[数播] 数字音源音色调整的几点心得

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本帖最后由 lszyc 于 2018-1-28 12:45 编辑

最近在玩几台数播和USB2SPDIF数字界面,发现音频数字SPDIF音源之间的差别很大,可调整空间也很大,于是试着对数字音源的电源进行摩改调音,获取了一些经验和心得,现简单谈几点心得,个人观点,仅供大家参考。
一、通常情况下,10元以上的晶振,已经不是系统的短板,晶振的晶体自身的Jitter,点系统总Jitter的量已经很小。大量名CD机,也是用普通晶振。
二、对于CMOS电路,电流消耗95%以上在门电路的状态转换上,因此CPU可以通过降频来减少转换次数,降低功耗。而在电源中,脉冲电流消耗会被积分,形成一个个包络波形,如图1、图2所示。有些人认为传统的TTL芯片比较好声,其实一个原因就是TTL是高低电平和状态转换耗电都差不多,电流消耗比较平稳。因CMOS的这个特性,会对数字音频电路产生3个影响:
数字音频电源纹波.jpg
图1 电源耗电脉冲积分原理图

图片1.jpg
图2 主滤波电容上的电压纹波
1.对于CPU芯片,其电源电流消耗不固定并且波动很大,IO操作、密集运算、进程调度、内存读写等,会产生电流消耗的脉冲。脉冲的出现的周期从十分之一秒到百万分之一秒,加上CPU本身的时钟频率,也就是说,CPU电路的负载电流纹波是从10HZ到100MHZ。这样的纹波,使用稳压芯片很难处理好。
2.对于处理串行音频流的芯片,其状态转换依赖于音频信号的内容,如果是最弱的24位音频数字串行信号,那么只有最高的符号位会在0、1之间跳变,最低位为1,而其它22位一直为0,芯片电流消耗较小,当大信号来临时,可能24个位都会跳变,电流消耗要大很多,因此串行音频流处理芯片的电流消耗,是和音频的内容相关的,并且音频信号相对变化越大,电流消耗越大。由此也会产生音频信号调制的电流纹波,其频谱除时钟频率外,还有音频内容的频谱。
3.如上所述,对于SPDIF信号处理电路更是如此,SPDIF信号,基本上0跳变一次、1跳变两次,如图3所示。也就是说,1的电流消耗是0的两倍,因此也会产生和音频相关的电流模,纹波频谱中有音频信号内容。
SPDIF电路.jpg
图3 SPDIF 信号编码
三、降低电源电压纹波的几点措施
1.采用电感隔离。常用的稳压芯片对于脉冲式的电流负载没有什么好办法,更是属于“透传”,因此使用1mh左右的电感,配合MLCC,组成CLC滤波,可以将电流脉冲变得平缓,从而降低电流脉冲对其它电路的影响。由于不同的芯片电流消耗不同步,因此要给每个芯片配上隔离电感。
2.合理使用固态电容。固态电容(含聚合物钽电容)具有超低ESR,并且工作频率可以到10MHZ,应该说非常适应数字音频电路,但普遍反应是固态电容声音不好。对于大多数电路,使用固态电容后,使用示波器或高频毫伏表测量,可以发现电源的电压纹波确实是下降的,为什么不好声呢?主要是因为固态电容滤波效果好,通常使用的容量不大,对于中低频纹波过滤效果不好,而对于中高频纹波的过滤效果太好,导致芯片电源的纹波频谱在音频段内极不平衡,中低频纹波大,高频纹波小,声音当然死板了。解决办法有三种,一是使用大容量,1000uf以上的固态电容;二是使用1000uf以上的普通电解配47uf左右的固态;三是使用LT3042这类超低噪声的稳压芯片配47uf左右的固态。
3.合理使用大电容。前面分析过,数字电路的电流消耗通常是脉冲式的,持续几十到几万个时钟周期,然后间隔个几百甚至几十万个时钟周期(比如读SD卡)。稳压芯片无法处理好这样的脉冲,但我们仔细看芯片的手册,大部分在输出电容配置的说明会提到,更大的电容,有利于提高稳压芯片的瞬态响应。也就是说,输出电容越大,瞬态响应越好,那我们就配个比手册最小输出电容要求大50倍的电容,手册要求最小10u,我们配470u。
四、如何调整数字播放器和USB数字音频界面的音色
1.尽可能降低主芯片和音频相关时钟电源的纹波,可以综合采用本文前述的方法。
2.重视SPDIF发射电路的电源退耦,SPDIF发射电路,其电流消耗是和音频内容相关的,通常是信号越强,编码中的1就越多,电流消耗越大。SPDIF发射电路的电源纹波,会直接转成DAC端的Jitter,并且这个Jitter属于相关Jitter,对声音影响很大(类似信号进行平方运算)而且频谱就在音频带内,后端很多接收芯片都处理不了,CS8416带宽约20K,DIR9001约17K。
3.调整SPDIF和时钟电路的电源噪声频谱,实现音色的调整。通常的规律是:滤波电解电容大,高频MLCC小,音频带内的中低频噪声相对较小,高频噪声较大,声音比较凝聚、活泼,定位较好,但声音可能会偏硬、偏薄;滤波电解较小,高频MLCC较小,电源音频带内中低频噪声较大,声音丰厚,饱满,但声音可能会软一些。如果电解电容容量较小(10uF)高频MLCC太大,比如到10uF,配的电源芯片又不普通的AMS1117这类,那么中低频噪声和高频噪声会很不平衡,出来的声音木、呆。通过MLCC、固态电容、电解电容三者搭配,调出自己喜欢的声音并不难。

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发表于 2018-1-28 12:53 | 显示全部楼层
我用电源的套路是:50Hz工频变压器降压+整流滤波+线性稳压→DC-DC→CLC滤波→LDO→MLCC电容

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 楼主| 发表于 2018-1-28 13:00 | 显示全部楼层
xmlhifi 发表于 2018-1-28 12:53
我用电源的套路是:50Hz工频变压器降压+整流滤波+线性稳压→DC-DC→CLC滤波→LDO→MLCC电容

光LDO+MLCC,除非LDO性能非常好,不然对于数字电路的脉冲式耗电(多个时钟周期)的响应,非常差。看LDO的瞬态响应测试图就知道,基本LDO手册上都有。

我测试过给SD卡供电的电源纹波,负载端对付SD卡数播这种每秒读个20来次,每次只持续0.0015秒的35ma左右的突发耗电,纹波大得不得了。

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发表于 2018-1-28 13:12 | 显示全部楼层
本帖最后由 xmlhifi 于 2018-1-28 13:13 编辑
lszyc 发表于 2018-1-28 13:00
光LDO+MLCC,除非LDO性能非常好,不然对于数字电路的脉冲式耗电(多个时钟周期)的响应,非常差。看LDO的 ...


补充说明:上述套路是给模拟时钟电路供电

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lszyc 发表于 2018-1-28 13:00
光LDO+MLCC,除非LDO性能非常好,不然对于数字电路的脉冲式耗电(多个时钟周期)的响应,非常差。看LDO的 ...

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这种稳压电路给 数字芯片供电如何呢

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发表于 2018-1-28 14:33 | 显示全部楼层
本帖最后由 acdwwd 于 2018-1-28 14:43 编辑

数字电路电源太重要了,合理使用固态电容,合理使用大电容。讲的对!我的经验,数字电源滤波用液钽电容极好,最好容量大一些,常用的三洋有机固态之类音色干硬,钽电容润一些。1000uf液钽那是极品了。低压差线性稳压器是不得己使之,有可能还是釆用输入电压高些,频率响应好的稳压器。

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 楼主| 发表于 2018-1-28 14:38 | 显示全部楼层
xmlhifi 发表于 2018-1-28 13:12
补充说明:上述套路是给模拟时钟电路供电

时钟可以,没有脉冲式的电流消耗。

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 楼主| 发表于 2018-1-28 14:41 | 显示全部楼层
rsnqjbs 发表于 2018-1-28 13:31
这种稳压电路给 数字芯片供电如何呢

这个电路,可以参考一下studer900电源,比这个电路更完善。

但是我试过换studer900电源的运放,不同的运放,声音差别很大。并且这个电路,瞬态响应不容易做好,很容易有过冲。

我认为不如LT3042扩流电路。

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 楼主| 发表于 2018-1-28 14:42 | 显示全部楼层
acdwwd 发表于 2018-1-28 14:33
合理使用固态电容,合理使用大电容。讲的对!数字电源滤波用液钽电容极好,最好容量大一些,常用的三洋有机 ...

1000uf的液钽,确实是不错,器件不好找。

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这个电容很不错

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本帖最后由 thinkworld 于 2018-1-28 17:31 编辑

声卡原LDO输出端是中容量105度高频铝电解,由于空间受限,我在LDO输出端与公共端并接一只同容量的85度 NCC 已停产A**系列铝电解,未曾想到的、惊喜的效果出现了!三频均有明显的改善!难以笔墨形容。。。 再次感叹:实践出心知啊!

无论如何,数字电路的电源退耦,仍然坚持能不用钽电解或固态就尽量不用,一定要用则尽可能地小容量,也即:退耦电容必须以铝电解(需要优质的音频用型号)为基准,并联小容量的优质钽电解或MLCC搭配. 此原则打死也不更改!

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发表于 2018-1-28 20:40 | 显示全部楼层
LT3042价格不便宜啊。

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 楼主| 发表于 2018-1-28 20:42 | 显示全部楼层
xdsun125 发表于 2018-1-28 20:40
LT3042价格不便宜啊。

是的,同感贵,我只在晶振供电上用一个,其它就不管了。

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 楼主| 发表于 2018-1-28 20:52 | 显示全部楼层
thinkworld 发表于 2018-1-28 17:29
声卡原LDO输出端是中容量105度高频铝电解,由于空间受限,我在LDO输出端与公共端并接一只同容量的85度 NCC 已 ...

实践出真知,但理论分析还是要的,不然无法有效指导以后的工作。

你说的这种情况,我也碰到过,我后来分析,就是电源噪声频谱不均衡,导致数字音频所带的时钟jitter的频谱也不均衡,影响了声音的表现。

我现在比较常用的做法是:2*0.1u的MLCC+10u的固态+470u(1000u)的普通铝电解。我试过不加固态,声音总觉得少点安定感,听个把小时感觉不明显,但听长时间,还是有点烦燥。

大容量固态电容在音频段内的阻抗是接近理想电容的。可以想象一个1000u的固态电容,其ESR几乎可以略不计,那么在1K到20KHZ的频率上,其容抗从160毫欧到8毫欧,作为一个滤波电容,电源在20KHZ的纹波基本就不存在了。但在20HZ,容抗还有8欧姆,纹波还是不小的。

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发表于 2018-1-28 22:01 | 显示全部楼层
液钽低频容抗变化比固态电容小,比固态电容更耐波纹电流,而且漏电极小,噪声低于MLCC几个数量级。

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 楼主| 发表于 2018-1-28 22:16 | 显示全部楼层
acdwwd 发表于 2018-1-28 22:01
液钽低频容抗变化比固态电容小,比固态电容更耐波纹电流,而且漏电极小,噪声低于MLCC几个数量级。

对于数字音频电路,除积分产生的ms和us级的脉冲外,还有高频时钟的ns级脉冲,因此MLCC还是需要的。

对于数字音频电路,纹波电流的耐受能力,不是考量的主要因素,你说的容抗变化是一个重要考量因素。

我前面分析过了,电源除了高频噪声外,对于串行数字音频处理电路,还有音频内容的噪声,最好是音频带内,电容能提供比较恒定的交流阻抗。

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发表于 2018-1-28 22:49 | 显示全部楼层
本帖最后由 acdwwd 于 2018-1-28 22:58 编辑
lszyc 发表于 2018-1-28 22:16
对于数字音频电路,除积分产生的ms和us级的脉冲外,还有高频时钟的ns级脉冲,因此MLCC还是需要的。

对 ...


学习长进了。MLCC高频性能优异,噪声大一点好象也无查觉。数播再生电源400赫供电比市电好不少,为何?

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 楼主| 发表于 2018-1-28 23:03 | 显示全部楼层
acdwwd 发表于 2018-1-28 22:49
学习长进了。MLCC高频性能优异,噪声大一点好象也无查觉。数播再生电源400赫供电比市电好不少,为何?

数字再生电源400HZ是以220V给设备供电吗?

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lszyc 发表于 2018-1-28 23:03
数字再生电源400HZ是以220V给设备供电吗?

再生电源400HZ是以220V给设备供电,对的。

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acdwwd 发表于 2018-1-28 23:58
再生电源400HZ是以220V给设备供电,对的。

很多设备的电源变压器都是标称50HZ标准,直接400HZ可以吗?
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