24.07.2015

Performance-Steigerung f√ľr 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 St√∂rgr√∂√üen, die in den Audio-Wandler gelangen, k√∂nnen die Umwandlung des Digital-Audio-Codes erheblich beeintr√§chtigen. AC-Welligkeiten und Schaltst√∂rungen aus der Stromversorgung des D/A-Wandlers geh√∂ren zu den wichtigsten Ursachen solcher negativen Einfl√ľsse auf die Qualit√§t des konvertierten Audiosignals. Beim Design leistungsf√§higer, von digital nach analog umwandelnder Audiosysteme ist es deshalb notwendig, den Audio-DAC von den St√∂rungen auf den Versorgungsspannungen zu entkoppeln. Im folgenden Artikel wird eine integrierte L√∂sung vorgestellt, die den hohen Wirkungsgrad eines Schaltnetzteils mit dem √§u√üerst geringen Rauschen einer linearen Stromversorgung verbindet und damit f√ľr eine verbesserte Audioqualit√§t sorgt.

 

Die meisten modernen Audios liegen in digitaler Form vor, sei es PCM-codiert (Pulscode-Modulation) oder im MP3-Format. Dies sorgt f√ľr eine verlustfreie Datenspeicherung, erm√∂glicht perfekte Kopien ohne Beeintr√§chtigung der Qualit√§t und l√§sst eine unbegrenzte Speicherung. Weitere Vorteile sind die Flexibilit√§t und die Kompatibilit√§t zu anderen digitalen Systemen. Um diese digitalen Formate wieder in analoge Signale zu verwandeln, wird ein Audio-DAC ben√∂tigt. Audioverst√§rker verst√§rken die umgewandelten Audiosignale, und Lautsprecher erzeugen die Schallwellen f√ľr die Zuh√∂rer.

 

Die Qualit√§t der Schallwellen, die als finales Resultat des Audiosystems betrachtet werden, h√§ngt vom gesamten Audiosystem ab. Ausschlaggebend sind die Qualit√§t des urspr√ľnglichen digitalen Codes, des Audio-DAC, der Audio-Leistungsverst√§rker und der Lautsprecher bzw. der Kopfh√∂rer.

 

Konzentriert man sich auf den Audio-DAC, so h√§ngt dessen Leistungsf√§higkeit sowohl von seiner eigenen Qualit√§t als auch von externen Faktoren ab. Sehr leistungsf√§hige Audio-DACs sind empfindlich gegen√ľber externen St√∂reinfl√ľssen, die w√§hrend des Umwandlungsprozesses in das Audioband gelangen. Diese St√∂rungen k√∂nnen durch die Welligkeit des Netzteils, HF-Signale, Schaltst√∂rungen 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 l√§sst, 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 ‚Äď THD) gibt das Ausma√ü der unerw√ľnschten 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 Ausg√§ngen. Das urspr√ľngliche Eingangssignal wird von ihnen stets in gewisser Weise verzerrt. In der Regel √§u√üert sich diese Verzerrung durch Oberwellen des urspr√ľnglichen Eingangssignals. Der THD-Wert gibt somit das Ausma√ü der Verzerrung des Originalsignals an und ist ein gutes Ma√ü f√ľr die Leistungsf√§higkeit eines Audio-DAC.

 

Der THD allein ber√ľcksichtigt 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 pr√§zise das gesamte, nicht mit dem Eingangssignal zusammenh√§ngende Rauschen am Ausgang eines DAC. Urs√§chlich f√ľr das Rauschen sind die Welligkeit des Netzteils, HF- und Schaltst√∂rungen, Vibrationen sowie thermisches Rauschen in den Bauteilen der Audioschaltung.

 

Der THD+N-Wert dient dazu, die Leistungsf√§higkeit eines Audio-DAC zu spezifizieren. Er liefert jedoch keinen Einblick in die Leistungsf√§higkeit eines DAC √ľber sein Frequenzband hinweg. Um die Qualit√§t eines analogen Audio-Ausgangssignals in seinem Frequenzband analysieren zu k√∂nnen, wird ein FFT-Diagramm ben√∂tigt. Bei dieser Analyse wird das im Zeitbereich variable analoge Audiosignal mithilfe der FFT-Technik (Fast Fourier Transform) als Frequenzspektrum dargestellt. Diese Messung gibt die Leistungsf√§higkeit eines Audio-Wandlers √ľber 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 m√ľssen wiederum in die vom Audio-DAC ben√∂tigten 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 W√§rmeentwicklung im System. Allerdings erzeugen Schaltregler Schaltst√∂rungen, und ihre Ausgangsspannung ist von einer Welligkeitsspannung √ľberlagert. Beide Nebeneffekte wirken sich nachteilig auf die Leistungsf√§higkeit eines Audio-DAC aus. Die typische Ausgangsspannung eines Schaltwandlers ist in Bild 1 dargestellt.

 

Je st√§rker die Welligkeit und die Schaltst√∂rungen eines Schaltnetzteils sind, umso mehr wird die Klangg√ľte negativ beeinflusst. Das Eingangsrauschen und die Welligkeit k√∂nnen in das IC durchschlagen und sich auf die Leistungsf√§higkeit auswirken, indem sie im Zuge des Umwandlungsvorgangs in das Audioband gelangen oder die internen Bias-Spannungen, Takte, Oszillatoren usw. beeinflussen. Dar√ľber hinaus ergeben sich auch Auswirkungen auf die Leistungsf√§higkeit des gesamten Audiosystems einschlie√ülich der Audio-Leistungsverst√§rker und der Lautsprecher. Insgesamt sorgen also die St√∂rungen aus der Stromversorgung daf√ľr, dass sich die Qualit√§t 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 standardm√§√üigen Pr√ľfton von 1 kHz am Eingang des DAC. Die Messungen wurden mit dem Audio Precision (AP) Analyzer durchgef√ľhrt. In diesem Beispiel l√§sst das FFT-Diagramm des analogen Ausgangssignals zwischen dem linken und dem rechten Kanal eine Diskrepanz erkennen, die auf Unterschiede im Eigenrauschen beider Kan√§le zur√ľckzuf√ľhren ist. Die THD+N-Resultate machen deutlich, dass eine verrauschte Stromversorgung die Qualit√§t des ausgegebenen Audiosignals entscheidend verschlechtert.

 

Die Audio-Performance verbessert sich, wenn man die Schaltst√∂rungen und die Welligkeit von den Stromversorgungs-Anschl√ľssen des DAC fernh√§lt. Das Hinzuf√ľgen von Filtern am Ausgang des Schaltreglers tr√§gt dazu bei, einen Teil des Rauschens zu reduzieren. Einige ausgefeilte Filter sind jedoch nicht nur teuer, sondern auch kompliziert und platzraubend. Au√üerdem 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 h√∂here Verlustleistung des Designs.

 

Bild 3 gibt das FFT-Diagramm f√ľr den Fall wieder, dass der Audio-DAC aus einem LDO versorgt wird. Ebenso wie im vorigen Fall wird auch hier ein sinusf√∂rmiges Audiosignal von 1 kHz an den optischen Eingang des DAC gelegt. Unter den gleichen Bedingungen wie zuvor und mit denselben Pr√§zisions-Messausr√ľstungen wurden die nachfolgend beschriebenen FFT- und THD+N-Resultate aufgezeichnet.

 

Wird die mit weniger St√∂rgr√∂√üen behaftete Ausgangsspannung eines LDO benutzt, so verbessert sich die Klangqualit√§t um nahezu 8 dB. Laut Bild 3 ist der THD+N-Wert gr√∂√üer als 93 dB. Wie das FFT-Diagramm verdeutlicht, ist auch das Eigenrauschen deutlich geringer. Die deutlich unterscheidbaren Oberwellen sind auf die Performance des Bausteins zur√ľckzuf√ľhren. Im gr√∂√üten Teil der Bandbreite liegt das Eigenrauschen unter der Grenze von -120 dBV, verglichen mit 100 dBV in Bild 2. Dieses Ergebnis best√§tigt, dass die Verwendung einer saubereren Versorgungsspannung die Leistungsf√§higkeit eines Audio-Wandlers verbessert.

 

Die Stromversorgung-L√∂sung 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 f√ľhrt. Ideal w√§re somit eine L√∂sung, die den hohen Wirkungsgrad des Schaltreglers mit der saubereren Ausgangsspannung des Linearreglers kombiniert und damit eine ebenso effiziente wie rauscharme Stromversorgungs-L√∂sung ergibt. In Anwendungen, in denen diese beiden Faktoren wichtig sind, m√ľssen jedoch meist auch Restriktionen in Bezug auf die Kosten und den Platzbedarf beachtet werden.

 

Eine integrierte L√∂sung 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 Verf√ľgung. Dar√ľber hinaus ist diese integrierte L√∂sung kosteng√ľnstiger und ben√∂tigt weniger Leiterplattenfl√§che. Sie zeichnet sich ferner durch hervorragende Netz- und Lastregeleigenschaften aus und eignet sich f√ľr einen gro√üen Eingangsspannungsbereich. Nicht zuletzt ist das Geh√§use kompakt. Insgesamt ist dieser Baustein also als eine ideale L√∂sung f√ľr Home-Audio-Anwendungen anzusehen.

 

Ersetzt man den Schaltregler der ersten Messung durch die integrierte Kombination aus Schaltregler und LDO, so erh√§lt 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 f√ľr die Versorgung kompletter Audiosysteme geeignet, ohne dass Bedenken wegen des Rauschens und der Welligkeit eines Schaltreglers gehegt werden m√ľssen.

 

In Bild 5 ist als Blockschaltbild eine Konfiguration gezeigt, in der die integrierte Kombination aus Schaltregler und LDO die Stromversorgung f√ľr 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 Schaltst√∂rungen, die von Schaltreglern verursacht werden, haben negative Auswirkungen auf die Qualit√§t des von einem Audio-DAC erzeugten Ausgangssignals. Mehrere Filtertechniken kommen in Frage, um den Audio-Wandler von diesen St√∂rquellen zu isolieren. Vom Rauschen abgesehen, sind jedoch auch der Wirkungsgrad, die Kosten und die Leiterplattenfl√§che des Filters in einem Audiosystem wichtige Faktoren. Eine ideale L√∂sung verbindet den hohen Wirkungsgrad eines Schaltreglers mit dem extrem geringen Rauschen eines LDO. Eine integrierte L√∂sung aus Schaltregler und LDO bietet zudem Vorteile gegen√ľber einer diskreten L√∂sung, da sie die Kosten weiter senkt und au√üerdem mit weniger Leiterplattenfl√§che auskommt.

√úber den Autor

Tahar Allag arbeitet als Analog Power Applications Engineer in der Power Management Group von TI. Hier ist er f√ľr die detaillierte technische Unterst√ľtzung externer Kunden bei Problemen im Zusammenhang mit der Stromversorgung zust√§ndig. Allag erwarb Bachelor- und Master-Abschl√ľsse 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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