Эволюция преобразователей данных компании Analog Devices и звуковые ЦАП. Часть 1

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2015

Юрий Петропавловский

Компания Analog Devices (ADI) является одним из ведущих мировых лидеров в области разработки и производства микросхем для обработки аналоговых и цифровых сигналов, более 2200 ее схемотехнических и технологических решений защищены патентами. Масштаб компании таков, что достаточно полный обзор ее преобразователей в журнале затруднителен – в каталоге 2015 года фигурируют сотни микросхем ЦАП, АЦП, кодеков и специализированных микросхем с интегрированными преобразователями данных. В предлагаемой статье основное внимание уделено цифро-аналоговым преобразователям компании, предназначенным для применения в цифровой звуковоспроизводящей аппаратуре – проигрывателях оптических дисков, внешних ЦАП, усилителях ЗЧ и ресиверах, медиаплейерах и других аудио устройствах, представляющих интерес для читателей журнала.

Рисунок 1.	АЦП ADC-12U.

К производству преобразователей данных Analog Devices приступила в 1969 году после приобретения компании Pastoriza Electtronics, основанной Джеймсом Пасториза и уже имевшей достижения в производстве устройств сбора данных. На Рисунке 1 показан один из первых (1969 г.) преобразователей ADI – 12-разрядный АЦП последовательного приближения ADC-12U, продававшийся по цене 800 долларов. В состав прибора входили 14 корпусов логики серии 7400, компаратор µА710 и модульный 12-разрядный ЦАП «Minidac», построенный на основе четырехпозиционных ключей («Quad Switch») и тонкопленочной резистивной матрицы (AD850).

Рисунок 2.	ЦАП «Minidac».

Структура «Minidac» приведена на Рисунке 2, а схема ключа «Quad Switch», запатентованного Джеймсом Пасториза – на Рисунке 3. Функционирование четырехпозиционного ключа заключается в подключении к выходной цепи комбинаций из четырех токов со значениями, кратными 2ⁿ, где n = 0, 1, 2, 3. В 1969 году в производстве компании находились 10-разрядный АЦП ADC-F, 12-разрядный ADC-U и рассмотренный ЦАП «Minidac» с токовым выходом.

Рисунок 3.	Четырехпозиционный ключ.

1970-е годы

Эти годы стали одними из наиболее значимых десятилетий в истории преобразователей данных, в котором движущей силой являлись такие сферы их применения, как системы управления производством, военные фазированные РЛС, медицинское оборудование, индикаторы с векторной и растровой разверткой, цифровые измерительные приборы высокого разрешения и другие. Производством преобразователей в эти годы, кроме ADI, занимались многие американские компании (Burr-Brown, National Semiconductor, Advanced Micro Devices, Fairchild, Signetics, Intersil, Motorola, Precision Monolithics). Выпускались как монолитные (интегральные), так и модульные, а также гибридные преобразователи. Первые были относительно дешевыми, вторые и третьи отличались большой разрешающей способностью и скоростью преобразования.

Сложность использования преобразователей на практике вызывала необходимость квалифицированной технической поддержки пользователей. Большое значение в этом отношении имели материалы, опубликованные в журнале «Analog Dialogue», первый номер которого вышел в 1967 году. Важной вехой в становлении журнала стал приход на пост главного редактора Дэна Шайнголда (Dan Sheingold, фото на Рисунке 4), на котором он проработал 44 года (до 2013 г.). Под редакцией Дэна Шайнголда в 1972 году вышло первое издание руководства по аналого-цифровому преобразованию «Analog-Digital Conversion Handbook», позже (в 1977 и 1986 годах) вышли исправленные и дополненные издания. Все книги детально описывают архитектуру, технические характеристики, конструкции и особенности применения преобразователей данных.

Рисунок 4.	Дэн Шайнголд.

Первые монолитные ЦАП ADI базировались на биполярной технологии и состояли из ядра ЦАП и множества дополнительных компонентов (ключей, резисторов, источников опорного напряжения). В 1974 году компания выпустила 12-разрядный ЦАП AD562, разработанный Бобом Крейвеном (Bob Craven), представляющий собой монолитный элемент из двух чипов микросхем в одном корпусе, однако технология его производства была достаточно сложной. Коммерчески успешным стал 12-разрядный ЦАП AD563, разработанный Полом Брока (Adrian P. Brokaw) с дополнительным чипом источника опорного напряжения. Основным недостатком этого преобразователя было сравнительно невысокое быстродействие (порядка 1 мкс). Однако успехи в технологии формирования на чипах микросхем диодов Зенера (стабилитронов) позволили увеличить быстродействие ЦАП в микросхемах AD565, время установления которых уже составляло порядка 200 нс. Микросхемы AD565, AD565A, AD566A имели одинаковую схему включения и присутствовали в каталогах компании на протяжении более 30 лет.

Первый 10-разрядный ЦАП AD7520, выполненный на основе КМОП технологии с быстродействием 500 нс и архитектурой R-2R, был выпущен в 1974 году. 12-разрядный ЦАП AD7541 (1978 г.), стал первым КМОП умножающим преобразователем и положил начало целой серии умножающих КМОП ЦАП общего назначения.

В начале десятилетия компания выпускала модульные АЦП (ADC-12QZ, ADC-1130) и гибридные на основе блочных ЦАП с внешними компонентами. Первым монолитным аналого-цифровым преобразователем компании (1975 г.), был 10-разрядный КМОП АЦП последовательного приближения (SAR ADC) AD7570, однако для его работы были необходимы внешние компаратор и источник опорного напряжения (ИОН). Первый полностью монолитный АЦП последовательного приближения AD571 на основе биполярного процесса с инжекционной логикой (I²L) и использованием тонкопленочных резисторов был изобретен Полом Брока и представлен компанией в 1978 году.

1980-е годы

В этом десятилетии многие полупроводниковые компании, в том числе и ADI, начали выпуск цифро-аналоговых преобразователей для звуковых приложений. Огромный спрос на них возник после начала выпуска CD проигрывателей в начале 1980-х годов, стандарт записи на которые был разработан компаниями Philips и Sony. Как известно, первыми в мире CD-проигрывателями были CDP-101 фирмы Sony и CD100 фирмы Philips. В качестве ЦАП в них использовались микросхемы CX20017 разработки Sony и TDA1540+SAA7300 разработки Philips [1]. Эти микросхемы и явились первыми массовыми источниками того самого «цифрового звука», положившего началу многолетних дискуссий среди любителей высококачественного звуковоспроизведения. До появления CD дисков миллионы слушателей и любителей музыки имели дело преимущественно с аналоговыми источниками и носителями звука. В связи с этим обстоятельством имеет смысл коротко рассмотреть особенности первого массового интегрального звукового ЦАП CX20017, кроме самой Sony применявшегося в аппаратах многих других фирм (Akai, Dual, Fisher, Pioneer, Sanyo, Telefunken и др.).

В начале 1980-х годов специализированные интегральные микросхемы для собственной продукции выпускали многие крупные производители электроники. Компания Sony. хотя и имела собственное полупроводниковое производство, широко использовала микросхемы сторонних производителей. Для обеспечения компонентами своих первых CD проигрывателей Sony предприняла попытку заказа большой партии ЦАП у Analog Devices, как у лидера в производстве преобразователей данных. Однако контракт не был подписан из-за разногласий по цене – в то время ADI продавала свои 16-разрядные преобразователи по $50, что для применения в массовой продукции Sony было неприемлемо. По словам президента ADI Рэймонда Стата, Sony обратилась к конкурентам и получила желаемое [2]. К сожалению, автор не располагает достоверными данными, о том, кто был этот конкурент, и кто конкретно участвовал в разработке первых ЦАП Sony.

Рисунок 5.	Плата проигрывателя Telefunken HD-970.

СХ20017 представляет собой двухканальный 16-разрядный ЦАП с токовыми выходами, предназначенный для декодирования звуковых цифровых сигналов с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ/PCM). Внешний вид микросхемы на плате проигрывателя Telefunken HS-970 показан на Рисунке 5.

Основные параметры микросхемы и качества звука проигрывателя Sony CDP-101:

• Ток потребления 20 мА по цепи +5 В и 120 мА по цепи –5 В.
• Совместимость с МОП и ТТЛ уровнями по входам.
• КНИ менее 0.004 %, динамический диапазон, отношение сигнал/шум и разделение каналов более 90 дБ.
• Диапазон воспроизводимых частот 5 Гц … 20 кГц (±0.5 дБ).

Первый звуковой 16-разрядный ЦАП AD1856 для CD-проигрывателей ADI выпустила в 1988 году. Микросхема являлась полным функциональным аналогом микросхемы РСМ56, выпущенной годом ранее компанией Burr-Brown. Особенности и параметры этого ЦАП приведены в статье автора [3]. Структура микросхем приведена на Рисунке 6; их параметры в основном одинаковы, отличия касаются единиц измерения гармонических искажений, приведенных в спецификациях – для AD1856 они приведены в процентах, для РСМ56 – в децибелах. Например, THD = –92 дБ при полном размахе (Full Scale) и входном уровне сигнала 0 дБ для РСМ56-К соответствует THD = 0.002 % для AD1856RZ-K. Следует отметить, что микросхемы РСМ56 получили значительно большее распространение в звуковой аппаратуре большинства значимых производителей, возможно потому, что этот ЦАП был оригиналом, а AD1856 – аналогом [4].

Рисунок 6.	ЦАП AD1856.

Возможны различные варианты включения микросхем в стереотракты: одна микросхема на два канала, по одной микросхеме на каждый канал и по две микросхемы на каждый канал. В последнем случае один из ЦАП в каждом канале обрабатывает положительную область сигналов, другой – отрицательную. Результатом такого решения является снижение искажений при малых уровнях сигнала за счет уменьшения дифференциальной ошибки линейности в области перехода сигнала через ноль. Нужно отметить, что AD1856 до сих пор присутствует в каталогах Analog Devices и стоит около $10.

В 80-годы движущей силой рынка преобразователей были такие направления, как сбор данных, медицинское оборудование, компьютерная графика, профессиональная и бытовая аудио и видеотехника. При производстве преобразователей компания внедрила новые аналого-совместимые технологии (LC²MOS, BiCMOS II) и биполярную комплементарную технологию первого поколения на основе быстродействующих N-P-N и P-N-P транзисторов, что позволило получить высокопроизводительные стробируемые АЦП. Микросхема AD9700, разработанная в 1984 году, была первым монолитных ЦАП, предназначенным для видеоприложений с графической растровой разверткой.

Литература

1. Юрий Петропавловский, «Особенности выбора и применения микросхем ЦАП для звуковых приложений», РадиоЛоцман, 2011, стр. 18
2. ethicsandentrepreneurship.org
3. Ю. Петропавловский, «ЦАП PCM56/61 в высококачественной аудиоаппаратуре», Радио, 2011, №10, 11
4. dutchaudioclassics.n

Продолжение