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音頻專(zhuān)用 ADC/DAC 與通用 ADC/DAC 的本質(zhì)區(qū)別 ——從架構(gòu)、性能到前后端設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性 ...
音頻專(zhuān)用 ADC/DAC 與通用 ADC/DAC 的本質(zhì)區(qū)別
——從架構(gòu)、性能到前后端設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性解析
在電子工程和嵌入式系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）與數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）是連接模擬世界和數(shù)字世界的核心器件。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同，這些轉(zhuǎn)換器可以大致分為音頻專(zhuān)用 ADC/DAC以及通用 ADC/DAC兩大類(lèi)。它們雖然都完成模擬與數(shù)字之間的轉(zhuǎn)換，但在架構(gòu)、指標(biāo)、采樣特性以及外圍電路設(shè)計(jì)等方面存在本質(zhì)差異。
本文將從體系結(jié)構(gòu)、應(yīng)用目標(biāo)、典型參數(shù)差異、前端/后端電路設(shè)計(jì)四個(gè)維度說(shuō)明兩類(lèi)器件的核心區(qū)別，并通過(guò)常見(jiàn)型號(hào)（如 PCM1808 vs ADS1115、PCM5102A vs MCP4921）直觀展示這些差別。
1. 架構(gòu)層面：為什么音頻幾乎清一色采用 Σ-Δ？ 1.1 音頻 ADC/DAC：高度數(shù)字化的 Σ-Δ（Sigma-Delta）架構(gòu)
音頻信號(hào)帶寬很窄（20Hz–20kHz），但人耳對(duì)噪聲和失真極為敏感，因此音頻器件追求的是 高動(dòng)態(tài)范圍、低失真、線性頻響。
因此，幾乎所有音頻 ADC 和 DAC 都采用 Σ-Δ 架構(gòu)：
極高的過(guò)采樣率（64×、128×、256×）
噪聲整形把量化噪聲推到超聲波區(qū)域
內(nèi)置數(shù)字抽取 / 插值濾波器
對(duì)模擬前端要求較低（RC濾波足夠）
例如：
PCM1808（TI）：24bit Σ-Δ、OSR=64×、SNR=99dB、THD+N=–93dB
PCM5102A（TI）：多階 Σ-Δ DAC、112dB 動(dòng)態(tài)范圍、384kHz 采樣率
Σ-Δ 的本質(zhì)是： 👉 拿高頻數(shù)字換取低頻高精度。 這使得音頻領(lǐng)域可以用通用 CMOS 工藝實(shí)現(xiàn)高性能、低成本的 ADC/DAC。
1.2 通用 ADC/DAC：架構(gòu)根據(jù)應(yīng)用而異
通用 ADC/DAC 要面對(duì)的信號(hào)從毫伏級(jí)直流到百 MHz 高頻信號(hào)，因此架構(gòu)高度多樣化：
● SAR（逐次逼近）ADC
常見(jiàn)于 MCU 內(nèi)置 ADC、數(shù)據(jù)采集卡
快速（幾十 kSPS ~ 數(shù) MSPS）
固定延遲、無(wú)過(guò)采樣
精度一般 10~16bit 適合直流測(cè)量、控制場(chǎng)景
● Pipeline / Flash ADC
用于高速應(yīng)用（視頻、雷達(dá)、射頻）
采樣率可達(dá)幾十到幾百 MSPS
精度 8~14bit 適合高速瞬態(tài)信號(hào)
● 精密 Σ-Δ ADC（如 ADS1115）
雖然也是 Σ-Δ，但與音頻完全不同：
優(yōu)化在直流精度
支持高精度 PGA、可編程量程
采樣速率極低（16~860 SPS）
例如 ADS1115：
16bit 精密 Σ-Δ
860 SPS
偏移誤差 ±1LSB、增益誤差 0.01%
這種 ADC 面向的是測(cè)量?jī)x表與傳感器系統(tǒng)，而非音頻。
2. 應(yīng)用目標(biāo)：音頻追求“聽(tīng)起來(lái)好”，通用 ADC 追求“測(cè)得準(zhǔn)” 2.1 音頻器件的關(guān)注點(diǎn)
音頻領(lǐng)域的終極目標(biāo)只有一句： 👉 還原聲音，聽(tīng)起來(lái)要好聽(tīng)。
因此指標(biāo)通常是：
THD+N（失真噪聲）
動(dòng)態(tài)范圍（SNR/DR）
通帶平坦度 ±0.1dB
通道分離度
時(shí)鐘抖動(dòng)（Jitter）敏感性
例如 PCM1808：
THD+N = –93 dB
SNR = 99 dB
24bit 輸出但有效位約 16~17 bit（強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)性能，不強(qiáng)調(diào)絕對(duì)精度）
并且音頻器件通常不關(guān)心直流精度，因?yàn)榍岸硕酁?AC 耦合，高通去直流偏移。
2.2 通用 ADC/DAC 關(guān)注的則是工程測(cè)量精度
例如 ADS1115、MCP4921：
典型關(guān)注點(diǎn)是：
INL/DNL（線性誤差）
絕對(duì)電壓誤差、參考電壓誤差
溫漂
長(zhǎng)期穩(wěn)定性
共模抑制、差分測(cè)量能力
更新速度與信號(hào)保持能力
這些指標(biāo)關(guān)系到：
工控系統(tǒng)能否穩(wěn)定閉環(huán)控制
傳感器測(cè)量是否偏移
儀表設(shè)備能否維持多年一致性
你可以簡(jiǎn)單地記住： ▶ 音頻 ADC/DAC = 波形不失真 ▶ 通用 ADC/DAC = 數(shù)字量準(zhǔn)確無(wú)誤
兩者評(píng)價(jià)體系完全不同。
3. 采樣特性：音頻是標(biāo)準(zhǔn)化的固定采樣率，通用 ADC 則從 Hz 到 GHz 都有 3.1 音頻設(shè)備采樣率“標(biāo)準(zhǔn)化”
音頻行業(yè)固定是這些采樣率：
44.1kHz（CD）
48kHz（專(zhuān)業(yè)音頻/視頻）
96kHz、192kHz（高解析度音頻）
音頻 ADC（如 PCM1808）通常支持：
8kHz～96kHz 新型號(hào)可支持更高（192kHz 以上）
內(nèi)部 OSR 通常是：
64×
128×
256×
音頻 DAC 內(nèi)部插值會(huì)將信號(hào)推到 MHz 級(jí)的調(diào)制頻率，然后再模擬濾波輸出。
音頻 ADC/DAC = 中速、高過(guò)采樣、音頻帶內(nèi)優(yōu)化。
3.2 通用 ADC/DAC 的采樣率是廣譜式的
通用 ADC/DAC 的采樣跨度非常大：
類(lèi)型 采樣范圍 示例
精密低速 ADC Hz ~ kHz ADS1115：8~860 SPS
中速 SAR ADC kSPS ~ MSPS 1~5 MSPS 常見(jiàn)
高速 Pipeline/Flash 數(shù)十 MHz ~ 數(shù)百 MHz 8~14 bit 視頻ADC
專(zhuān)用高速 DAC 至數(shù)百 MHz 通信用 DAC
音頻 ADC/DAC 不能用于高速采樣系統(tǒng)（帶寬有限）。 而高速 ADC 用來(lái)采集音頻雖然能工作，但：
噪聲高
頻響不平坦
失真大 不會(huì)有好的音質(zhì)。
4. 前端/后端電路設(shè)計(jì)的根本差別 4.1 音頻 ADC 前端：低噪聲運(yùn)放 + 抗混疊濾波
常見(jiàn)前端運(yùn)放：
NE5532
OPA2134
TL072
特點(diǎn)：
低噪聲
低 THD
大帶寬
穩(wěn)態(tài)交流信號(hào)優(yōu)化
模擬濾波器：
多為一階 RC 或二階有源低通
截止頻率約 22kHz～30kHz
只需削減超過(guò)奈奎斯特頻率的高頻
音頻 ADC 前端的目標(biāo)只有一個(gè)： 👉 不破壞音質(zhì)，不引入可聞噪聲或失真
4.2 通用 ADC 前端：信號(hào)調(diào)理能力更強(qiáng)
常見(jiàn)前端模塊可能包括：
儀表放大器（INA 系列）
差分放大器
可編程增益放大器
保護(hù)電路（TVS、限流）
RC/多階抗混疊濾波器
緩沖運(yùn)放（驅(qū)動(dòng) SAR 采樣電容）
前端典型任務(wù)：
抑制共模干擾
放大微伏級(jí)信號(hào)
保持精確線性
溫漂小、零點(diǎn)偏移可校準(zhǔn)
通用 ADC 的前端是“測(cè)量級(jí)”的，而非“音質(zhì)級(jí)”的。
4.3 音頻 DAC 后端：必須做重構(gòu)低通濾波
Σ-Δ DAC 輸出包含超聲噪聲，需要外部濾波：
RC 濾波（如 470Ω + 2.2nF）
二階/三階 Sallen-Key 有源濾波器
必要時(shí)加入線路驅(qū)動(dòng)器（推耳機(jī)或功放）
4.4 通用 DAC 后端：視應(yīng)用選配
若輸出 DC 電平：只需 RC 去毛刺
若驅(qū)動(dòng)負(fù)載：加緩沖運(yùn)放
若輸出波形：加帶通/低通濾波與射頻放大器
通用 DAC 不關(guān)注音質(zhì)，而關(guān)注輸出電壓是否“準(zhǔn)確、穩(wěn)定”。
5. 典型器件對(duì)比（最直觀） 5.1 PCM1808（音頻ADC） vs ADS1115（通用ADC）
參數(shù) PCM1808 ADS1115
架構(gòu) 24bit Σ-Δ（64× OSR） 16bit Σ-Δ（低速高精度）
最大采樣率 96kHz 860 SPS
輸出接口 I²S 流式 I²C 寄存器式
動(dòng)態(tài)性能 SNR 99dB、THD+N –93dB 直流精度高，分辨率真實(shí)接近 15bit
前端要求 AC耦合、音頻運(yùn)放 可測(cè)直流、小信號(hào)、差分輸入
應(yīng)用 音頻采集 傳感器測(cè)量、電壓采樣
5.2 PCM5102A（音頻DAC） vs MCP4921（通用DAC）
