CN216904874U - 一种采用分立式r-2r数模转换电路的解码功率放大电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种采用分立式R‑2R数模转换电路的解码功率放大电路，包括：电源系统、MCU控制系统、数字音频处理器、超采样插值数字滤波器、分立式R‑2R数模转换电路、低通滤波及缓冲放大器、模拟音量控制模块、信号转换电路、信号选择电路，分立式R‑2R数模转换电路对超采样插值数字滤波器输出的串行数据转换为并行数据并输出模拟音频信号至低通滤波及缓冲放大器，低通滤波及缓冲放大器与模拟音量控制模块连接，模拟音量控制模块输出端与信号转换电路输出端连接，并通过耳机放大电路向外输出耳机驱动信号。应用本实用新型可以实现分立式R‑2R结构DAC电路，并将其应用于解码放大电路中，产品竞争力强，克服了现代新型DAC芯片供应受限的困难。

Description

一种采用分立式R-2R数模转换电路的解码功率放大电路

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及一种采用分立式R-2R数模转换电路的解码功率放大电路。

背景技术

R-2R电阻网络结构是早期D/A转换器(DAC)中最常见的结构之一，主要特点是电路结构简单，精度适中。R-2R结构是一种有条件单调的结构，单调性主要由电阻的相对精度决定，同时该结构的精度与电阻的阻值(面积)成正比，而电阻阻值又与建立时间正相关，所以该结构的精度与速度是一对矛盾，一般用于中、低速的DAC芯片设计中，在90年代音频领域广泛使用这种结构的DAC芯片。

现代Δ∑结构的新型DAC芯片上市后，虽然R-2R结构DAC芯片音质听感深受市场认可，但因芯片尺寸及成本处于劣势，目前除了特殊用途芯片，R-2R结构DAC芯片已全面停产。

现代新型Δ∑结构DAC芯片包括高端音频DAC芯片，完全被国外品牌垄断，货源及价格完全由品牌商或代理商控制，尤其是近两年受疫情影响以及供应限制，现代DAC芯片货源非常紧缺，价格波动很大，对我国企业的可持续发展造成较大影响。

然而，现代新型DAC芯片尽管在性能指标及体积上占据优势，但其主观听感上普遍缺乏R-2R结构DAC独有的宽松、自然、润泽这种讨好人耳喜好的感觉，音频行业的评价是“数码味”明显，而主观听感是音频产品能被用户直接感知的，所以供应市场上剩存的已停产多年的音频类R-2R结构DAC芯片仍然备受推崇，但是市场库存已无法满足音频产品生产企业的需求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种采用分立式R-2R数模转换电路的解码功率放大电路，其利用先进生产工艺及现代元器件实现分立式R-2R结构DAC电路，并将其应用于解码放大电路中，可以在音频产品市场形成新的产品竞争力，同时可避免现代新型DAC芯片供应受限的问题。

为解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种采用分立式R-2R数模转换电路的解码功率放大电路，其包括：电源系统、MCU控制系统、数字音频处理器、超采样插值数字滤波器、分立式R-2R数模转换电路、低通滤波及缓冲放大器、模拟音量控制模块、信号转换电路、信号选择电路，所述电源系统为各个电路模块提供电源，所述数字音频处理器输入端与外部播放器前端连接，所述数字音频处理器输出端与所述超采样插值数字滤波器连接，所述MCU控制系统分别与所述数字音频处理器、超采样插值数字滤波器连接，由所述数字音频处理器、超采样插值数字滤波器接收系统时钟信号，所述分立式R-2R数模转换电路对所述超采样插值数字滤波器输出的串行数据转换为并行数据并输出模拟音频信号至所述低通滤波及缓冲放大器输入端，所述低通滤波及缓冲放大器输出端与所述模拟音量控制模块输入端连接，所述模拟音量控制模块输出端与所述信号转换电路输出端连接，所述信号转换电路与所述信号选择电路连接，并通过耳机放大电路向外输出耳机驱动信号。

进一步的方案是，所述外部播放器前端用于输出相应格式及规格的数字音频信号，所述数字音频处理器用于对所述外部播放器前端输出的数字音频信号进行精密转换，并输出PCM信号至所述超采样插值数字滤波器，所述超采样插值数字滤波器用于对接收到的信号进行超采样数字滤波，并进行噪声整形后输出至所述分立式R-2R数模转换电路。

更进一步的方案是，所述信号转换电路包括单端转差分电路以及差分转单端电路，所述单端转差分电路用于将所述分立式R-2R数模转换电路的单端信号转换为差分信号，并将所述差分信号发送给后端的耳机放大电路，所述单端转差分电路与所述差分转单端电路连接，所述差分转单端电路与所述信号选择电路连接。

更进一步的方案是，所述耳机放大电路包括正相通道耳机放大器，所述正相通道耳机放大器用于单端信号或平衡正相通道的功率放大，经所述正相通道耳机放大器功率放大后的信号经过第一静音电路控制后进入单端耳机插座，驱动单端式耳机；或者，经所述正相通道耳机放大器功率放大后的信号经过第二静音电路控制后进入平衡耳机插座的正相输出触点，与反相输出信号一起驱动平衡式耳机。

更进一步的方案是，所述耳机放大电路包括反相通道耳机放大器，所述反相通道耳机放大器用于平衡反相通道的功率放大，经所述反相通道耳机放大器功率放大后的信号进入平衡耳机插座的反相输出触点，与正相输出信号一起驱动平衡式耳机。

更进一步的方案是，所述分立式R-2R数模转换电路包括多个74LVC595A芯片以及分别与所述74LVC595A芯片连接的R-2R梯形结构电阻网络。

更进一步的方案是，所述R-2R梯形结构电阻网络为24位R-2R梯形结构电阻网络，其包括以梯形结构连接并由所述74LVC595A芯片驱动的多个R值电阻和多个2R值电阻，并通过耦合电容隔离直流成分后输出所述模拟音频信号给后端电路，其中，2R电阻阻值是R电阻阻值的两倍。

更进一步的方案是，所述超采样插值数字滤波器为DF1706E超采样插值数字滤波器。

更进一步的方案是，所述模拟音量控制模块为高保真音量芯片PGA2311UA。

更进一步的方案是，所述电源系统的总输入电源由所述外部播放器前端提供，所述电源系统包括多路DC-DC稳压以及线性稳压电路。

由此可见，本实用新型采用上述技术方案，通过高性能数字音频处理芯片来实现R-2R DAC前端处理芯片的功能，采用通用型逻辑芯片及R-2R电阻网络来实现分立式R-2R结构的数模转换电路，来获得比经典R-2R DAC芯片更好的性能及听感。

所以，本实用新型通过微调分立式R-2R结构数模转换电路的分立元件的参数，可以调整DAC的音色风格，使产品具有很大的个性化调整空间，以满足不同的市场定位及性能需求，这是现代DAC芯片不具备的。

此外，本实用新型利用当今先进的工艺及测试条件来提高整个PCBA密度，使分立式R-2R DAC实用新型成果除了在台式产品应用外，在便携式音乐播放器及解码耳放等产品上也可使用，从而增强产品的核心竞争力。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

附图说明

图1是本实用新型一种采用分立式R-2R数模转换电路的解码功率放大电路实施例的原理图。

图2是本实用新型一种采用分立式R-2R数模转换电路的解码功率放大电路实施例中分立式R-2R数模转换电路的信号处理流程图。

图3是本实用新型一种采用分立式R-2R数模转换电路的解码功率放大电路实施例中分立式R-2R数模转换电路的电路原理图。

图4是本实用新型一种采用分立式R-2R数模转换电路的解码功率放大电路实施例中耳机放大电路的电路原理图。

附图标号说明：播放器前端1、数字音频处理器2、超采样插值数字滤波器3、系统参考时钟4、分立式R-2R数模转换电路5、低通滤波及缓冲放大器6、模拟音量控制模块7、单端转差分电路8、差分转单端电路9、信号选择电路10、正相通道耳机放大器11、反相通道耳机放大器12、第一静音电路13、第二静音电路14、电源系统17、MCU控制系统18

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，一种采用分立式R-2R数模转换电路的解码功率放大电路，其包括电源系统17、MCU控制系统18、数字音频处理器2、超采样插值数字滤波器3、分立式R-2R数模转换电路5、低通滤波及缓冲放大器6、模拟音量控制模块7、信号转换电路、信号选择电路10，电源系统17为各个电路模块提供电源，数字音频处理器2输入端与外部播放器前端1连接，数字音频处理器2输出端与超采样插值数字滤波器3连接，MCU控制系统18分别与数字音频处理器2、超采样插值数字滤波器3连接，由数字音频处理器2、超采样插值数字滤波器3接收系统时钟信号，分立式R-2R数模转换电路5对超采样插值数字滤波器3输出的串行数据转换为并行数据并输出模拟音频信号至低通滤波及缓冲放大器6输入端，低通滤波及缓冲放大器6输出端与模拟音量控制模块7输入端连接，模拟音量控制模块7输出端与信号转换电路输出端连接，信号转换电路与信号选择电路10连接，并通过耳机放大电路向外输出耳机驱动信号。

在本实施例中，外部播放器前端1用于输出相应格式及规格的数字音频信号，数字音频处理器2用于对前端播放器输出的数字音频信号进行精密转换，并输出PCM信号至超采样插值数字滤波器3，超采样插值数字滤波器3用于对接收到的信号进行超采样数字滤波，并进行噪声整形后输出至分立式R-2R数模转换电路5。

其中，外部播放器前端1是分立式R-2R数模转换电路的解码功率放大电路的信号源，主要负责播放各种格式规格的音乐文件，以及输出相应格式及规格的数字音频信号。

其中，由于本实施例的分立式R-2R数模转换电路5只能处理固定格式和规格的串行数据，需要借助数字音频处理器2对前端播放器输出的PCM、DSD格式各种采样率的数字音频信号进行精密转换，并统一输出最适合超采样插值数字滤波器3的PCM信号。数字音频处理器2的24.576MHz系统时钟信号由系统参考时钟4提供。

其中，为了获得更高音频性能，需要借助超采样插值数字滤波器3对信号进行超采样数字滤波，并进行噪声整形，统一输出左、右声道分离的固定规格的串行数据给相应声道的分立式R-2R数模转换电路5进行数模转换。超采样插值数字滤波器3的24.576MHz系统时钟信号由系统参考时钟4提供。

作为优选，超采样插值数字滤波器3为DF1706E超采样插值数字滤波器。

其中，本实施例的分立式R-2R数模转换电路5用于对超采样插值数字滤波器3输出的串行数据转换为并行数据并输出模拟音频信号。

其中，本实施例的低通滤波及缓冲放大器6为LPF低通滤波缓冲放大器，该低通滤波器可以有效滤除分立式R-2R数模转换电路5输出的模拟音频信号中的带宽外噪音，同时对音频信号起到圆滑化处理，去除毛刺，进一步提升音频性能及听感。

在本实施例中，信号转换电路包括单端转差分电路8以及差分转单端电路9，单端转差分电路8用于将分立式R-2R数模转换电路5的单端信号转换为差分信号，并将差分信号发送给后端的耳机放大电路，单端转差分电路8与差分转单端电路9连接，差分转单端电路9与信号选择电路10连接。可见，由于分立式R-2R数模转换电路5DAC输出的是单端信号，通过单端转差分电路8把单端信号转换为差分信号，然后将差分信号发送给后端的正相通道耳机放大电路和反相通道耳机放大电路。

在本实施例中，耳机放大电路包括正相通道耳机放大器11，正相通道耳机放大器11用于单端信号或平衡正相通道的功率放大，经正相通道耳机放大器11功率放大后的信号经过第一静音电路13控制后进入单端耳机插座，驱动单端式耳机；或者，经正相通道耳机放大器11功率放大后的信号经过第二静音电路14控制后进入平衡耳机插座的正相输出触点，与反相输出信号一起驱动平衡式耳机。可见，正相通道耳机放大器11负责单端或平衡正相通道的功率放大，经该放大器信号放大后的信号受第一静音电路13控制后进入3.5mm单端耳机插座或受第二静音电路14控制后进入4.4mm平衡耳机插座的正相输出触点，与反相输出信号一起驱动平衡式耳机。

在本实施例中，耳机放大电路包括反相通道耳机放大器12，反相通道耳机放大器12用于平衡反相通道的功率放大，经反相通道耳机放大器12功率放大后的信号进入平衡耳机插座的反相输出触点，与正相输出信号一起驱动平衡式耳机。可见，反相通道耳机放大器12负责平衡反相通道的功率放大，经该放大器放大后的信号进入4.4mm平衡耳机插座的反相输出触点，与正相信号一起驱动平衡式耳机。

在本实施例中，分立式R-2R数模转换电路5包括多个74LVC595A芯片以及分别与74LVC595A芯片连接的R-2R梯形结构电阻网络。其中，R-2R梯形结构电阻网络为24位R-2R梯形结构电阻网络，其包括以梯形结构连接并由74LVC595A芯片驱动的多个R值电阻和多个2R值电阻，并通过耦合电容隔离直流成分后输出模拟音频信号给后端电路，2R电阻阻值是R电阻阻值的两倍。

在本实施例中，模拟音量控制模块7为高保真音量芯片PGA2311UA。可见，为了保证性能和音质，使用高保真音量芯片PGA2311UA来控制整机模拟音量，避免了数字音量方式对性能及音质的劣化作用。其中，音量芯片PGA2311UA的输出音量受MCU控制系统18控制。

在本实施例中，电源系统17的总输入电源由外部播放器前端1提供，电源系统17包括多路DC-DC稳压以及线性稳压电路。可见，各单元电路所需的各种电源全部由电源系统17提供，电源系统17的总输入电源由外部播放器前端1提供，电源系统17由多路DC-DC稳压及线性稳压电路组成，并受MCU控制以满足各单元电路的用电需求。

具体的，本实施例的分立式R-2R数模转换解码放大电路由不同功能单元电路组成，具体包括电源系统17、外部播放器前端1、MCU控制系统18、数字音频处理器2、超采样插值数字滤波器3、分立式R-2R数模转换电路5、LPF低通滤波器及缓冲放大器6、模拟音量控制模块7、单端转差分电路8、差分转单端电路9、信号选择电路10、耳机放大电路、静音控制电路、耳机输出电路等。

对于数字音频处理器2，由于分立式R-2R数模转换电路5只能处理特定采样位深的PCM格式串行音频数据，而用户实际播放的音乐格式及规格是不确定的，外部播放器前端1输出的数字音频信号格式包括PCM和DSD，其中，PCM的规格范围为16-32bit/44.1k～768kHz，DSD的规格范围为1bit/2.8224M～22.5792MHz，格式及规格差异很大。本实施例的CT7302数字音频处理器是一款高性能数字音频桥芯片，具备强大的数字音频处理能力，主要负责对外部播放器前端1输出的PCM、DSD格式不同采样率的数字音频信号进行高精度数字化处理，在MCU控制下固定输出超采样插值数字滤波器3处理支持的最高输入规格24bit/192kHz的PCM信号。

对于超采样插值数字滤波器3，为了获得更高的性能，本实用新型采用了DF1706E超采样插值数字滤波器对输入信号进行4倍超采样数字滤波并进行噪声整形，输出左、右声道分离的24bit/768kHz高采样率串行数据给分立式R-2R数模转换电路5进行处理，将采样率提高可以提高分立式R-2R数模转换电路5输出的模拟信号性能指标。另外，在MCU控制下可以选择DF1706E的不同数字滤波器，从而获得不同的性能及听感。

对于分立式R-2R数模转换电路5，本实施例采用高精度的24bit结构，以及左右声道独立的电路结构，对数字滤波器输出的左右声道分离的24bit/768kHz高采样率串行数据转换为并行输出，并输出模拟音频电压，其信号处理流程如图2所示。

具体的，如图3所示，分立式R-2R数模转换电路5主要由3片74LVC595A芯片(如U4、U5和U6)和24位R-2R梯形结构电阻网络组成。其中，74LVC595A是8位串并转换和串行传输控制芯片，具有8位串行移位寄存器和一个存储器，具有8位并行三态输出总线，串行移位寄存器和存储器有相互独立的时钟。3片74LVC595A芯片利用串行输入(DS)接口和串行输出(Q7S)接口以级联方式实现24位串行数据输入及并行输出能力。

在本实施例中，74LVC595A芯片对串行输入信号的处理机理为：

DATA：串行数据输入。

SCLK：串行位时钟：串行数据在SCLK的上升沿被逐个读入输入移位寄存器。

WCLK：串行帧时钟：在WCLK的上升沿将存储器锁存移位寄存器中的状态值通过Q0～Q7并行输出总线输出，并在WCLK的下降沿使这些值保持不变。

在本实施例中，24位R-2R梯形结构电阻网络由23颗R值电阻和25颗2R值电阻组成，2R电阻值是R电阻的两倍，它们以梯形结构连接并由74LVC595A驱动，电路工作在电压输出模式，通过耦合电容C1隔离直流成分后输出模拟音频信号给后端电路。

其中，R电阻和2R电阻的相对精度直接决定了分立式R-2R数模转换电路5的精度，本实施例使用了温漂性能稳定的0.01％精度的薄膜电阻，其中R电阻为0402封装，阻值为5.1kΩ；2R电阻为0402封装，阻值为10.2kΩ。如图3所示，图3的2R25、R32和VR1组合可以理解为一颗带微调功能的2R电阻，通过调整VR1电位器来实现微调该2R电阻的阻值，并借助测试仪器监测输出的模拟音频信号可以将数模转换电路调整到最佳状态。

在实际应用中，电阻阻值并没有严格的要求，但R电阻和2R电阻阻值要求是严格的1：2关系。需要说明的是，尽管电阻阻值没有严格的要求，但使用不同阻值，输出信号某些性能会有差异，最明显的是数模转换电路的输出阻抗跟R-2R阻值直接相关，所以在本实施例电路的输出端增加一级缓冲放大电路是有必要的。

对于耳机放大电路，如图4所示，本实施例使用四片双通道高保真音频功率放大器INA1620担负四个通道的耳机功率放大，芯片内部两路放大电路工作在并联状态，提高电流驱动能力，其电路特点表示为：

1、芯片内部集成了极高精度(配对精度达0.004％)的薄膜电阻器用于信号输入和负反馈两处极其重要的音频传输路径。

2、INA1620将4对高精度配对电阻器、EMI滤波器及双路音频运算放大器集成在一起，实现极低噪声和超低失真度。

由此可见，本实用新型采用上述技术方案，通过高性能数字音频处理芯片来实现R-2R DAC前端处理芯片的功能，采用通用型逻辑芯片及R-2R电阻网络来实现分立式R-2R结构的数模转换电路，来获得比经典R-2R DAC芯片更好的性能及听感。

所以，本实用新型通过微调分立式R-2R结构数模转换电路的分立元件的参数，可以调整DAC的音色风格，使产品具有很大的个性化调整空间，以满足不同的市场定位及性能需求，这是现代DAC芯片不具备的。产品的差异化、个性化亮点可以使产品更具竞争力，避免同质化竞争。

此外，本实用新型利用当今先进的工艺及测试条件来提高整个PCBA密度，使分立式R-2R DAC实用新型成果除了在台式产品应用外，在便携式音乐播放器及解码耳放等产品上也可使用，从而增强产品的核心竞争力。

上述实施方式仅为本实用新型的优选实施方式，不能以此来限定本实用新型保护的范围，本领域的技术人员在本实用新型的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本实用新型所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种采用分立式R-2R数模转换电路的解码功率放大电路，其特征在于，包括：

电源系统、MCU控制系统、数字音频处理器、超采样插值数字滤波器、分立式R-2R数模转换电路、低通滤波及缓冲放大器、模拟音量控制模块、信号转换电路、信号选择电路，所述电源系统为各个电路模块提供电源，所述数字音频处理器输入端与外部播放器前端连接，所述数字音频处理器输出端与所述超采样插值数字滤波器连接，所述MCU控制系统分别与所述数字音频处理器、超采样插值数字滤波器连接，由所述数字音频处理器、超采样插值数字滤波器接收系统时钟信号，所述分立式R-2R数模转换电路对所述超采样插值数字滤波器输出的串行数据转换为并行数据并输出模拟音频信号至所述低通滤波及缓冲放大器输入端，所述低通滤波及缓冲放大器输出端与所述模拟音量控制模块输入端连接，所述模拟音量控制模块输出端与所述信号转换电路输出端连接，所述信号转换电路与所述信号选择电路连接，并通过耳机放大电路向外输出耳机驱动信号。

2.根据权利要求1所述的解码放大电路，其特征在于：

所述外部播放器前端用于输出相应格式及规格的数字音频信号，所述数字音频处理器用于对所述外部播放器前端输出的数字音频信号进行精密转换，并输出PCM信号至所述超采样插值数字滤波器，所述超采样插值数字滤波器用于对接收到的信号进行超采样数字滤波，并进行噪声整形后输出至所述分立式R-2R数模转换电路。

3.根据权利要求1所述的解码放大电路，其特征在于：

所述信号转换电路包括单端转差分电路以及差分转单端电路，所述单端转差分电路用于将所述分立式R-2R数模转换电路的单端信号转换为差分信号，并将所述差分信号发送给后端的耳机放大电路，所述单端转差分电路与所述差分转单端电路连接，所述差分转单端电路与所述信号选择电路连接。

4.根据权利要求3所述的解码放大电路，其特征在于：

所述耳机放大电路包括正相通道耳机放大器，所述正相通道耳机放大器用于单端信号或平衡正相通道的功率放大，经所述正相通道耳机放大器功率放大后的信号经过第一静音电路控制后进入单端耳机插座，驱动单端式耳机；或者，经所述正相通道耳机放大器功率放大后的信号经过第二静音电路控制后进入平衡耳机插座的正相输出触点，与反相输出信号一起驱动平衡式耳机。

5.根据权利要求4所述的解码放大电路，其特征在于：

所述耳机放大电路包括反相通道耳机放大器，所述反相通道耳机放大器用于平衡反相通道的功率放大，经所述反相通道耳机放大器功率放大后的信号进入平衡耳机插座的反相输出触点，与正相输出信号一起驱动平衡式耳机。

6.根据权利要求1至5任一项所述的解码放大电路，其特征在于：

所述分立式R-2R数模转换电路包括多个74LVC595A芯片以及分别与所述74LVC595A芯片连接的R-2R梯形结构电阻网络。

7.根据权利要求6所述的解码放大电路，其特征在于：

所述R-2R梯形结构电阻网络为24位R-2R梯形结构电阻网络，其包括以梯形结构连接并由所述74LVC595A芯片驱动的多个R值电阻和多个2R值电阻，并通过耦合电容隔离直流成分后输出所述模拟音频信号给后端电路，其中，2R电阻阻值是R电阻阻值的两倍。

8.根据权利要求1至5任一项所述的解码放大电路，其特征在于：

所述超采样插值数字滤波器为DF1706E超采样插值数字滤波器。

9.根据权利要求1至5任一项所述的解码放大电路，其特征在于：

所述模拟音量控制模块为高保真音量芯片PGA2311UA。

10.根据权利要求1至5任一项所述的解码放大电路，其特征在于：

所述电源系统的总输入电源由所述外部播放器前端提供，所述电源系统包括多路DC-DC稳压以及线性稳压电路。

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