ZHCA884A January 2019 – September 2024 OPA1677 , OPA1678 , PCM1753-Q1 , PCM1754-Q1 , PCM5102A
設(shè)計目標(biāo)
| 濾波器輸入 | 截止頻率 | 濾波器增益 |
|---|---|---|
| 4VPP，1.42VRMS | 23kHz 時為 -3dB | –1V/V，0dB |
設(shè)計說明
該電路顯示了適用于音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 應(yīng)用的二階有源濾波器的實現(xiàn)。在汽車音響主機(jī)、家庭影院條形音箱和 AV 接收器之類的應(yīng)用中，在可聞范圍內(nèi)（約 20Hz 至 22kHz）最大程度地減小不良噪聲至關(guān)重要。因此，許多 Δ-Σ 類型的音頻 DAC 實現(xiàn)了噪聲整形技術(shù)，這種技術(shù)可以強(qiáng)制可聞范圍內(nèi)的 DAC 輸出側(cè)在過采樣功能所產(chǎn)生的噪聲，該過程稱為“噪聲整形”，而實際噪聲稱為“帶外噪音”。許多常見的音頻 DAC（如 PCM1753-Q1）都具有噪聲整形功能，可將帶外噪聲強(qiáng)制實現(xiàn)為大約數(shù)字源的采樣率 fS 50%。盡管該噪聲通常被認(rèn)為是不可聞的，但它可能對音頻 DAC 輸出端的放大器電路產(chǎn)生不利影響。例如，該帶外噪聲可能被在更高頻率下工作的 D 類放大器混疊回到可聞范圍內(nèi)。此外，如果未實現(xiàn)濾波，那么該噪聲也會經(jīng)歷與輸出放大器相同的模擬增益。與簡單的一階 RC 濾波器相比，利用二階有源濾波器設(shè)計可以實現(xiàn)更接近可聞頻帶的更高水平的噪聲衰減。此外，由于濾波器中運(yùn)算放大器的輸出驅(qū)動能力，它允許系統(tǒng)音頻輸出的阻抗和電流驅(qū)動比音頻 DAC 所能提供更低的阻抗和更強(qiáng)的電流驅(qū)動。
設(shè)計說明
- 必須注意的是，設(shè)計的 fC 針對至少為 44.1kHz 的采樣率（這在音頻系統(tǒng)中很常見）進(jìn)行了優(yōu)化。fC 應(yīng)約為采樣率的 50%，以衰減來自 Δ-Σ 調(diào)制器的帶外噪聲。如果使用了更高頻率的采樣率，請在頻域中進(jìn)一步向外移動截止頻率，以允許來自音頻 DAC 的更寬帶寬。
- 并非所有音頻 DAC 都需要二階有源濾波器。某些音頻 DAC 具有不同的噪聲整形架構(gòu)，可使帶外噪聲更加遠(yuǎn)離可聞范圍，這意味著簡單的 RC 濾波器可能足以衰減不需要的噪聲。
- 大多數(shù)音頻系統(tǒng)都具有直流阻斷電容器，以允許音頻輸出以接地為參考中心。在該設(shè)計中，將阻斷電容器直接放在 DAC 的輸出端，但由于放大器也會有一些小的偏移，因此電容器通常直接放置在濾波器的輸出端，或者放置在有源濾波器所連接的放大器或耳機(jī)驅(qū)動器的輸入端。
設(shè)計步驟
- 根據(jù)應(yīng)用需求選擇 DAC。考慮所需的信噪比 (SNR)、總諧波失真和噪聲 (THD+N) 以及支持的 I2S 接口采樣率。雖然大多數(shù)音頻 DAC 支持 16kHz 至 192kHz 的采樣率，但并非所有音頻 DAC 都支持 384kHz 或 768kHz 等采樣率。較高的采樣率會導(dǎo)致噪聲整形，從而使帶外噪聲進(jìn)一步遠(yuǎn)離可聞范圍，但并非所有音頻源都能提供這些采樣率。
- 為設(shè)計選擇的放大器 (OPA1678) 是 CMOS 輸入放大器。與 JFET 類型的放大器相比，在較低的頻率下，CMOS 輸入放大器在放大器輸入端具有較低的電流噪聲。電流噪聲會轉(zhuǎn)換為輸出端的電壓噪聲，因為濾波器具有輸入大電阻值，因此選擇具有低電流噪聲的放大器非常重要。
- 選擇濾波器的電阻器和電容器值，從而在大約 23kHz 處具有一個
–3dB 點(diǎn)?？梢允褂靡韵鹿接嬎汶娐返?fC：
- 用于濾波器的電容器必須為 COG/NP0 型陶瓷電容器。COG/NP0 型電容器具有較低的電容電壓系數(shù)，這意味著組件的電容值受器件兩端電壓偏置的影響較小。由于電容器是濾波器性能的關(guān)鍵，因此應(yīng)避免在信號路徑中使用其他類型的陶瓷電容器。
- 建議針對濾波器中的電阻元件使用薄膜電阻器。所有電阻都具有取決于電阻和溫度的電壓噪聲，這很好理解，如下面的第一個公式所示。但電阻還具有電流噪聲，該噪聲取決于電阻器兩端的電壓、頻率和常數(shù)
C（取決于電阻器的構(gòu)成材料），如下面的第二個公式所示。ST = 4kRT
其中
- k 是玻爾茲曼常數(shù)
- R 是電阻
- T 是溫度
SE = ( C × U2 ) ÷ ?其中
- C 是源自電阻器材料的常數(shù)
- U 是電阻器兩端的差分電壓
- ? 是頻率
仿真濾波器響應(yīng)
下圖顯示了二階有源濾波器的仿真濾波器響應(yīng)以及具有大致相同 fC 的簡單一階 RC 濾波器的響應(yīng)。請注意，一階濾波器的濾波器滾降為 –20dB/十倍頻程，而有源濾波器的滾降為 –40dB/十倍頻程。
仿真噪聲性能
下圖顯示了電路的仿真總噪聲成分（DAC 除外）。使用 OPA1678 和 OPA1612 線對其進(jìn)行了仿真，前者在 1kHz 下具有 4.5nV/√Hz 的噪聲，后者在 1kHz 下具有 1.1 nV/√Hz 的噪聲。結(jié)果表明，盡管 OPA1612 具有較低的電壓噪聲，但與 OPA1678 相比，系統(tǒng)中電流噪聲的成分也會導(dǎo)致 OPA1612 中具有更大的總噪聲。
測量的輸出頻譜
使用二階有源濾波器和一階 RC 濾波器在頻域中測量了 DAC 的輸出。DAC 的輸出在 1kHz 頻率下設(shè)置為 –60dB 滿標(biāo)度振幅，采樣率為 48kHz。
下圖顯示，帶外噪聲在大約 24kHz 處開始增大，這是在進(jìn)行 PCM1753-Q1 噪聲整形情況下的預(yù)期結(jié)果。在 100kHz 下，二階濾波器的輸出比 RC 濾波器約低 20dB。
設(shè)計中采用的器件
| 器件 | 主要特性 | 鏈路 | 其他可能的器件 |
|---|---|---|---|
| PCM1753-Q1，PCM1754-Q1 (1) |
24 位分辨率、106dB 典型 SNR、0.002% 典型 THD+N、單端、電壓輸出音頻 DAC | 汽車類 106dB SNR 立體聲數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)（軟件控制） | 音頻 DAC |
| OPA1678 | 適用于音頻應(yīng)用的低失真、低噪聲、低輸入電流雙路放大器 | 單通道 450nA 毫微功耗精密運(yùn)算放大器 | 音頻運(yùn)算放大器概述 |
設(shè)計參考資料
德州儀器 (TI)，SBAM410 電路源文件，軟件
其他鏈接：
德州儀器 (TI)，精密 DAC 學(xué)習(xí)中心，產(chǎn)品系列概述
德州儀器 (TI)，設(shè)計高端音頻系統(tǒng)，視頻
德州儀器 (TI)，音頻 DAC，產(chǎn)品系列概述