分析音頻DAC抖動靈敏度

本應(yīng)用筆記描述了采樣時(shí)鐘抖動（時(shí)間間隔誤差或“TIE抖動”）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）抖動容限的重要性。本文還提供了一個(gè)簡單的高度抖動周期跳躍采樣時(shí)鐘的應(yīng)用示例，并描述了一種生成適當(dāng)寬帶抖動時(shí)鐘的方法。然后，本文將Maxim的音頻DAC抖動容限與競爭對手的音頻DAC進(jìn)行比較。Maxim具有極高的抖動容限，可實(shí)現(xiàn)非常簡單、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。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)的情況下使抖動足夠低。然而，有一個(gè)解決這一困境的辦法。可以容忍高抖動的音頻DAC允許在此類系統(tǒng)中使用更簡單的采樣時(shí)鐘基準(zhǔn)。

了解抖動容限

高抖動容限很重要，因?yàn)樗?/p>

在存在抖動的情況下最大限度地提高音頻信號質(zhì)量

通過使用更簡單的抖動時(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）

目前沒有評估抖動容限的標(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，但它產(chǎn)生的大部分是低頻抖動（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”抖動頻譜。

抖動容限測試設(shè)置

使用兩個(gè)不同的抖動時(shí)鐘源來比較多個(gè)DAC的抖動靈敏度。第一個(gè)抖動時(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，在0kHz以下產(chǎn)生~37.40ns的抖動。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)抖動時(shí)鐘是使用相同的ARB創(chuàng)建的寬帶白色抖動時(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）抖動測量來測量抖動。上升沿和下降沿在兩個(gè)測試文件中都會抖動。

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

圖2.用于此分析的寬帶 5.9ns RMS 白抖動頻譜。

圖3.5.9ns寬帶抖動直方圖。

圖4.示波器捕獲3.072MHz時(shí)鐘，具有5.9ns寬帶白抖動。

本研究使用的跳周期時(shí)鐘如圖5所示，該時(shí)鐘的抖動頻譜如圖6和圖7所示。該周期跳躍時(shí)鐘測試表明，DAC可以容忍非常容易生成、極其抖動的時(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抖動頻譜。

圖7.周期跳躍時(shí)鐘的低頻抖動頻譜。

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，在 12kHz 頻段上可承受 40ns 的抖動。有了這個(gè)抖動量，這些器件將顯示以下抖動引起的性能限制（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 動態(tài)范圍和信噪比（SNR）

THD+N性能結(jié)果僅受低頻抖動（<40kHz）的影響。而動態(tài)范圍和信噪比僅受高頻抖動（> 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時(shí)鐘源測量的音頻性能與一組競爭DAC的比較。除競爭對手 2 外，所有這些競爭部件都聲稱它們對時(shí)鐘抖動不敏感，但沒有提供抖動容限規(guī)格。

抖動容限測試結(jié)果