Posts Tagged IIS

При проектировании ЦАП формата CD-DA максимально возможного качества постает проблема выбора собственно микросхемы цифро-аналогового преобразователя, из монолитных параллельных приборов выбор сводится всего к трем микросхемам по одной от каждого производителя AD1862, TDA1541(A), PCM58(PCM1701), остальные варианты так или иначе хуже.

Сердцем данной конструкции является ЦАП фирмы Филипс TDA1541(A) разработанной в далеком 1985году, данная микросхема редкий пример инженерной мысли, когда малый шум (-120дб) прекрасная интегральная, дифференциальная линейность, малый глитч обеспечиваются схемотехнически (динамическое усреднение тока, DEM автор Rudy J. Van de Plassche, 1976год!) а не технологически. Также шум и глитч слабо зависят от уровня сигнала (в отличии от славно известных PCM63,PCM1702,PCM1704) что есть очень хорошо ибо любые коррелированные с входным сигналом помехи или искажения прекрасно распознаются слухом как грязь или окрас. Но этот ЦАП имеет определенные особенности при невыполнении которых звука не будет

• -15в и +5в(!) аналоговое питание, должно быть хорошо организовано, исключено влияния нагрузки на стабилизаторы, малый шум стабилизаторов, качественные электролиты.
• -5в цифровое питание (ЭСЛ), должно быть хорошо изолированно от аналоговых.
• Конденсаторы DEM (pin 7-13, 18-24) должны быть емкостью не меньше 0,47мкФ (1-10мкф) с минимальным ESR, ESL, утечкой и физическими размерами, оптимально размещенные под корпусом 1206 X7R или 1206 Panasonic ECPU. Можно использовать конденсаторы разной емкости, для 9,11,13,18,20,22 ножек большей (частота которую нужно фильтровать 100кГц), для 7,8,10,12,19,21,23,24 ножек меньшей емкости (частота которую нужно фильтровать 200кГц).
• Большой выходный ток +-2ма относительно -2ма хорош при применении ОУ с ТОС (меньше искажения, шире полоса), вых. ток втекает через 6,25 ножку, проходит через ключи ЦАП и вытекает через 28 ножку.
• Напряжение на выходе 1541 (ножки 6,25) должно быть не больше +-10…25мв (входное сопротивление преобразователя Т/Н не более 6 Ом в широкой полосе частот).
• При использовании преобразователя Т/Н на резисторе (сопротивлением не больше 30 Ом обязательно нужно компенсировать начальное смещение TDA1541 в – 2ма, иначе будут большие квадратичные искажения.
• И TDA1541 и TDA1541A нужен конденсатор (pin 16-17) емкостью оптимально 430пф (для ЧД 44,1кГц) для нормального функционирования DEM.

Часто негативное отношение к применению ЦФ обусловлено тем, что действительно качественных ЦФ для формата CD-DA не так много, это приборы SM5842, SM5847, SM5846, SM5845(единственный адаптивный), PMD100(с поддержкой HDCD), CXD1144BP, CXD1244S, CXD2567M. 16 битовый выход из них имеют только три PMD100, CXD1144BP, CXD1244S, но PMD100 не подходит(без применения ПЛИС) из за слишком высокой частоты данных на выходном порту 11,2896Мгц а максимум для TDA1541(A) составляет 6,4Мгц, поэтому был выбран CXD1244S из за наличия Noise Shaping 1-го порядка, Digital Offset, прекрасных ТТХ (Passband ripple +-0.00001 db, Stopband attenuation 100 db, Multiplier 20*26 bit, Accumulator 45 bit, Lenght 213 tap) и звучания.

Данный ЦФ работает с TDA1541(A) в режиме с 4х кратной передискретизацией, шумоформированием первого порядка и смещением в 1/96 шкалы.

Теоретическое отношение С/Ш для CXD1244S+TDA1541(A) составляет:
SNR=6.02*16 +1.76 + 6 + 8.4 =112.48дб , что эквивалентно 18 разрядному кодированию.

Структура ЦАП:
ЦФ -> гальваническая развязка -> ТГ+пересинхронизация -> ЦАП -> Т/Н+ФНЧ.

Схема изображена на рис. 1

Одна из главных задач при построении ЦАП это минимизация помех, поэтому применение ПЛИС (если не ставится задача состыковать по форматам микросхемы) не уместно. При использовании многослойных печатных плат верхний слой надо полностью отдать под землю что обеспечит хорошее экранирование иначе заниматься многослойными ПП не имеет никакого смысла, также следует минимизировать размер ПП и делать всю конструкцию как можно компактнее. В качестве гальванической развязки использованы доступные ADuM1401. Тактовый генератор собран на основе быстродействующего компаратора (AD8611,TL3016) и кварцевого генератора, обеспечивает хорошую стабильность при низком влиянии питания, доступность и небольшую стоимость. Конденсаторы по 100пф параллельно входному порту TDA1541(A) совместно с резисторами 51ом составляют ФНЧ предотвращающий прямое прохождение вч помех через подложку микросхемы на выход устройства.

Т/Н и ФНЧ в отличии от других конструкций здесь представляет один совмещенный каскад. Общее усиление данного каскада частотнозависимо и перераспределяется между общей обратной связью и местной обратной связью во входном каскаде, это дает увеличение перегрузочной способности входного каскада с ростом частоты и отсутствии ооос на вч и связанных проблем с устойчивостью и вч мусором в петле. ФНЧ на НЧ находится в петле оос поэтому качество единственного резистора ФНЧ не столь важно. Единственная плата за эти преимущества это уменьшенная линейность на вч звукового диапазона, но с реальным уровнем вч составляющих это не проблема. Частота среза данного ФНЧ с стабильным ГВЗ 22 или 27кгц. Конденсатор шунтирующий инвертирующий вход AD844 нужен для обеспечения низкого входного сопротивления Т/Н на вч и соответственно динамической линейности системы ЦАП->Т/Н в целом. Качество резистора оос Т/Н очень важно, рекомендовано использование угольных композитных Riken Ohm, Ohmite Little Demon или Ohmite Little Rebel, Allen Bradley, С1-4 либо танталовых. Угольные обязательно должны пройти ЭТТ. С помощью стабилизированных 15в, резистора 4,3кОм, триммера 5кОм и конденсатора 4,7мкф организован ГСТ для компенсации начального смещения выходного тока TDA1541(A) и компенсации цифрового смещения ЦФ в 1/96 шкалы . Триммером выставляется «ноль» на выходе устройства.

Питание организовано по принципу «каждому потребителю свое». В цифровой части использованы стабилизаторы 78L05. Питание аналоговой части собрано с применением широко известных стабилизаторов LM317/337, имеющих малый шум (<40мкв), хорошее подавление пульсаций и большую мощность. После стабилизаторов стоят C-R-C фильтра которые отвязывают нагрузку от стабилизатора, что обеспечивает в отличии от «классики» отсутствие непрерывного коррелированного с сигналом переходного процесса в стабилизаторе (и соответствующие влияние на звук) и практически отсутствие шумов (частота среза данного ФНЧ 16Гц). На вводе питания в плату ЦАПа, перед стабилизаторами стоят ФНЧ 10ом – 470мкф с частотой среза в 35Гц фильтрующие помехи наводящиеся на кабель подключения питания, и от работы БП с фильтром емкостного типа. Первичные стабилизаторы не используются, так как это лишено любого смысла.

Схема рекомендованного БП изображена на рис. 2

БП с фильтром емкостного типа для питания высококачественной аппаратуры строго не рекомендуется по причине больших помех от подзарядки конденсатора фильтра и насыщения трансформатора. В идеале ток зарядки представляет собой нечто похожее на дельта импульс (очень крутой фронт – очень широкий спектр помех), в реальности все чуть менее страшно из за ESR ESL конденсаторов, сопротивления проводов, индуктивности рассеяния трансформатора, сопротивление проводов обмотки. С такими электрическими и электромагнитными помехами не справится никакой стабилизатор поэтому для питания аппаратуры следует использовать не C а RC или LC фильтра. Применение RC или LC фильтра решает эту проблему, заряд конденсатора происходит медленнее а значит спектр помехи получается низкочастотным и хорошо давится последующими конденсаторами и стабилизаторами. К сведению диод с включенным последовательно резистором (рис.2) фактически эмулирует прямонакальный кенотрон (у которого есть ток насыщения), одна из причин хорошего «звучания» оного как раз и является меньшее количество помех при работе на C фильтр. Звуковые качества резисторов и конденсаторов в данном БП не имеют никакого значения.

В цифровой части устройства допустимо применять низкоимпедансные электролитические конденсаторы Sanyo Oscon, Panasonic FC,FM шунтированные NP0 10-100нф . В аналоговой части допустимо применять электролитические конденсаторы Nichicon KZ или Panasonic PZ (Pureism) на 100-470мкф 16-25в и Nichicon FX,FW,KW 10000мкф 16в шунтированные непосредственно под корпусами микросхем NP0 0,1мкф Murata GRM31. Электролитические конденсаторы в аналоговых цепях должны пройти электротренировку под поляризующим напряжением, током в половину номинального частотой 0-30кГц. Конденсаторы с диэлектриком NP0 в аналоговых цепях субъективно обеспечивают лучшее качество, нежели фольговый полипропилен/полистирол и лучшие объективные данные (значительно меньший ESR, ESL и физический размер). Конденсаторы фильтров DEM использованы 4,7мкф X7R Murata GRM32 обеспечивающие эффективное подавление пульсаций работы DEM ячеек.

Литература:

1. “Dynamic Element Matching for High-Accuracy Monolithic D/A Converters” RUDY J. VAN DE PLASSCHE. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. SC-11, NO. 6, DECEMBER 1976
2. “A Monolithic 14-Bit D/A Converter” RUDY J. VAN DE PLASSCHE and DICK GOEDHARD. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. SC-14, NO. 3, JUNE 1979
3. “A Monolithic Dual 16-Bit D/A Converter” HANS J. SCHOUWENAARS, EISE CAREL DIJKMANS, BEN M. J. KUP and ED J. M. VAN TUIJL. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. SC-21, NO. 3, JUNE 1986
4. M. Hawksford “Current-steering transimpedance amplifiers for high-resolution digital-to-analogue converters”, 109th AES Convention, Los Angeles,September 2000
5. “The Use of Current Amplifiers for High Performance Voltage Applications” PHILLIP E. ALLEN and MICHAEL B. TERRY. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. SC-15, NO. 2, APRIL 1980
6. “Evolution of High-Speed Operational Amplifier Architectures” Doug Smith, Mike Keen, and Arthur F. Witulski. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 29, NO. 10, OCTOBER 1994
7. “A Low-Power, High-Speed, Current-Feedback Op-Amp with a Novel Class AB High Current Output Stage” Jim Bales. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 32, NO. 9, SEPTEMBER 1997
8. И.Достал “Операционные усилители” Москва “Мир” 1982р.
9. Марцинкявичюс, Багданскис “Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров” Москва 1988р.
10. “Measurement Techniques for Digital Audio” Julian Dunn. Audio Precision Application Note 5, 2003.

(с) 2008г. Штыбель Назар aka Nazar

Обсуждение на форуме

Обсуждение на Веге

DAC Overture v3.0

"Прямо или косвенно, но все вопросы, связанные со звуком, должны решаться ухом как органом слуха: оспаривать заключения, которые даются ухом уже не приходится" лорд Рэлей (Дж. У. Стретт)

Новая версия цапа на легендарной микросхеме TDA1541A, в качестве ЦФ используется прекрасный прибор CXD1244S, вместо дискретного и/у используется монолитный, но с той же идеологией но меншими искажениями и с ФНЧ 2го порядка. Питание осуществляется через малошумящие стабилизаторы M5230L с использованием развязывающих C-R-C фильтров.

bom

Схема БП

Обсуждение на форуме

Следующая версия данного цапа

"Прямо или косвенно, но все вопросы, связанные со звуком, должны решаться ухом как органом слуха: оспаривать заключения, которые даются ухом уже не приходится" лорд Рэлей (Дж. У. Стретт)