Высококачественный модуль ЦАП на гибридной ИМС

В статье описывается ЦАП, выполненный на ле­гендарном гибридном ЦАП D20400 фирмы UltraAnalog.Внешний вид ЦАП D20400 показан на рис.1. В полипропиленовый корпус размерами 76×50 мм помещена печатная плата с элементами собствен­но ЦАП, формирователя всех служебных сигналов на заказной масочной ПЛМ, устройства выборки-хранения и источника опорного напряжения.

Функциональная схема D20400

Преобразователь построен по, так называемой, «гибридной составной» схеме (рис.2). В основе её лежит высоколинейное преобразование младших разрядов с помощью монолитного ЦАП с неболь­шой разрядностью, гарантированной монотонно­стью на всей шкале и дифференциальной нели­нейностью не хуже 0,25…0,5 младшего значащего разряда (МЗР), и преобразование старших разря­дов в дискретном ЦАП, выполненном на КМОП ключах и прецизионной резисторной матрице. В качестве ЦАП двенадцати младших разрядов в D20400 используется монолитный КМОП прибор DAC7541 (AD7541A), обеспечивающий монотон­ность 14 разрядов и дифференциальную нелиней­ность не хуже 0,5 М3Р. Старшие 6 разрядов пре­образует дискретный ЦАП на КМОП ключах 4051 и резисторной матрице, калибруемой при завод­ской настройке.

Все сигналы управления, как ЦАП младших раз­рядов, так и ключей старших разрядов, формируют­ся заказной ПЛМ. Она же осуществляет преобразо­вание форматов входных данных, инвертирование сигнала независимо по каналам (например, для дифференциального включения модуля) и т.п. вспо­могательные функции.

Шкалу выходного аналогового сигнала задает прецизионный малошумящий ИОН, причем один на оба канала, что гарантирует высокую степень иден­тичности выходных напряжений. Более того, с той же целью оба канала используют единую резистор­ную матрицу, задающую веса старших разрядов. Эти меры позволили свести к минимуму взаимный дрейф каналов, как от изменения температуры, так и от естественного старения элементов.

К сожалению, при всех достоинствах на малых частотах преобразования, такая структура не поз­воляет непосредственно работать при периодах преобразования менее 1…2 мс, в связи с тем, что даже при тщательном подборе и согласовании временных диаграмм работы ключей старших разрядов и ЦАП МЗР, энергия глитча будет доста­точно велика. Для решения данной проблемы на выходе ЦАП разработчики D20400 применили ус­тройство выборки-хранения (УВХ), причем момент выборки может быть задан произвольно, так как ключи УВХ имеют отдельные независимые входы управления. Поскольку от качества ключей, в ос­новном от их апертурной неопределенности, за­висит величина эквивалентного джиттера преоб­разования, то в УВХ применены МДП ключи SD540x фирмы Calogic, обеспечивающие время распространения сигнала в канале ключевого транзистора менее 600 пс и собственную апертур­ную неопределенность менее 0,8 пс, и прецизион­ные ОУ. Питание обоих каналов D20400 — объеди­ненное, при этом развязка между каналами составляет более 98 дБ на частоте 10 кГц. Прибор имеет выход по напряжению, причем полной шка­ле преобразования соответствует амплитуда на­пряжения на выходе ±5 В. От всех источников пи­тания D20400 потребляет суммарную мощность около 1,7… 1,8 Вт.

Структурная схема модуля ЦАП

Для реализации функционально законченного модуля цифроаналогового преобразователя была выбрана хорошо известная и прекрасно себя за­рекомендовавшая структурная схема, показанная на рис.3.

Схема ВИ (входного интерфейса) согласует ло­гические уровни цифровых устройств модуля с ло­гическими уровнями внешних устройств и обеспе­чивает заданный уровень помехозащищенности интерфейса модуля ЦАП и источника звукового потока. При передаче данных на небольшие расстояния (до 20…30 см) интерфейс может быть стандартным ТТЛ/КМОП, при больших расстояни­ях передачи желательно, а зачастую и обязатель­но, применение дифференциальных интерфейсов типа RS422/RS485, LVDS, ECL.

ЦФ (цифровой интерполирующий фильтр) яв­ляется обязательным устройством звуковых ЦАП при работе с частотами дискретизации, близкими к удвоенной верхней частоте звукового спектра, т.е. 44,1 и 48 кГц. Применение ЦФ с многократной (4- или 8-кратной) передискретизацией смещает спектр продуктов дискретизации в область частот выше 100 кГц и позволяет существенно снизить требования к восстанавливающему аналоговому фильтру как по коэффициенту прямоугольности, так и по величине затухания в полосе подавления, по крайней мере, в области, близкой к частоте среза ФНЧ. Качество ЦФ, т.е. его порядок, количест­во отводов, разрядность вычислений, алгоритм округления выходных данных до разрядности ЦАП во многом определяют итоговое качество звуча­ния устройства, оснащенного ЦФ.

Контроллер тайминга и синхронизации (КТ) обеспечивает оптимальные с точки зрения помехо­защищенности временные соотношения сигналов, подающихся на ЦФ и управляющих ЦАП. Это устройство очень удобно выполнять с применением программируемой логики, поскольку физические габариты систем формирования сеток тактовых сигналов и пересинхронизации приема/выдачи данных согласно таких сеток могут оказаться весь­ма значительными, кроме того, ПЛИС дают возмож­ность «на ходу» менять проект и таким образом под­бирать оптимальные режимы передачи данных во временной области.

Гальваническая развязка (ГР) позволяет много­кратно снизить уровень асинхронных помех, про­никающих от цифровых устройств в аналоговую часть по общему проводу («земле»). По сути, именно ГР определяет разделение устройства на цифровую и аналоговую части. Все, что находит­ся на рис.3 справа от ГР, относится к аналоговой части.

Тактовый генератор (ТГ) вырабатывает основной тактовый сигнал, из которого в синхронной систе­ме формируются все остальные тактовые сигналы. Он же осуществляет тактирование регистра пересинхронизации (РП) — устройства, предназначенно­го для исключения мгновенных временных неста­бильностей фронтов сигналов управления ЦАП, т.е. подавления джиттера. После РП величина мгновен­ной временной нестабильности определяется лишь фазовым шумом тактового генератора и апертурной неопределенностью триггеров регистра. Все неста­бильности, имеющиеся в сигналах на входах РП, ес­ли их величина не превышает периода тактовой ча­стоты, пересинхронизация устраняет полностью.

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) осу­ществляет преобразование цифрового потока данных в аналоговый сигнал, а фильтр низких ча­стот (ФНЧ) обеспечивает в большей или меньшей степени выполнение условий теоремы Котельни­кова. Преобразование цифровых данных в анало­говый сигнал может быть осуществлено несколь­кими способами, наиболее распространенные из которых — параллельный, путем суммирования ве­совых сигналов в амплитудной области (так назы­ваемые, мультибитные или параллельные ЦАП), путем изменения распределения калиброванных единичных отсчетов во временной области (ШИМ, ЧИМ преобразование) и, как разновидность по­следнего, — путем изменения распределения во временной области приращения сигнала по отно­шению к предыдущему отсчету, так называемое, дельта-преобразование. Последний способ и его разновидности обеспечивают очень высокую ста­тическую точность и точность преобразования де­терминированных сигналов, но из-за наличия вза­имозависимости соседних отсчетов в силу природы такого преобразования искажают стати­стические характеристики случайных сигналов. В частности, автокорреляционная функция (АКФ) преобразованного сигнала будет представлять со­бой свертку АКФ преобразуемого сигнала и кор­реляционной функции (КФ) преобразователя.

Параллельные ЦАП обеспечивают меньшую статическую точность, подвержены различного ро­да дефектам ХП (например, немонотонность) и очень сложны и дороги в производстве при необ­ходимой точности выше 16-17 разрядов (когда вес младшего разряда становится сравним с величи­нами сигналов утечек в полупроводниковых струк­турах и по поверхности подложек и плат). Но при этом длина их КФ всегда меньше или равна пери­оду дискретизации, преобразование соседних отсчетов происходит статистически независимо, и вероятностные характеристики случайных сиг­налов, к которым по многим признакам можно от­нести и звуковые, не искажаются. Возможно, этим объясняется субъективное преимущество звучания параллельных ЦАП перед сигма-дельта преобразователями.

Работа модуля ЦАП

Принципиальная электрическая схема модуля ЦАП, основанная на рассмотренной выше струк­турной схеме, показана на рис.4.

Входной интерфейс устройства обеспечивает­ся специализированной микросхемой DD1 типа 74НС7541, содержащей 8 триггеров Шмитта с вы­сокой нагрузочной способностью, что позволяет, с одной стороны, благодаря гистерезису характери­стики переключения, повысить помехоустойчи­вость входов, а с другой — обеспечить надежную передачу тактовой частоты до 20 МГц на расстоя­ние до 30 см без применения дополнительных мер. Первичная пересинхронизация входных сигналов, их приведение к виду, воспринимаемому ЦФ, фор­мирование необходимых тактовых частот, а также формирование наиболее благоприятных таймингов для сигналов управления ЦАП, производится в ПЛИС DD4 типа EPM7128SLC84-15 фирмы Altera. Применение наименее скоростного прибора до­вольно старой серии MAX7000S обусловлено, в первую очередь, низкими электромагнитными по­мехами, генерируемыми этими ПЛИС. Уровень по­мех в окружающем пространстве в полосе частот до 10 ГГц, излучаемый ПЛИС типа ЕРМ7128, при­мерно на 12… 16 дБ ниже уровня помех, излучае­мых ПЛИС типа ЕР1КЗО серии АСЕХ, при одинако­вом проекте и одинаковой тактовой частоте.

Поскольку данный модуль ЦАП разрабатывал­ся для работы исключительно с форматом CDDA, как с единственным на сегодняшний день реаль­ным форматом высокого качества воспроизведе­ния, то в качестве ЦФ был использован хорошо известный фильтр SM5842 фирмы NPC, работа­ющий до частоты дискретизации входного сигна­ла в 50 кГц. По сравнению с современным фильт­ром SM5847, имеющим полностью идентичную структуру, но позволяющим работать до частот дискретизации 200 кГц, SM5842, как устройство на основе менее скоростных ЛЭ, обеспечивает мень­ший уровень помех, излучаемых в эфир и наводи­мых в питающих цепях на величину в 3…6 дБ.

Первоначальный сброс всех цифровых микро­схем при включении питания обеспечивает специ­ализированный генератор сброса DD2 типа ADM707.

Питание цифровой части осуществляется от ти­пового стабилизатора 7805, обеспечивающего требуемый уровень стабильности и шумов цифро­вого питания.

Гальваническая развязка цифровых и аналого­вых цепей обеспечивается с помощью скоростных цифровых изоляторов U1-U6 типа ADuM1100BR.

Тактовый генератор и регистр пересинхронизации расположены на «аналоговой» стороне схемы. Эти устройства полностью аналогичны таковым в предыдущих конструкциях ЦАП. В качестве реги­стра пересинхронизации используется 8-разрядный регистр DD5 типа 74АВТ574, обладающий самым низким уровнем собствен­ного джиттера из всех известных автору микросхем ТТЛ/КМОП се­рий. Тактовый генератор — гер­метичный интегральный GXO — U100H фирмы Golledge, обладающий при сравнительно невысокой цене превосходными характеристиками. В качестве альтернативы можно рекомен­довать генераторы TENT Labs, обладающие похожими или чуть лучшими характеристиками. По­скольку параметры генератора, в особенности уровень фазового шума, сильно зависят от качест­ва питания, то питание генерато­ра осуществляется от интеграль­ного источник опорного напряжения (ИОН) DA3 типа AD586, имеющего структуру ИОН — фильтр шумов — регулирующий элемент. С внешними конденса­торами фильтра шума этот при­бор позволяет получить уровень шума в выходном напряжении ниже — 117…120 дБ.

Питание регистра пересинхронизации и цифровой части самого ЦАП осуществляется от стандартного стабилизатора DA2 типа 7805. Возможно, примене­ние 7805 вызовет у многих недо­умение, однако это вполне осо­знанный шаг, сделанный на основе как измерений, так и субъективных сравнений. Входе предварительных экспериментов выяснилось, что питание регист­ра пересинхронизации и цифро­вой части ЦАП от 7805 субъектив­но и объективно не ухудшает свойств устройства по сравне­нию с вариантом питания от дис­кретного стабилизатора. Правда, принципиальным явилось про­исхождение стабилизатора. При­боры российского производства, а также SGS Thomson, ROHM, Philips и Texas Instruments обла­дают примерно вдвое-трое боль­шим шумом и на 10…12 дБ худ­шим подавлением помех по входу на частотах 10… 100 кГц, чем аналогичные микросхемы стабилизаторов производства ONS, TS, JRC и Mitsubishi.

Автор: Николай Григорьев, г. Белгород
Источник: Радиоаматор №1, 2016