音频解码器入门系列（第三期）：DAC芯片内部是怎样工作的？

Dk·Liang

大家好，这是“音频解码器入门系列”的第三期。
第一期我们介绍了DAC的作用，也简单认识了采样率和位深。第二期讨论了采样之后的声音还原、混叠、滤波、量化误差与Dither，还聊了两套采样率体系。
这一期，我们打开DAC芯片的外壳，看看数字信号进入芯片之后，到底经历了哪些处理，才变成后级能用的模拟信号。
数字信号进入芯片后要经过哪些处理？
芯片里的Delta-Sigma是什么？
为什么现代DAC大多不再是“电阻网络”？
DSD和PCM在芯片里走的是同一条路吗？
电流输出和电压输出有什么区别？
一、DAC芯片内部有哪些模块？从整体看，DAC芯片内部大致可以分成：
数字输入接口；数字滤波器；调制或转换核心；模拟输出级；时钟与锁相环；内部电源与基准。
信号的大致流程是：
数字音频输入 → 输入接口 → 数字滤波 → 转换核心 → 模拟输出级 → 模拟信号输出
每一步都在为下一步做准备，任何一环出问题，都会反映在最终的模拟输出上。
二、为什么现代DAC大多采用Delta-Sigma结构？早期的DAC芯片常用R-2R电阻网络。
R-2R的思路很直观：每个比特控制一组开关，接通不同阻值的电阻，输出电压与数字值成正比。数字值越大，输出电压越高。
但这种方式有一个根本困难：
精度依赖电阻匹配。要做到16位甚至24位的精度，电阻之间的比例必须极其精确。温度变化、制造工艺偏差，都会带来误差。位数越高，对匹配的要求越苛刻，成本也越高。
Delta-Sigma走了另一条路：
把“高精度”问题，转化为“高速度”问题。
它用极高速的1比特（或少数几个比特）开关，配合噪声整形，让大部分量化噪声跑到音频频带之外。
打个比方：
R-2R像一把精密刻度的直尺，尺子本身的质量决定了读数精度；Delta-Sigma像极快地开关闸门，用时间上的平均来代替精确的刻度。
所以现代音频DAC基本都采用Delta-Sigma结构，不是因为别的方案不好，而是这条路更容易把精度做上去。
三、什么是过采样？44.1 kHz的数据如果直接转换，量化噪声会分布在0到22.05 kHz之间，几乎全部落在可听范围内。
芯片内部的数字滤波器会先把采样率提高到原来的几倍、几十倍甚至更高，比如8倍、64倍、256倍。
采样率提高之后，同样的量化噪声被摊薄到更宽的频带上，落在音频频带内的部分就减少了。
可以这样理解：
噪声总量没有变，但像摊大饼一样被摊开了，每一口吃到的就少了。
四、什么是噪声整形？过采样只是把噪声摊薄；噪声整形更进一步：
把噪声“推”到高频去。
Delta-Sigma调制器通过反馈回路，让低频噪声更低、高频噪声更高。
结果是：
音频频带内的噪声极低；大量噪声集中在几十kHz以上。
这些被推到带外的噪声，交给DAC后面的模拟低通滤波器处理。这也是第二期第六节讲的，为什么DAC输出后面必须有重建滤波器——它们是一套配合工作的系统。
五、Delta-Sigma调制器内部在做什么？调制器输出的，是一路高速开关的脉冲密度信号。
音乐幅度大时，脉冲更密；幅度小时，脉冲更疏。
这很像PWM调光的原理：
灯不是靠降低电压变暗，而是靠高速闪烁，人眼看到的只是平均亮度。
Delta-Sigma调制器同理：
用开关速度表示幅度，人耳和后级电路感受到的是平均值，而不是一次次开关。
所以芯片内部的高频开关成分非常多，必须妥善滤除，否则就会变成对后级运放和功放的负担。
六、芯片里的数字滤波器为什么有好几种选择？很多DAC芯片会提供多种数字滤波特性，常见的有：
陡峭滚降，也就是Sharp Roll-off；缓慢滚降，也就是Slow Roll-off。
它们的区别主要在过渡带和振铃：
陡峭滤波：滚降快、带外衰减大，但前后振铃明显；缓降滤波：振铃小、听感更自然，但带外衰减慢。
不同的厂商、不同口味的听众，偏好不一样，所以厂商干脆把选择开放出来，让用户自己切换。
这也说明，数字滤波并不是“越陡越好”，而是一种取舍。
七、电流输出与电压输出有什么区别？DAC芯片的模拟输出分两种：
电流输出型：输出端直接给出一路电流，需要外部电路完成IV转换，把电流变成电压；电压输出型：芯片内部已经集成了转换和输出运放，直接输出模拟电压。
电流输出型的好处是：
输出级的设计自由度大。厂家可以用自己选择的运放做IV转换和滤波，声音调校的空间更大。
电压输出型的好处是：
外围电路简单，成本可控，适合入门和中端机型。
旗舰机型普遍采用电流输出型。比如AK4499EX，输出的就是电流，而且是单声道设计，旗舰解码器通常用两片，左右声道各一片，声道分离度更高。
八、DSD和PCM在芯片里走的是同一条路吗？不完全一样。
PCM进入芯片后，要经过：数字滤波 → 调制器 → 转换。
DSD本身就是1比特的高速数据流，理论上不再需要数字滤波和调制器。
因此很多芯片支持“DSD Direct”直通模式：
绕过数字滤波和调制器，直接把DSD数据送到转换部分。
这也是“原生DSD”宣传的由来。
不过直通并不等于一定更好。直通模式下，芯片内部对噪声和滤波的处理也不会完全缺席，实际效果仍然要看整机设计。
九、为什么有的DAC芯片可以“不要MCLK”？常规的I²S连接需要主时钟MCLK，但有些芯片内置了PLL或ASRC，可以从BCLK恢复出所需时钟。
内置ASRC还可以把输入采样率统一到一个固定的内部频率。
好处是：
前端时钟要求低；切换采样率更平滑。
代价是：
多了一次转换过程，时钟精度依赖内部PLL的质量。
如果一台机器没有外部MCLK，芯片全靠内部PLL工作，那么PLL的表现就会直接影响声音。
十、数字音量控制在芯片里怎么做？数字音量，本质上是给数据乘一个系数。
衰减，就是让每个采样点的数值变小。
问题在于：
数据的位数是有限的。衰减之后，低位被丢弃，等效的动态范围随之变小。
衰减越多，信噪比越低。底噪没有变，信号却变小了，听感自然变差。
所以高端方案通常是：
让芯片满幅输出，音量控制交给模拟域，或者使用专门的模拟音量芯片。
十一、怎样判断芯片是否正常工作？结合第二期第十一节的方法，芯片层面的检查可以关注：
供电与参考电压是否稳定；寄存器配置是否正确；PLL是否锁定；播放已知正弦信号，观察输出频率与杂散；反复切换采样率，观察是否丢锁、是否爆音。
如果软件显示96 kHz，但实测LRCK并不是96 kHz，就说明数据链路或时钟配置存在问题。
芯片不是“通电就唱歌”的黑盒，它的每一步都有迹可循。
本期总结DAC芯片内部是一套完整的系统：接口、数字滤波、调制转换、模拟输出、时钟与电源。
现代主流Delta-Sigma结构用速度换精度，配合噪声整形，把噪声推到带外。
芯片输出的是连续的模拟信号，而不是软件里看到的台阶波。
理解芯片内部的工作方式，也就能理解为什么同一颗芯片，放在不同的电路设计里，最终的声音可以完全不同。
下期预告
第四期：从芯片输出到接口，IV转换、滤波与模拟输出级。