音頻專用 ADC/DAC 與通用 ADC/DAC 的本質區別

——從架構、性能到前後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、採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/後端電路設計四個維度説明兩類器件的核心區別，並通過常見型號（如 PCM1808 vs ADS1115、PCM5102A vs MCP4921）直觀展示這些差別。

1. 架構層面：為什麼音頻幾乎清一色採用 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 高動態範圍、低失真、線性頻響。

因此，幾乎所有音頻 ADC 和 DAC 都採用 Σ-Δ 架構：

• 極高的過採樣率（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 動態範圍、384kHz 採樣率

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

常見於 MCU 內置 ADC、數據採集卡

• 快速（幾十 kSPS ~ 數 MSPS）
• 固定延遲、無過採樣
• 精度一般 10~16bit
  適合直流測量、控制場景

● Pipeline / Flash ADC

用於高速應用（視頻、雷達、射頻）

• 採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
• 採樣速率極低（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）
• 動態範圍（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）

並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
• 温漂
• 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

這些指標關係到：

• 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. 採樣特性：音頻是標準化的固定採樣率，通用 ADC 則從 Hz 到 GHz 都有

3.1 音頻設備採樣率“標準化”

音頻行業固定是這些採樣率：

• 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 級的調製頻率，然後再模擬濾波輸出。

音頻 ADC/DAC = 中速、高過採樣、音頻帶內優化。

3.2 通用 ADC/DAC 的採樣率是廣譜式的

通用 ADC/DAC 的採樣跨度非常大：

音頻 ADC/DAC 不能用於高速採樣系統（帶寬有限）。
而高速 ADC 用來採集音頻雖然能工作，但：

• 噪聲高
• 頻響不平坦
• 失真大
  不會有好的音質。

4. 前端/後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
• 緩衝運放（驅動 SAR 採樣電容）

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
• 温漂小、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 後端：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 後端：視應用選配

• 若輸出 DC 電平：只需 RC 去毛刺
• 若驅動負載：加緩衝運放
• 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）

5.2 PCM5102A（音頻DAC） vs MCP4921（通用DAC）

音頻器件的動態性能遠高於通用 DAC，但通用 DAC 的絕對精度、響應速度、通用性更強。

6. 總結：為什麼不能互換？

✔ 音頻 ADC/DAC

• 優化方向：20Hz–20kHz 內的動態性能與聽感
• 不關注絕對電壓精度
• 前後端圍繞音頻信號優化
• 採樣率固定標準化

✔ 通用 ADC/DAC

• 優化方向：直流精度、線性度、温漂、速度
• 對帶寬、輸入量程適應性廣
• 採樣率範圍極大
• 更多用於測量與控制系統

❌ 通用 ADC 替換音頻 ADC？

不行。

• 頻響不平坦
• 沒有音頻濾波
• THD+N 極差
• 聽感糟糕

❌ 音頻 ADC 替換精密 ADC？

也不行。

• AC 耦合、高通濾波
• 無法測直流
• 量化噪聲整形會干擾低頻
• 數據延遲大（濾波導致）

📌 工程師選型建議

如果你做的是音頻系統：

• 選音頻專用 ADC/DAC 或音頻 Codec
• 用音頻運放（NE5532、OPA2134 等）
• 使用標準 I²S 接口
• 佈局時注意模擬地、電源噪聲、時鐘抖動

如果你做的是測量控制系統：

• 低頻高精度測量：選精密 Σ-Δ（如 ADS1115、ADS1220）
• 高頻採樣：選 SAR / Pipeline
• 要求輸出直流精度：選通用 DAC（如 MCP4921、DAC70501 等）

🏁 結語

音頻專用 ADC/DAC 與通用 ADC/DAC 並非“誰更好”，而是為截然不同的目標而生：

• 音頻追求聲音藝術
• 通用 ADC/DAC 追求工程精度

理解兩者在架構與應用上的差異，是工程師正確選型與設計的關鍵。希望本文能幫助你在未來的音頻項目或測量項目中做出更合適的器件選擇。