博客
音頻專用 ADC/DAC 與通用 ADC/DAC 的本質區別 ——從架構、性能到前后端設計的系統性 ...
音頻專用 ADC/DAC 與通用 ADC/DAC 的本質區別
——從架構、性能到前后端設計的系統性解析
在電子工程和嵌入式系統中，模數轉換器（ADC）與數模轉換器（DAC）是連接模擬世界和數字世界的核心器件。根據應用場景不同，這些轉換器可以大致分為音頻專用 ADC/DAC以及通用 ADC/DAC兩大類。它們雖然都完成模擬與數字之間的轉換，但在架構、指標、采樣特性以及外圍電路設計等方面存在本質差異。
本文將從體系結構、應用目標、典型參數差異、前端/后端電路設計四個維度說明兩類器件的核心區別，并通過常見型號（如 PCM1808 vs ADS1115、PCM5102A vs MCP4921）直觀展示這些差別。
1. 架構層面：為什么音頻幾乎清一色采用 Σ-Δ？ 1.1 音頻 ADC/DAC：高度數字化的 Σ-Δ（Sigma-Delta）架構
音頻信號帶寬很窄（20Hz–20kHz），但人耳對噪聲和失真極為敏感，因此音頻器件追求的是 高動態范圍、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：
極高的過采樣率（64×、128×、256×）
噪聲整形把量化噪聲推到超聲波區域
內置數字抽取 / 插值濾波器
對模擬前端要求較低（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 動態范圍、384kHz 采樣率
Σ-Δ 的本質是： 👉 拿高頻數字換取低頻高精度。 這使得音頻領域可以用通用 CMOS 工藝實現高性能、低成本的 ADC/DAC。
1.2 通用 ADC/DAC：架構根據應用而異
通用 ADC/DAC 要面對的信號從毫伏級直流到百 MHz 高頻信號，因此架構高度多樣化：
● SAR（逐次逼近）ADC
常見于 MCU 內置 ADC、數據采集卡
快速（幾十 kSPS ~ 數 MSPS）
固定延遲、無過采樣
精度一般 10~16bit 適合直流測量、控制場景
● Pipeline / Flash ADC
用于高速應用（視頻、雷達、射頻）
采樣率可達幾十到幾百 MSPS
精度 8~14bit 適合高速瞬態信號
● 精密 Σ-Δ ADC（如 ADS1115）
雖然也是 Σ-Δ，但與音頻完全不同：
優化在直流精度
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 面向的是測量儀表與傳感器系統，而非音頻。
2. 應用目標：音頻追求“聽起來好”，通用 ADC 追求“測得準” 2.1 音頻器件的關注點
音頻領域的終極目標只有一句： 👉 還原聲音，聽起來要好聽。
因此指標通常是：
THD+N（失真噪聲）
動態范圍（SNR/DR）
通帶平坦度 ±0.1dB
通道分離度
時鐘抖動（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（強調動態性能，不強調絕對精度）
并且音頻器件通常不關心直流精度，因為前端多為 AC 耦合，高通去直流偏移。
2.2 通用 ADC/DAC 關注的則是工程測量精度
例如 ADS1115、MCP4921：
典型關注點是：
INL/DNL（線性誤差）
絕對電壓誤差、參考電壓誤差
溫漂
長期穩定性
共模抑制、差分測量能力
更新速度與信號保持能力
這些指標關系到：
工控系統能否穩定閉環控制
傳感器測量是否偏移
儀表設備能否維持多年一致性
你可以簡單地記住： ▶ 音頻 ADC/DAC = 波形不失真 ▶ 通用 ADC/DAC = 數字量準確無誤
兩者評價體系完全不同。
3. 采樣特性：音頻是標準化的固定采樣率，通用 ADC 則從 Hz 到 GHz 都有 3.1 音頻設備采樣率“標準化”
音頻行業固定是這些采樣率：
44.1kHz（CD）
48kHz（專業音頻/視頻）
96kHz、192kHz（高解析度音頻）
音頻 ADC（如 PCM1808）通常支持：
8kHz～96kHz 新型號可支持更高（192kHz 以上）
內部 OSR 通常是：
64×
128×
256×
音頻 DAC 內部插值會將信號推到 MHz 級的調制頻率，然后再模擬濾波輸出。
音頻 ADC/DAC = 中速、高過采樣、音頻帶內優化。
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
高速 Pipeline/Flash 數十 MHz ~ 數百 MHz 8~14 bit 視頻ADC
專用高速 DAC 至數百 MHz 通信用 DAC
音頻 ADC/DAC 不能用于高速采樣系統（帶寬有限）。 而高速 ADC 用來采集音頻雖然能工作，但：
噪聲高
頻響不平坦
失真大 不會有好的音質。
4. 前端/后端電路設計的根本差別 4.1 音頻 ADC 前端：低噪聲運放 + 抗混疊濾波
常見前端運放：
NE5532
OPA2134
TL072
特點：
低噪聲
低 THD
大帶寬
穩態交流信號優化
模擬濾波器：
多為一階 RC 或二階有源低通
截止頻率約 22kHz～30kHz
只需削減超過奈奎斯特頻率的高頻
音頻 ADC 前端的目標只有一個： 👉 不破壞音質，不引入可聞噪聲或失真
4.2 通用 ADC 前端：信號調理能力更強
常見前端模塊可能包括：
儀表放大器（INA 系列）
差分放大器
可編程增益放大器
保護電路（TVS、限流）
RC/多階抗混疊濾波器
緩沖運放（驅動 SAR 采樣電容）
前端典型任務：
抑制共模干擾
放大微伏級信號
保持精確線性
溫漂小、零點偏移可校準
通用 ADC 的前端是“測量級”的，而非“音質級”的。
4.3 音頻 DAC 后端：必須做重構低通濾波
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
必要時加入線路驅動器（推耳機或功放）
4.4 通用 DAC 后端：視應用選配
若輸出 DC 電平：只需 RC 去毛刺
若驅動負載：加緩沖運放
若輸出波形：加帶通/低通濾波與射頻放大器
通用 DAC 不關注音質，而關注輸出電壓是否“準確、穩定”。
5. 典型器件對比（最直觀） 5.1 PCM1808（音頻ADC） vs ADS1115（通用ADC）
參數 PCM1808 ADS1115
架構 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
動態性能 SNR 99dB、THD+N –93dB 直流精度高，分辨率真實接近 15bit
前端要求 AC耦合、音頻運放 可測直流、小信號、差分輸入
應用 音頻采集 傳感器測量、電壓采樣
5.2 PCM5102A（音頻DAC） vs MCP4921（通用DAC）
