音频“解码器”中最核心、最重要的器件就是“DAC”(数模转换)芯片。人们经常关注音频DAC芯片的选择，也热衷于讨论它的优缺点。

本文试图简要介绍目前最好的高端音频DAC芯片的结构、技术和性能，并对其进行排名，以供参考。

然而，任何高质量的音频DAC芯片(无论排名如何)都可以获得良好的声音。想必，我们需要客观地了解DAC芯片的重要性，更重要的是了解芯片整体协调的重要性。因此，本文并不提倡唯“核心”主义。

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音频DAC芯片的类型

20世纪70年代，单片集成电路(IC) DAC问世，开启了DAC芯片时代。最早的DAC芯片是从双极晶体管开始的，这是一种使用加权电阻的结构。

1975年8位DAC芯片DAC08，来自《The Data Conversion Handbook》,ANALOG DEVICES, 2005

1)分压式

在音频应用中，传统的技术是采用部分电压结构(R-2R是部分电压的特例)，多比特(并行输入)PCM(脉冲编码调制)数据格式，为了提高精度和提高速度，降低功耗，工艺上逐渐采用互补双极管、薄膜电阻加激光校正以及现在的CMOS电路。这些芯片的著名例子包括Burr-Brown的R-2R架构(2000年被德州仪器收购):

PCM63:支持20bit /96kHz PCM音频信号，动态范围108dB;

PCM1702: 1995年推出，20位，动态范围110dB;

PCM1704: 1999年推出，24位，动态范围112dB。

这些芯片采用了具体的措施来提高性能，如“符号-幅度”架构、小差分、接近零的互补DAC电路以产生绝对电流、激光校正电阻以及其他措施来减少过零失真和差分误差。

R-2R DAC芯片PCM1704，编号《PCM1704 24-Bit, Datasheet》,Burr-Brown Corporation, 1999年2月

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TDA1541/TDA1541A: 16位，分别于1985年和1991年推出，信噪比为95dB和110dB，采用10位+6位分压器，其中低6位采用3位2位进行旋转，实现动态元件自适应(DEM)功能，减少失真。根据从高到低的差分线性误差，TDA1541A也分为/N2/R1、/N2和/N2/S1。

TDA1547: 1991年推出，1位(支持20位PCM信号)，信噪比113dB，动态范围108dB，需要配合SAA7350数字流电路使用。分离芯片的布局和独立通道的设计具有良好的通道分离度(115dB)，通过切换电容分压网络进行数模转换，非常适合当时高端CD播放机等设备的使用。

数字流DAC芯片TDA1547框图，来自飞利浦半导体《TDA1547 Datasheet》,1991年9月

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更好的性能(更大的动态范围，更少的噪音和失真)和更多的音频DAC芯片使用多位Sigma Delta调制器。有些是著名的：

AD1955, Analog Devices (AD);西锐逻辑(CL)的CS43xx系列，欧胜半导体(2014年被西锐逻辑收购)的WM87xx系列，德州仪器(TI)的PCM179x和DSD179x系列，ESS公司SABRE SOUND技术品牌下的ES90xx和ES90xxPRO系列，日本旭成微器件(AKM)公司，2007年世界上第一个32位AK4397，以及后来AK44xx系列下的VELVET SOUND技术品牌，等等。

今天，ESS, AKM, Cirrus Logic和Texas Instrument等公司是高端音频DAC芯片的领先供应商。

3) FPGA/CPLD

随着芯片技术的发展，实现DAC功能的选择越来越多。根据设计人员的需要，可采用FPGA(现场可编程门阵列)或CPLD(复杂可编程逻辑器件)来实现DAC功能。这种设备的主要制造商是美国的Xilinx和Intel(被收购的Altera)。

主流芯片

由于技术限制，R-2R DAC芯片难以进一步提高其性能。采用FPGA或CPLD实现DAC的技术细节并不统一。而采用Sigma-Delta技术的芯片具有动态范围大、噪声低、CMOS电路成本低以及易于在芯片上添加其他处理功能等优点。是目前音响市场也是高端音响市场的主流芯片。

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芯片组成

音频DAC芯片由以下形式组成：

1)基本DAC

音频DAC芯片最基本的功能部件是接收各种格式(DSD或PCM)音频信号的多路复用器、过采样器和数字滤波器、调制器和数模转换输出等。AKM AK4499, AK4497和德州仪器DSD1794芯片是这样构建的，如下图所示：

DAC芯片基本组成

这种芯片需要与外部数字音频接收器芯片一起使用，以接收SPDIF(索尼飞利浦数字接口或索尼飞利浦数字互连格式)/AES(美国音响工程协会)/EBU(欧洲广播联盟)等标准下的串行音频数据。卷云逻辑公司的CS8416是一款典型的数字音频接收芯片。

数字音频接收器芯片CS8416框图，来自07555 -79000,Cirrus Logic, Inc。07年8月。

2)带有数字音频接收器

有些芯片将数字音频接收器集成到同一个DAC芯片中，如ESS的ES9038PRO和ES9028PRO，它们集成了SPDIF功能块。这样，采用更高程度的SoC(片上解决方案)设计的好处不仅可以减少芯片数量、减少电路板占用面积、减少外界干扰、降低功耗等，更重要的是可以更方便地实现数据处理的一些技术手段。

带有SPDIF接收器的DAC芯片

SPDIF数字音频接收机设置比较

3)独立调制和独立数模转换

芯片，如AKM的AK4191，尚未推出，是一个独立的64位调制器，支持高达1536kHz采样频率的DSD1024和PCM信号。可与AK4498独立数模转换芯片配合使用，实现高密度音频回放。

4)芯片解决方案(SoC)

Cirrus Logic CS43131、CS43198等芯片在基本DAC模块后加装模拟滤波器，可直接输出模拟信号。如ESS ES9219、ES9080、AKM AK4377A等，配高功率模拟放大器，可直接连接耳机；例如ESS的ES9038Q2M就采用了低功耗设计。SoC设计简化了整机的组成和材料，减小了体积，降低了成本。这些芯片是面向应用的，例如用于移动电话或移动设备。

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技术手段

目前，几乎所有高端音频DAC芯片都采用性能良好的多位Sigma-Delta调制器，并采用过采样、数字滤波、噪声整形、动态元自适应(DEM)等技术。此外，每个制造商都开发了自己的技术，以进一步提高芯片的整体性能。

1)异步采样率转换(ASRC)技术

传统芯片采用锁相环技术跟踪音频时钟。下图是一个典型的锁相环电路原理图。锁相环本质上是一种反馈电路，用于跟踪时钟输入信号的变化。

传统锁相环电路原理图，复制自Cirrus Logic公司。07年8月，《CS8416 Datasheet》。

通过精心的设计和元件选择，锁相环可以实现良好的时钟跟踪性能，并将抖动控制在很小的水平上。但是，锁相环电路的性能容易受到信号质量、传输线质量、设备、干扰和速度的影响，在高速下性能受到限制。

ESS公司采用异步采样率转换技术。经过适当的计算，DAC时钟与音频信号时钟一致，但与瞬态变化分离。芯片使用本地产生的时钟信号。降低对前端信号质量、连接线缆、设备等的要求。ESS Sabre DAC的SPDIF接口可以实现较宽的抖动容限。

Sabre DAC的抖动消除电路原理图，来自AMM ESS, 2011年10月；

芯片时钟源比较

2)超流调制器

ESS的低阶调制器，称为HyperStream调制器，使调制深度接近100%，并保持调制器稳定，从而减少了Sigma-Delta DAC的瞬态(频域)非线性和噪声。

3) OSR加倍器

Sigma-Delta dac使用过采样技术来扩大动态范围，并使用噪声整形来降低带内噪声。早期DAC芯片的过采样频率仍处于较低水平，如标准音频采样频率的4-16倍，但目前的芯片可以实现更高的频率，进一步提高DAC的性能。日本AKM公司在数字滤波中使用OSR加倍器，增加输入信号的范围，同时降低带内噪声，降低功耗。其高端DAC芯片，如AK4490，可以达到256倍的过采样。

4)分段DAC

根据高低数字信号的位置和功能进行分段，在目的地分别处理，可以提高DAC的性能。德州仪器在PCM179x和DSD179x系列芯片中采用了这种称为高级分段DAC的技术，以增加动态范围并提高抖动容忍度。

德州仪器“先进分段DAC”的原理图，来自德州仪器《CS8416 Datasheet》,2006年11月

5)其他技术

为了尽可能提高音频DAC芯片的性能，厂商会采用其他技术，如数据加权平均(DWA)、增益校正和失真补偿、参考电压校正、电流输出、低输出阻抗、差分互补输出、外部数字滤波、低噪声线性电源等。这些技术多种多样，有些是保密的，因此很难一一列出和描述。

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高端音频DAC芯片排名

高端音频DAC芯片排名：

注：动态范围数据为各厂家公布的各对应芯片的最大值。该排名不包括面向应用的芯片(如那些包含模拟放大器soc的芯片)、独立调制器、独立数模转换器和停产芯片。

ESS ES9038PRO是目前业界参数指数最高的芯片之一，在芯片上集成了SPDIF接口。它采用采样率异步转换技术的抖动消除电路，并与前端传输抖动解耦，具有很大的抖动容忍度。获得专利的HyperStream调制器使Sigma Delta调制器能够克服一些非常线性的频域瞬变，以及畸变校正、8通道可切换差分DAC、专用超低噪声线性电源(ES9311Q)等其他技术。作为性能最好的芯片，它有很多优点。

ESS旗舰ES9038PRO的框图，从《About Jitter》,ESS 2019年3月5日

AKM公司的新旗舰产品AK4499是阵列中引脚最多、价格最贵的芯片。它的动态范围也达到了业界最高(与ES9038PRO相当)，但它没有自带SPDIF接口，所以在同等条件下综合性能指标应该略低于单芯片。AK4499是一个4通道DAC，比ES9038PRO小。DSD支持最高可达DSD512，也低于ES9038PRO的DSD1024。

大多数Pin AKM的新旗舰AK4499，从《DSD1794A Datasheet》,AsahiKASEI, 2019/02

ES9028PRO与ES9038PRO几乎是相同的芯片(包括功能、芯片封装和引脚)。只发现两个差异：一是输出阻抗大于ES9038PRO;动态范围、失真、噪声等指标均比ES9038PRO低一级。没有证据表明在同等条件下，整体指标是否会高于AK4499(增加SPDIF接口等)，但略低于旗舰芯片。

ES9008和ES9018也是32位8通道芯片，也采用异步采样率转换，是当时性能最高的芯片之一，但ESS SABRE SOUND品牌发布的早期芯片也使用了早期的HyperStream调制技术。整体性能低于ES9028PRO。

AK4497是AKM公司最新的旗舰芯片，久负盛名的芯片，2通道DAC，所有参数性能优异，还支持32位/768kHz和DSD512音频信号，各项指标略低于新旗舰AK4499。

曾经著名的1794 (PCM1972, PCM1794, DSD1792, DSD1794)，是德州仪器(收购Burr-Brown, BB)最著名的芯片(家族)之一，采用专有的ADVANCED分段调制技术。虽然它推出的时间较早，但它仍然是一款性能指标不错的芯片。它的缺点是采用24位芯片，支持频率有限。出于这个原因，它可能应该向后排列，但如果您不想要太多的音乐信号(例如32位PCM)，它仍然是一个很好的芯片。

CS4399和AD1955分别是来自Cirrus Logic和AnalogDevices的最高端的音频DAC芯片。AD1955更早，但CS4399是最近几年的。WM8740、WM8741和WM8742是由欧胜半导体(卷云逻辑旗下)生产的芯片，其中WM8741性能最好。AKM的AK4490曾经是最畅销的芯片，它的替代品AK4493和其他后来的型号性能更好；ESS的ES9026PRO和ES9016分别低于ES9038PRO和ES9018。Sabre9006AS是早期ES9006芯片的替代品。PCM1795是德州仪器为数不多的32位音频DAC芯片之一。与PCM1796和PCM1798一样，PCM1795的性能低于PCM1794和PCM1792。

排名靠后的芯片基本上是每家公司的旗舰或最高端的芯片，较低层次的产品，或时间较早的核心产品，与每家旗舰相比，性能指标较好，性价比更好。

从另一个角度来看排名。

价格排名：

注：价格指数为各芯片在当前官方销售渠道的售价除以最低价得到。

按发行/上市时间排名：

注：以各厂家官方商务文件及其他官方资料提供的信息为准；芯片WM8740/41/42的发布/发布日期不确定。

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总结

ESS和AKM具有明显的优势，因为它们的芯片推出较晚，技术相对较新。排名不等于声音的好坏，每个人对声音的判断和标准都会有自己的理解。任何好的芯片都有可能发出令人兴奋的声音；同样，任何好的芯片，也可能受到机器中其他元件的限制而不能发挥其应有的性能，比如120dB的动态范围，外围电路要能够达到这种性能是不容易的。高端音频DAC解码芯片技术复杂多样，遗漏和错误在所难免，欢迎指正和补充。

V2.0, 2021年3月2日

参考资料：

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2. Technical Details of the Sabre Audio DAC, Martin Mallinson and Dustin Forman, ESS Technology Technical Staff;

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22. AK4490 Premium 32-Bit 2ch DAC, AsahiKASEI, 2014/11;

23. AK4492 Quality Oriented 32-Bit 2ch DAC, AsahiKASEI, 2016/12;

24. AK4493 Quality Oriented 32-Bit 2ch DAC, AsahiKASEI, 2017/12;

25. AK4495S/95 Quality-oriented Premium 32-Bit 2ch DAC, AsahiKASEI, 2014/04;

26. AK4497 Quality Oriented 32-Bit 2ch DAC, AsahiKASEI, 2016/05;

27. AK4498 Quality Oriented Multi-bit Stereo DAC, AsahiKASEI, 2018/12;

28. AK4499 Premium Switched Resistor 4ch DAC, AsahiKASEI, 2019/02;

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CS43198 130-dB，带伪差分输出的32位高性能DAC, Cirrus Logic, Inc。10月的17个；

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