24.07.2015

Performance-Steigerung für Audio-DACs




Bild 1. Welligkeit der Ausgangsspannung eines typischen Schaltreglers
Bild 2. FFT-Diagramm und THD+N-Messungen mit einem sinusförmigen Audiosignal (Stromversorgung durch Schaltregler)
Bild 3. FFT-Diagramm und THD+N-Messungen am Audio-DAC mit einem sinusförmigen Audiosignal (Stromversorgung durch LDO)
Bild 4. Welligkeit der Ausgangsspannung einer integrierten Kombination aus Schaltregler und LDO
Bild 5. Blockschaltbild eines Systems, in dem der Audio-DAC von einer integrierten Kombination aus Schaltregler und LDO gespeist wird

 

von Tahar Allag, Analog Power Applications Engineer, Texas Instruments

 

Ein Audio-DAC (Audio-D/A-Wandler) ist ein Baustein, der digital codierte Audioinformationen in analoge Audiosignale (z. B. Musik) verwandelt. Externe Störgrößen, die in den Audio-Wandler gelangen, können die Umwandlung des Digital-Audio-Codes erheblich beeinträchtigen. AC-Welligkeiten und Schaltstörungen aus der Stromversorgung des D/A-Wandlers gehören zu den wichtigsten Ursachen solcher negativen Einflüsse auf die Qualität des konvertierten Audiosignals. Beim Design leistungsfähiger, von digital nach analog umwandelnder Audiosysteme ist es deshalb notwendig, den Audio-DAC von den Störungen auf den Versorgungsspannungen zu entkoppeln. Im folgenden Artikel wird eine integrierte Lösung vorgestellt, die den hohen Wirkungsgrad eines Schaltnetzteils mit dem äußerst geringen Rauschen einer linearen Stromversorgung verbindet und damit für eine verbesserte Audioqualität sorgt.

 

Die meisten modernen Audios liegen in digitaler Form vor, sei es PCM-codiert (Pulscode-Modulation) oder im MP3-Format. Dies sorgt für eine verlustfreie Datenspeicherung, ermöglicht perfekte Kopien ohne Beeinträchtigung der Qualität und lässt eine unbegrenzte Speicherung. Weitere Vorteile sind die Flexibilität und die Kompatibilität zu anderen digitalen Systemen. Um diese digitalen Formate wieder in analoge Signale zu verwandeln, wird ein Audio-DAC benötigt. Audioverstärker verstärken die umgewandelten Audiosignale, und Lautsprecher erzeugen die Schallwellen für die Zuhörer.

 

Die Qualität der Schallwellen, die als finales Resultat des Audiosystems betrachtet werden, hängt vom gesamten Audiosystem ab. Ausschlaggebend sind die Qualität des ursprünglichen digitalen Codes, des Audio-DAC, der Audio-Leistungsverstärker und der Lautsprecher bzw. der Kopfhörer.

 

Konzentriert man sich auf den Audio-DAC, so hängt dessen Leistungsfähigkeit sowohl von seiner eigenen Qualität als auch von externen Faktoren ab. Sehr leistungsfähige Audio-DACs sind empfindlich gegenüber externen Störeinflüssen, die während des Umwandlungsprozesses in das Audioband gelangen. Diese Störungen können durch die Welligkeit des Netzteils, HF-Signale, Schaltstörungen und sogar durch thermisches Rauschen in den anderen Bauteilen des Audiosystems hervorgerufen werden. Der folgende Artikel befasst sich damit, wie sich die Rauscheigenschaften der Stromversorgung des DAC verbessern lässt, um das Rauschverhalten des Audiowandlers zu optimieren.

 

Spezifikationen zum Quantifizieren der Audio-Performance

Um die Rauscheigenschaften eines Soundsystems zu quantifizieren, werden bestimmte Spezifikationen gemessen. Der Gesamtklirrfaktor (Total Harmonic Distortion – THD) gibt das Ausmaß der unerwünschten Signalkomponenten an, die ein Audiowandler bei der Wiedergabe eines Audiosignals produziert. Systeme wie zum Beispiel Audio-Wandler sind nichtideale und nichtlineare Bausteine mit einem oder mehreren Ein- und Ausgängen. Das ursprüngliche Eingangssignal wird von ihnen stets in gewisser Weise verzerrt. In der Regel äußert sich diese Verzerrung durch Oberwellen des ursprünglichen Eingangssignals. Der THD-Wert gibt somit das Ausmaß der Verzerrung des Originalsignals an und ist ein gutes Maß für die Leistungsfähigkeit eines Audio-DAC.

 

Der THD allein berücksichtigt jedoch keine anderen, nicht verzerrungsbedingten Rauschkomponenten in dem vom ADC erzeugten Ausgangssignal. Der Gesamtklirrfaktor wird deshalb mit dem Rauschen zum so genannten THD+N-Wert (Total Harmonic Distortion plus Noise) kombiniert. Dieser quantifiziert präzise das gesamte, nicht mit dem Eingangssignal zusammenhängende Rauschen am Ausgang eines DAC. Ursächlich für das Rauschen sind die Welligkeit des Netzteils, HF- und Schaltstörungen, Vibrationen sowie thermisches Rauschen in den Bauteilen der Audioschaltung.

 

Der THD+N-Wert dient dazu, die Leistungsfähigkeit eines Audio-DAC zu spezifizieren. Er liefert jedoch keinen Einblick in die Leistungsfähigkeit eines DAC über sein Frequenzband hinweg. Um die Qualität eines analogen Audio-Ausgangssignals in seinem Frequenzband analysieren zu können, wird ein FFT-Diagramm benötigt. Bei dieser Analyse wird das im Zeitbereich variable analoge Audiosignal mithilfe der FFT-Technik (Fast Fourier Transform) als Frequenzspektrum dargestellt. Diese Messung gibt die Leistungsfähigkeit eines Audio-Wandlers über seinen gesamten Frequenzbereich von 1 bis 20 kHz wieder und zeigt anschaulich sowohl das Rauschen als auch die harmonischen Verzerrungen.

 

Einfluss der Stromversorgung auf die Audio-Performance

Die meisten Home-Audio-Anwendungen werden von Netzteilen gespeist, die eine Ausgangsspannung von 12 V liefern. Diese 12 V müssen wiederum in die vom Audio-DAC benötigten Spannungen von 5 V und 3,3 V umgewandelt werden. Diese Umwandlung kann mit geschalteten oder linearen Reglern erfolgen. Erstere werden wegen ihres hohen Wirkungsgrads bevorzugt. Ihre typisch zwischen 80 und 95 Prozent liegende Effizienz minimiert die Verluste und die Wärmeentwicklung im System. Allerdings erzeugen Schaltregler Schaltstörungen, und ihre Ausgangsspannung ist von einer Welligkeitsspannung überlagert. Beide Nebeneffekte wirken sich nachteilig auf die Leistungsfähigkeit eines Audio-DAC aus. Die typische Ausgangsspannung eines Schaltwandlers ist in Bild 1 dargestellt.

 

Je stärker die Welligkeit und die Schaltstörungen eines Schaltnetzteils sind, umso mehr wird die Klanggüte negativ beeinflusst. Das Eingangsrauschen und die Welligkeit können in das IC durchschlagen und sich auf die Leistungsfähigkeit auswirken, indem sie im Zuge des Umwandlungsvorgangs in das Audioband gelangen oder die internen Bias-Spannungen, Takte, Oszillatoren usw. beeinflussen. Darüber hinaus ergeben sich auch Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit des gesamten Audiosystems einschließlich der Audio-Leistungsverstärker und der Lautsprecher. Insgesamt sorgen also die Störungen aus der Stromversorgung dafür, dass sich die Qualität des erzeugten Audiosignals gravierend verschlechtert.

 

Das Beispiel in Bild 2 zeigt die Performance eines Audio-DAC wie etwa des PCM5102, wenn die Versorgung direkt aus einem 3,3 V Schaltregler erfolgt. Getestet wird mit einem standardmäßigen Prüfton von 1 kHz am Eingang des DAC. Die Messungen wurden mit dem Audio Precision (AP) Analyzer durchgeführt. In diesem Beispiel lässt das FFT-Diagramm des analogen Ausgangssignals zwischen dem linken und dem rechten Kanal eine Diskrepanz erkennen, die auf Unterschiede im Eigenrauschen beider Kanäle zurückzuführen ist. Die THD+N-Resultate machen deutlich, dass eine verrauschte Stromversorgung die Qualität des ausgegebenen Audiosignals entscheidend verschlechtert.

 

Die Audio-Performance verbessert sich, wenn man die Schaltstörungen und die Welligkeit von den Stromversorgungs-Anschlüssen des DAC fernhält. Das Hinzufügen von Filtern am Ausgang des Schaltreglers trägt dazu bei, einen Teil des Rauschens zu reduzieren. Einige ausgefeilte Filter sind jedoch nicht nur teuer, sondern auch kompliziert und platzraubend. Außerdem sind die meisten Filter durch hohe Verluste, Lastregelungs-Probleme und ein unzureichendes Einschwingverhalten gekennzeichnet. Die Welligkeit und das Rauschen lassen sich allerdings gravierend reduzieren, wenn man die 3,3 V mithilfe eines Linearreglers (LDO) aus dem 12-V-Bus bezieht. Nachteilig am LDO sind sein geringerer Wirkungsgrad und die höhere Verlustleistung des Designs.

 

Bild 3 gibt das FFT-Diagramm für den Fall wieder, dass der Audio-DAC aus einem LDO versorgt wird. Ebenso wie im vorigen Fall wird auch hier ein sinusförmiges Audiosignal von 1 kHz an den optischen Eingang des DAC gelegt. Unter den gleichen Bedingungen wie zuvor und mit denselben Präzisions-Messausrüstungen wurden die nachfolgend beschriebenen FFT- und THD+N-Resultate aufgezeichnet.

 

Wird die mit weniger Störgrößen behaftete Ausgangsspannung eines LDO benutzt, so verbessert sich die Klangqualität um nahezu 8 dB. Laut Bild 3 ist der THD+N-Wert größer als 93 dB. Wie das FFT-Diagramm verdeutlicht, ist auch das Eigenrauschen deutlich geringer. Die deutlich unterscheidbaren Oberwellen sind auf die Performance des Bausteins zurückzuführen. Im größten Teil der Bandbreite liegt das Eigenrauschen unter der Grenze von -120 dBV, verglichen mit 100 dBV in Bild 2. Dieses Ergebnis bestätigt, dass die Verwendung einer saubereren Versorgungsspannung die Leistungsfähigkeit eines Audio-Wandlers verbessert.

 

Die Stromversorgung-Lösung auf Basis eines LDO liefert also eine sauberere Ausgangsspannung als ein Schaltregler, allerdings ist der Wirkungsgrad von Linearreglern, was im System unter anderem zu thermischen Problemen führt. Ideal wäre somit eine Lösung, die den hohen Wirkungsgrad des Schaltreglers mit der saubereren Ausgangsspannung des Linearreglers kombiniert und damit eine ebenso effiziente wie rauscharme Stromversorgungs-Lösung ergibt. In Anwendungen, in denen diese beiden Faktoren wichtig sind, müssen jedoch meist auch Restriktionen in Bezug auf die Kosten und den Platzbedarf beachtet werden.

 

Eine integrierte Lösung aus Schaltregler und LDO findet sich beispielsweise in Gestalt des Bausteins TPS54120. Dieser kombiniert einen 1-A-Schaltregler mit einem LDO und stellt dem Audio-Wandler mit hohem Wirkungsgrad eine saubere Versorgungsspannung zur Verfügung. Darüber hinaus ist diese integrierte Lösung kostengünstiger und benötigt weniger Leiterplattenfläche. Sie zeichnet sich ferner durch hervorragende Netz- und Lastregeleigenschaften aus und eignet sich für einen großen Eingangsspannungsbereich. Nicht zuletzt ist das Gehäuse kompakt. Insgesamt ist dieser Baustein also als eine ideale Lösung für Home-Audio-Anwendungen anzusehen.

 

Ersetzt man den Schaltregler der ersten Messung durch die integrierte Kombination aus Schaltregler und LDO, so erhält man eine Ausgangsspannung, die weder mit Rauschen noch mit Welligkeit behaftet ist (Bild 4). An den Eingang werden 12 V gelegt, und der Ausgang wird auf 3,3 V geregelt. Die Messung der Ausgangsspannung erfolgte bei einem Laststrom von 400 mA. Diese Spannung ist perfekt für die Versorgung kompletter Audiosysteme geeignet, ohne dass Bedenken wegen des Rauschens und der Welligkeit eines Schaltreglers gehegt werden müssen.

 

In Bild 5 ist als Blockschaltbild eine Konfiguration gezeigt, in der die integrierte Kombination aus Schaltregler und LDO die Stromversorgung für den Audio-DAC bildet. Am Eingang des Reglers liegt eine Spannung von 12 V. Die Ergebnisse entsprechen denen in Bild 3.

 

In Tabelle 1 werden verschiedene Lösungen im Hinblick auf Kosten, Leiterplattenfläche, Effizienz und Leistungsfähigkeit miteinander verglichen. Wie man sieht, verbindet die integrierte Lösung aus Schaltregler und LDO ein hohes Performance-Niveau mit einem hohen Wirkungsgrad.

 

Koste
Fläche
Effizienz
Leistungsfähigkeit
Schaltregler
mittel
mittelhochgering
LDOgeringgeringgeringhoch
Schaltregler + Filterhochhochhochmittel
Schaltregler + LDOhochhochhochhoch
Integrierte Kombination
aus Schaltregler und LDO
mittelmittelhochhoch

 

Tabelle 1. Die verschiedenen Lösungen im Vergleich

 

Kosten Flächenbedarf Effizienz Leistungsfähigkeit Schaltregler mittel mittel hoch gering LDO gering gering gering hoch Schaltregler + Filter hoch hoch hoch mittel Schaltregler + LDO hoch hoch hoch hoch Integrierte Kombination aus Schaltregler und LDO mittel mittel hoch hoch

 

Fazit

Die Welligkeit und die Schaltstörungen, die von Schaltreglern verursacht werden, haben negative Auswirkungen auf die Qualität des von einem Audio-DAC erzeugten Ausgangssignals. Mehrere Filtertechniken kommen in Frage, um den Audio-Wandler von diesen Störquellen zu isolieren. Vom Rauschen abgesehen, sind jedoch auch der Wirkungsgrad, die Kosten und die Leiterplattenfläche des Filters in einem Audiosystem wichtige Faktoren. Eine ideale Lösung verbindet den hohen Wirkungsgrad eines Schaltreglers mit dem extrem geringen Rauschen eines LDO. Eine integrierte Lösung aus Schaltregler und LDO bietet zudem Vorteile gegenüber einer diskreten Lösung, da sie die Kosten weiter senkt und außerdem mit weniger Leiterplattenfläche auskommt.

Über den Autor

Tahar Allag arbeitet als Analog Power Applications Engineer in der Power Management Group von TI. Hier ist er für die detaillierte technische Unterstützung externer Kunden bei Problemen im Zusammenhang mit der Stromversorgung zuständig. Allag erwarb Bachelor- und Master-Abschlüsse in Elektrotechnik am Rochester Institute of Technology in Rochester (New York/USA). Er ist erreichbar unter ti_taharallag(at)list.ti.com.


 


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