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音頻指標(biāo)科普：挑 DAC 時(shí)不懂時(shí)鐘和晶振

  • Jul 11,2023
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進(jìn)入數(shù)位化時(shí)代之后，模擬電信號(hào)的儲(chǔ)存/傳輸逐漸被數(shù)字信號(hào)所取代。以量化為數(shù)字信號(hào)的方式進(jìn)行儲(chǔ)存和傳輸，有著占用資源少，容錯(cuò)率高，抗干擾強(qiáng)等等優(yōu)點(diǎn)。但是我們?nèi)梭w對(duì)世界的感知仍然是“模擬的”、“連續(xù)的”(其實(shí)生物體內(nèi)部的信號(hào)傳遞也有量化的過程，而且世界最本質(zhì)也并不是連續(xù)的，但是現(xiàn)在我們不用討論這種微觀物理模型)。于是數(shù)模轉(zhuǎn)換就成了電子信息工程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在通訊工程，信號(hào)處理，自動(dòng)化與控制等等領(lǐng)域都需要涉及到。電子工程師們精心地設(shè)計(jì)開發(fā)各種IC和電路，就是為了提高DA/AD的精度和性能，電聲學(xué)系統(tǒng)更是如此。

在電聲學(xué)回放系統(tǒng)中負(fù)責(zé)數(shù)模轉(zhuǎn)換的核心元件就是DAC芯片。不論是傳統(tǒng)的R2R電流相加型DAC還是SDM積分內(nèi)插型DAC，都對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)的質(zhì)量有著一定要求。

時(shí)鐘和晶振

自從8年前的七彩虹C4使用上雙頻點(diǎn)晶振及FPGA用于解決重采樣即SRC帶來的失真后，隨身HiFi播放器甚至手機(jī)，都開始普及雙晶振，并慢慢地加入CPLD或者FPGA等控制邏輯來對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行合成和處理。到現(xiàn)在，高端的隨身HiFi播放器也和臺(tái)式設(shè)備一樣，開始宣傳“飛秒晶振”。宣傳中總是把Jitter即時(shí)基誤差拿出來作為一個(gè)非常重要的宣傳點(diǎn)，而很多數(shù)字音頻工程師或者資深發(fā)燒友又會(huì)告訴你Jitter值其實(shí)沒有相噪重要。這到底是怎么回事呢？

“飛秒”晶振和相噪的關(guān)系

首先要知道，相位噪聲本身指的并不是一種噪聲，而是系統(tǒng)在各種噪聲的作用下引起的系統(tǒng)輸出信號(hào)相位的隨機(jī)變化，是一種“誤差”，是衡量頻率源穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)。表達(dá)這種誤差的方法就是將不同誤差量的隨機(jī)變化分別表示出來，這就形成了相噪圖譜。我們來看一個(gè)例子：


上圖是著名的飛秒晶振CCHD-575 100MHz的相噪圖?？梢钥吹綀D中的橫坐標(biāo)是Hz，也就是偏移頻率。偏移頻率是相對(duì)于載波頻率也就是時(shí)鐘本身的工作頻率而言的。理想狀態(tài)下，如圖中一個(gè)工作在100MHz頻點(diǎn)的晶振，應(yīng)該每一次震蕩都間隔相等(10ns)，準(zhǔn)確地輸出方波。但是現(xiàn)實(shí)是，晶振的每一次輸出都有可能比應(yīng)有位置要快一點(diǎn)或者慢一點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的頻率也就高一點(diǎn)或者低一點(diǎn)。

如果此時(shí)輸出頻率為100.0001MHz，那么頻率偏移100Hz后就是99,9999MHz或者100.0001MHz。上圖中指出100Hz處的相噪位-121dBc/Hz，也就是說，99,9999MHz和100.0001MHz兩種(±100Hz)輸出頻率的功率，占總輸出功率的比例為0.000089% 每Hz。之所以是dBc/Hz而不是單純的dBc，是要根據(jù)頻率均一化，因?yàn)椴煌l率上的功率比值是不同的。相噪圖是時(shí)鐘頻穩(wěn)質(zhì)量在頻域上的完整表達(dá)，當(dāng)然也可以簡(jiǎn)化成時(shí)域上的數(shù)值表達(dá)——Jitter。計(jì)算方法和通過THD曲線算數(shù)值的方法類似，即將相噪-頻率曲線進(jìn)行積分，不過要得到Jitter還要再做進(jìn)制轉(zhuǎn)換。在實(shí)際工程應(yīng)用中，為了免去復(fù)雜的計(jì)算，就將積分簡(jiǎn)化為面積計(jì)算，如下圖：

既然是積分(面積計(jì)算)，那么就需要定義上下限。對(duì)于音頻用晶振，業(yè)界通常使用10-1MHz的積分上下限，而通訊用晶振常常關(guān)注12kHz-80MHz帶寬內(nèi)的表現(xiàn)，對(duì)于計(jì)時(shí)電路和系統(tǒng)，則更關(guān)注晶振更長(zhǎng)期的精度(其實(shí)也可以由相噪圖積分得出，但一般采用另外的測(cè)量辦法，這里不做討論)。在現(xiàn)在幾乎在高端隨身HiFi播放器中幾乎普及的“飛秒晶振” AS318B的Datasheet中，官方就給出了這兩種積分帶寬下的Jitter值，找到對(duì)應(yīng)的100MHz頻點(diǎn)下，12kHz-80MHz的Jitter值只有71fs，比CCHD-575標(biāo)稱的82fs還要更低。


常見有源晶振的選擇

這里介紹一下幾個(gè)在隨身HiFi播放器中較為常見的有源晶振型號(hào)，做一下簡(jiǎn)單對(duì)比。

1. CCHD-575/CCHD-957這是老牌晶振大廠Crystek的第二代飛秒晶振，是第一代飛秒晶振CCHD-950在被用于HiFi音頻應(yīng)用后分化開發(fā)出來的優(yōu)化產(chǎn)品。不同的是CCHD-957是專用的音頻頻點(diǎn)晶振，最高只能做到49.152MHz，而CCHD-575則可以做到100MHz，但近端相噪略遜色于CCHD-957，總體來說都是很不錯(cuò)的晶振，有很多中高階臺(tái)式解碼使用。

2. AS318/AS318B

AS318B是Accusilicon推出的飛秒晶振，比Crystek的CCHD系列更加優(yōu)秀一些。但是AS318和AS318B并不是同一個(gè)型號(hào)，是低精度版本，用于手機(jī)，通訊等電子設(shè)備。樂視手機(jī)就曾使用過AS318。這兩者都有三種封裝提供，2520多用于隨身播放器，SMD1409用于臺(tái)式設(shè)備，DIP14則是直插型封裝。-100dBc/Hz@10Hz的優(yōu)異相噪讓AS318B成為了高端HiFi播放器的首選。

3. NZ2016SDA/NZ2520SDA/NZ3225SDA

NDK的NZ系列晶振在發(fā)布的時(shí)候號(hào)稱做到了該體積下的最低相噪。從官方給出的Datasheet來看，也確實(shí)非常優(yōu)秀，45MHz和49MHz的頻點(diǎn)幾乎與AS318B的相噪水平相當(dāng)。但NZ-SDA還可以做到26MHz以下的頻點(diǎn)(22MHz/24MHz)，而AS318B沒有低頻點(diǎn)的選擇，所以NZ-SDA系列可以說是給CS系列DAC使用的最佳選擇。

4. DSO221SH系列

日本另一家晶振大廠KDS的產(chǎn)品。日本人命名晶振產(chǎn)品非常直白，通常直接把封裝放進(jìn)名稱里。而DSO系列晶振雖然也用名稱直接區(qū)分封裝，但卻不是以封裝命名，容易把人搞迷糊，有興趣的同學(xué)可以去找一找。他們家的音頻用晶振不算優(yōu)秀，甚至經(jīng)常被MEMS晶振拿出來吊打。

5. SiT8208

這是SiTime新推出的MEMS硅晶振。和石英晶振不同的是，它不需要精確的溫補(bǔ)，也不需要避震，還有這非常好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，衰減非常慢，遠(yuǎn)端相噪低，抗干擾性能好。不過實(shí)際上因?yàn)镸EMS硅晶振的近端相噪不夠優(yōu)秀，對(duì)于高端HiFi應(yīng)用來說顯得力有不逮。