德州仪器黑科技:动态的“动态范围”?

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作者: 飞飞

最近看到德州仪器 (TI) 去年的一份专利 (美国专利号: 10763889),名字叫《Analog-to-digital converter with dynamic range enhancer》,简单翻译叫:

带“动态范围增强”的ADC

这个技术缩写叫做“DRE”


“动态范围”是指最大声和最小声的比值,由于电脑中最大声是 0dBFS (教程),因此动态范围能看出最小声是多少——也就是“细节”有多“细”。

如果要一秒钟判断音质,只看动态范围即可。因此每家专业声卡厂商,都要公布动态范围,这也成了厂商们的“军备竞赛”,

但 AD/DA 芯片的提升很缓慢

对于 DAC 芯片,近来大概每年提升 0.5dB,目前记录是 ESS9038 和 AK4499,能做到 140dB (Mono),但 ADC 就要低两档,记录是 AK5578 的 130dB (Mono),毕竟——听声音的人比做声音的人多得多。但由于现在直播用户的暴增,市场对录音的需求也开始暴增。

本文的新技术就针对ADC

而且这种芯片已经上市了

搜索能看到 TI 目前有两三款 ADC 搭配了“DRE”技术:PCM1840 和 TLV320ADC5140 (这么长..)

根据官方参数,PCM1840 的“原始”输入动态是 113dB、TLV320ADC5140 是 108dB;

只要开启 DRE“动态增强”

前者立马提升 10dB 动态

(提升后 PCM1840 为 123dB)

后者则提升了 12dB 动态

而且还是免.费.的 !!


我们先看看官方测试数据 :

下图是播放 -1dBFS 正弦波

这时激活 DRE 没区别..



但假如你播放小音量信号

例如下图是 -60dBFS

底噪真降了 10dB !!



下面再换一个测试看看 :

这次纵轴换成THD+N

动态范围通常取决于THD+N..

横轴换成音量大小

这时可以看到 DRE 的“启动”

当音量衰减到 -35dBFS

THD+N 便开始缓慢下降

从而提升了动态范围


下面看看 TI 公司怎么做到的 :

DRE 加载在 ADC 的后面

但它的目的是回去 ADC 前面

并调节运放的增益

官方白皮书 (https://www.ti.com/lit/an/sbaa395/sbaa395.pdf) 原文:The DRE monitors the incoming signal amplitude and adjusts the internal PGA gain accordingly and automatically (DRE 实时检测输入信号的放大,并根据情况自动调整 PGA 运放的增益)

ADC 还要是 Slave Mode

运放还要控制 ADC

留意官方文档的 “Only” :


到这里我们大概明白原理了

正常音量下运放和 ADC 正常工作

音量小的时候, 运放先衰减点增益

这可以降低运放的 THD + N

同时ADC也进入低电平模式

(ADC 可以在不同的电平下工作)

动态范围并没有增加

它只是在做俯卧撑  !!

留意整个系统需要几个条件支持 :

1、动态范围“整体下移”过程必须平滑,上图 THD+N 对比图我们确实看到是如此 (感觉还可以更平滑... 但毕竟是新技术,还会改进的);

2、调整电平当然有延迟,但只要足够小就不会被察觉,官方说着是“μs”微秒级调整:This algorithm is implemented with very low latency (a few µs loop time), and all signal chain blocks are designed to minimize any audible artifacts that can occur resulting from dynamic gain modulation;

3、必须搭配 TI 运放,而且运放 THD + N 必须小于 ADC,例如 PCM1804 在 DRE 模式可以到 123dB 动态,那运放的 THD + N 就要低于 0.00007%,查了下官网起码有 27 款运放满足要求 (目前他们在售共 62 款)。


简单点评一下 DRE 技术:

以前 ADC 和运放相互独立, 

现在两者变成了统一“系统”

这确实是一种全新的设计思路:

保证品质还节省了成本

例如 TI 的 OP1662 运放 ($0.72 美金/片),之前只能搭配 PCM4220 或 PCM4222 ($9.2 美金/片),现在它可以搭配 PCM1840 ($1.7 美金/片)...

看似只节省了 $7.5 美金 ?

并没有这么简单,这有很多方面的考虑,例如多通道声卡要多片 DAC,另外还要考虑通道数量的对应、功能的匹配,还有很关键的产能问题:

高端芯片产量小、生产排期也慢

在全球“芯片荒”的情况下

产能都集中在销量大的民用芯片

这时将普通芯片用到极致更关键