標(biāo)應(yīng)該比單芯片略低。另外，ak4499是4通道dac，小于《 ak4499 premium switched resistor 4ch dac》，朝日kasei，2019/02。
es9028pro和es9038pro幾乎是一個芯片(包括功能、芯片封裝和引腳)，能發(fā)現(xiàn)的區(qū)別只有兩個:一是輸出阻抗大于es 9038 pro第二，動態(tài)范圍、失真、噪聲等指標(biāo)比es9038pro低一個級別。綜合指數(shù)會高嗎？同等條件下，ak4499(加入spdif接口等。)沒有基礎(chǔ)，略遜于旗艦芯片。
32位8通道芯片es9008和es9018也采用了異步采樣率轉(zhuǎn)換等技術(shù)，都是當(dāng)時性能指標(biāo)最高的。而ess公司sabre sound品牌下較早推出的芯片也采用了較早的hyperstream調(diào)制技術(shù)，綜合性能低于es9028pro。
ak4497是akm的最后一款旗艦芯片，一款久負(fù)盛名的芯片，2通道dac，各項參數(shù)表現(xiàn)出色，還支持32位/768khz和dsd512音頻信號，指標(biāo)略低于新旗艦ak4499。
曾經(jīng)大名鼎鼎的1794(pcm1972，pcm1794，dsd1792，dsd1794)，德州儀器(收購burrbrown，bb)最著名的芯片(系列)之一，采用專有先進(jìn)分段調(diào)制技術(shù)。雖然推出時間比較早，但仍然是一款性能指數(shù)很高的芯片。缺點是24位芯片的采用頻率有限。據(jù)此，可能會倒排，但如果對音樂信號(如32位pcm)的個數(shù)沒有太刻意的要求，還是不錯的芯片。
cs4399和ad1955分別是cirrus logic和analogdevices的最高端音頻dac芯片。ad1955更早，但cs4399還是近幾年的產(chǎn)品。wm8740、wm8741、wm8742是沃爾森半導(dǎo)體(cirrus logic)的芯片，其中wm8741的性能最好。akm公司和 ak4490曾經(jīng)是最暢銷的芯片，其后來的替代產(chǎn)品ak4493和后來推出的其他芯片性能更好；ess s es9026pro和es9016分別是比對應(yīng)的es9038pro和es9018定位更低的產(chǎn)品，sabre9006as是較早芯片es9006的替代品。pcm1795是德州儀器為數(shù)不多的32位音頻dac芯片。和pcm1796、pcm1798一樣，性能低于pcm1794系列，略低于pcm1794、pcm1792。
稍微排在后面的芯片，基本都是各公司旗艦或者最高端芯片下一個級別的產(chǎn)品，或者是時間更早的核心產(chǎn)品，性能指標(biāo)好，性價比比旗艦更好。
讓 讓我們從另一個角度來看這個排名。
按價格排序:
注:價格指數(shù)是將當(dāng)前官方銷售渠道中每款芯片的售價除以最低價格得到的。
推出/上市時間排名:
注:時間以各廠商官方業(yè)務(wù)文件及其他官方資料提供的信息為準(zhǔn)；芯片wm8740/41/42的上市/上市時間還不確定。
五
總結(jié)
ess和akm s芯片由于推出時間較晚，技術(shù)相對較新，優(yōu)勢明顯。排名不等于聲音的好壞，每個人對聲音的評價都會有自己的理解和標(biāo)準(zhǔn)。任何優(yōu)秀的芯片都可能帶來令人振奮的聲音；同樣，任何優(yōu)秀的芯片都可能受到整機(jī)中其他元件的限制，無法發(fā)揮出應(yīng)有的性能。比如120db的動態(tài)范圍，外圍電路要達(dá)到這個性能并不容易。高端音頻dac的解碼芯片技術(shù)復(fù)雜多樣，遺漏和錯誤在所難免。歡迎指正和補(bǔ)充。
2.0版，2021年3月2日
參考資料:
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4.tda1541雙通道16位dac，飛利浦半導(dǎo)體，1985年11月；
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15.sabre hifi es9080 32位高性能8通道dac產(chǎn)品簡介，ess technology，inc .，2020年12月1日；
16.sabre hifi es9219 32位立體聲低功耗dac，帶耳機(jī)放大器、模擬音量控制和輸出開關(guān)，ess technology，inc .，2020年2月27日；
17.sabre sabre9006a premier 8通道奧迪dac數(shù)據(jù)表，ess technology，inc .，2020年5月4日；18.ak4495s/95面向質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)32位2ch dac，旭化成，2014/04；
19.= preliminary = ak4191高級數(shù)字δσ調(diào)制器，旭化成，2020/02；
20.ak4377a帶惠普的低功耗高級32位dac，旭化成，2018/02；
21.ak4490en高級32位2ch dac，旭化成，2015/12；
22.ak4490高級32位2ch dac，旭化成，2014/11；
23.ak4492面向質(zhì)量的32位2ch dac，旭化成，2016/12；
24.ak4493面向質(zhì)量的32位2ch dac，旭化成，2017/12；
25.ak4495s/95面向質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)32位2ch dac，旭化成，2014/04；
26.ak4497面向質(zhì)量的32位2ch dac，旭化成，2016/05；
27.ak4498面向質(zhì)量的多位立體聲dac，旭化成，2018/12；
28.ak4499優(yōu)質(zhì)開關(guān)電阻4ch dac，旭化成，2019/02；
29.cs4398 120 db、192 khz多位dac，帶音量控制，cirrus logic公司，2005年7月；
30.cs 4399 130 db、32位高性能dac，cirrus logic公司，2016年12月；
31.cs 43131 130 db、32位高性能dac，集成耳機(jī)驅(qū)動器and阻抗檢測，cirrus logic公司，2017年10月；
32.具有偽差分輸出的cs 43198 130 db、32位高性能dac，cirrus logic公司，2017年10月；
33.wm 8740 24位、高性能192khz立體聲dac，沃爾森微電子有限公司，2000年7月；
34.wm 8741帶高級數(shù)字濾波的24位192khz dac，沃爾森微電子有限公司，2007年10月；
35.wm 8742 24位192khz dac，帶高級數(shù)字濾波，沃爾森微電子有限公司，2013年2月；
36.pcm 63 p coli liner 20位單片音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器，burrbrown corporation，1998年1月；
37.pcm1702p pcm1702u bicmos高級符號幅度20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，burrbrown公司，1995年6月；
38.pcm1704 24位、96khz bicmos符號幅度數(shù)模轉(zhuǎn)換器，burrbrown公司，1999年2月；
39.pcm1794a 24位、192 khz采樣、高級段、音頻立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器，德州儀器，2006年11月；
40.pcm1792a 24位、192 khz采樣，高級部分，音頻立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器，德州儀器，2006年11月；
41.pcm1795 32位、192 khz采樣、高級段、立體聲音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器，德州儀器，2015年3月；
42.pcm1796 24位、192 khz采樣、高級段、音頻立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器，德州儀器，2006年11月；
43.pcm1798 24位、192 khz采樣、高級段、音頻立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器，德州儀器，2015年3月；
44.dsd1792a 24位、192 khz采樣、高級段、音頻立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器，德州儀器(ti)，2006年11月；
45.dsd1794a 24位、192 khz采樣、高級段、音頻立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器，德州儀器(ti)，2006年11月；
46.dsd1796 24位、192 khz采樣，高級段，音頻立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器，德州儀器，2006年11月；
47.ad1955具有sacd回放功能的高性能多位σδ型dac，adi公司，2002年；
48.cs8416，192khz數(shù)字l音頻接口接收器，cirrus logic，august 07.
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