Эволюция преобразователей данных компании Analog Devices и звуковые ЦАП. Часть 2

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2015

Юрий Петропавловский

Часть 1.

1990-е годы

В этом десятилетии основными сферами использования преобразователей являлись системы управления промышленными технологическими процессами, медицинская и измерительная техника, аудио и видеотехника, средства компьютерной графики, а также системы связи, радиовещания и телевидения. Широкое внедрение мобильной связи потребовало создания высокопроизводительных и энергоэффективных преобразователей для сотовых телефонов, модемов и беспроводной инфраструктуры. Новыми тенденциями в конструировании электронной аппаратуры стали использование однополярного низковольтного питания и снижение габаритов аппаратуры. Другой тенденцией стало совмещение на одном кристалле преобразователей с другими устройствами – мультиплексорами, программируемыми усилителями, устройствами выборки и хранения и другими аналоговыми и цифровыми схемами. Стали активно создаваться микросхемы, на кристаллах которых совмещались АЦП и ЦАП (кодеки), а также законченные аналоговые блоки (Analog Front End) и устройства для смешивания сигналов (Mixed-signal Front End).

Повышающиеся требования к качеству звука цифровой аудиоаппаратуры стали фактором для увеличения разрешающей способности преобразователей; появились 18- и 20-разрядные ЦАП. Например, в 1990-1997-х годах компания выпустила 18-разрядные ЦАП AD1860, AD1861, AD1864, AD1865 и 20-разрядный AD1862 – один из лучших параллельных ЦАП. Эти микросхемы применяли многие производители высококачественной звуковой аппаратуры (Audio Note, Denon, Luxman, Nakamichi, Wadia, Yamaha).

• AD1862 – сверхмалощумящий 20-разрядный ЦАП с 16-кратной передискретизацией, выполненный по технологии BiMOS II на основе биполярных и полевых транзисторов. Ряд схемотехнических решений этой микросхемы защищен патентами, авторами соответствующих изобретений являются Пол Брока и Роберт Кравен (Robert B. Craven) [5]. Многими специалистами и любителями высококачественного звука ЦАП AD1862 (исполнение AD1862N-J) и аналогичные по классу микросхемы фирмы Burr-Brown PCM63 (исполнение РСМ63Р-К) признаются одними из лучших параллельных ЦАП для Hi-End приложений [6]. Особенности и параметры РСМ63 рассмотрены в статье автора [7].

Рисунок 7.	Плата модуля Argentum.

Следует отметить, что микросхему продолжают применять как отдельные разработчики, так и компании, специализирующиеся на конструировании и производстве высококачественной звуковой аппаратуры. Например, основанная в 2005 году японская компания Altmustech (Альтернативные музыкальные технологии), использует ЦАП AD1862 в модулях Argentum Essence HDCD Professional DAC Block (разработка 2008 года). На Рисунке 7 показан фрагмент платы модуля с установленной микросхемой AD1862N-J. В его состав входят исключительно высококачественные микросхемы и «аудиофильские» компоненты, в том числе подобранные для левого и правого каналов пары ЦАП и ОУ ADI и Burr-Brown (сейчас TI). На входе модуля установлен один из лучших в мире цифровых фильтров PMD100 (DF IC6) компании Pacific Microsonics, разработанный профессором Китом Джонсоном (Keith O. Johnson) – одним из ведущих инженеров цифровых и аналоговых устройств в мире аудио и лауреатом нескольких наград Grammy (Рисунок 8).

Рисунок 8.	Кит Джонсон.

Структура микросхемы AD1862 приведена на Рисунке 9.

В ее состав входят:

• 20-разрядный преобразователь входного последовательного кода в параллельный;
• схема цифрового смещения;
• 20-разрядный триггер-защелка;
• 20-разрядный регулируемый параллельный ЦАП с токовым выходом;
• источник опорного напряжения (ИОН).

Рисунок 9.	ЦАП AD1862.

Низкое значение коэффициента гармоник и большой динамический диапазон обеспечиваются за счет применения ряда схемотехнических решений: специальной схемы цифрового смещения и сегментации, малошумящего ИОН с запрещенной зоной на напряжение 9 В, управляемого усилителя ЦАП, внешних шумоподавляющих конденсаторов, подключаемых к выводам NR1, NR2. Применение перечисленных решений позволило увеличить отношение сигнал/шум микросхемы до 120 дБ.

В архитектуре микросхемы используется комбинация сегментированного декодера, лестничной R-2R топологии и цифрового смещения, что обеспечивает малые искажения при любых уровнях сигнала. Схема цифрового смещения обеспечивает сдвиг выходного напряжения в области нуля (Midscale Output Voltage) таким образом, что старшие разряды (MSB) цифрового кода при малых уровнях сигналов не подвергаются шумовому воздействию. Возможна также ручная регулировка зоны в области нуля при малых уровнях сигнала с помощью переменного резистора, подключаемого к выводу TRIM микросхемы.

Дополнительным средством улучшения качества звука является полностью раздельное питание цифровых (DGND) и аналоговых (AGND) узлов микросхемы, выведенное на разные контакты корпуса. Основные параметры исполнения AD1862N-J следующие (в скобках приведены аналогичные параметры PCM63P-K):

• Формат звуковых данных: последовательный, первый разряд – старший, двоичный дополнительный код (Serial, MSB First, BTC);
• Общий уровень гармоник и шума (THD+N):
  • на уровне 0 дБ: –98 дБ/0.0012% (–100 дБ),
  • на уровне –20 дБ: –84 дБ/0.01% (–88 дБ),
  • на уровне –60 дБ: –45 дБ/0.56% (–48 дБ).
• Динамический диапазон не менее 102 дБ (108 дБ);
• Отношение сигнал/шум не менее 113 дБ;
• Линейность коэффициента передачи ±1 дБ (±0.3 дБ);
• Выходной ток ±1 мА (±2 мА), выходной импеданс 2.1 кОм (670 Ом).

В конце 1990-х годов на рынке появились первые коммерческие сигма-дельта ЦАП. Не осталась в стороне от этого и Analog Devices; первыми сигма-дельта преобразователями компании стали AD1857, AD1858 и AD1859, разработанные в 1996 году и выпускающиеся на протяжении более 15 лет (AD1859 имеется в каталоге компании 2015 года).

Микросхемы представляют собой стерео сигма-дельта ЦАП с различной разрядностью встроенных интерполирующих фильтров. Структура микросхем AD1857 и AD1858, выполненных в корпусах SSOP-20, приведена на Рисунке 10. Микросхемы могут работать с различными форматами входных сигналов (с левым и правым выравниванием, I²S) и предназначены для звуковых трактов аппаратуры бюджетного класса. Микросхема AD1859 (структура аналогичная AD1857/AD1858), выполненная в корпусе SSOP-28, отличается наличием последовательного интерфейса управления, совместимого с SPI, через который возможна цифровая регулировка громкости и блокировка звука.

Рисунок 10.	ЦАП AD1857.

В 1999 году компания разработала сигма-дельта ЦАП AD1852, AD1853 и AD1855 более высокого класса, нашедшие применение в аппаратуре многих производителей высококачественной звуковой аппаратуры, таких как Accuphase, Denon, Meridian, Micromega, Sherwood. Например, 24-разрядный ЦАП AD1855 применен в CD рекордере Denon CDR-1000 (Рисунок 11), обеспечивающем воспроизведение CD/CD-R/CD-RW дисков с собственного транспорта и внешних аналоговых и цифровых источников. Аппарат обеспечивает запись на диски CD-R, CD-RW с внешних источников через оптический, коаксиальный и аналоговые входы, при этом прослушивание возможно с конвертацией входного цифрового потока в более высококачественный (с более высокими битрейтом и разрядностью).

Рисунок 11.	Рекордер Denon CDR-1000.

Микросхема AD1855 представляет собой мультибитный сигма-дельта ЦАП с однополярным питанием 5 В, выполненный в корпусе SSOP-28. Прибор отличается гибкостью использования: поддерживает различную разрядность входных сигналов (16/18/20/24), частоты дискретизации до 96 кГц, форматы входных сигналов с левым (LJ/Left Justified) и правым (RJ/Right Justified) выравниванием, I²S, совместимость с различными источниками цифровых сигналов (АЦП, сигнальные процессоры, приемники по стандартам AES/EBU).

В микросхеме реализовано несколько инновационных схемотехнических решений.

• ЦАП с «совершенным восстановлением дифференциальной линейности» (Perfect Differential Linearity Restoration) для снижения уровней звука в паузах и фонового шума.
• Цифро-аналоговое преобразование с непосредственным скремблированием данных (Data Directed Scrambling DAC) для обеспечения наименьшей чувствительностью к джиттеру.
• Дифференциальные выходы левого и правого каналов для оптимизации согласования с выходными фильтрами и ОУ.
• Наличие выходов для индикации нулевых уровней входных сигналов левого и правого каналов.
• Цифровая регулировка громкости на 1024 шага и мягкая бескликовая блокировка выходных сигналов.

В 90-годы компания вела разработки преобразователей по многим направлениям, достаточно полно рассмотреть которые в статье затруднительно. Остановимся только на некоторых наиболее значимых направлениях.

В 1996 году были разработаны и запущены в производство первые «передающие» ЦАП TxDAC серии AD976x, предназначенные для различных систем связи и получившие развитие в последующие годы. Наиболее широко TxDAC применяются для формирования сигналов с квадратурной модуляцией, например QPSK, QAM, используемой для цифровых передатчиков различного назначения (сотовая связь, цифровое ТВ и радио). Для примера на Рисунке 12 приведена структурная схема передающего тракта с аналоговой квадратурной модуляцией на основе микросхем AD9760. Производительность этого 10-разрядного ЦАП составляет 125 MSPS (миллионов преобразований в секунду). В зависимости от назначения квадратурных сигналов I и Q, микросхемы могут быть использованы для формирования ТВ сигналов (PAL/NTSC) в цифровых ТВ приставках, цифровых сигналов передатчиков голоса, видео и данных в беспроводных каналах связи, в базовых станциях сотовой связи, в системах прямого цифрового синтеза (DDS) и других приложениях.

Рисунок 12.	Передающий тракт с квадратурной модуляцией.

В 1993 году компания разработала первую микросхему для систем прямого цифрового синтеза (DDS – Direct Digital Synthesis) AD7008. Генерируемые системами DDS сигналы синтезируются со свойственной цифровым системам точностью – частота, амплитуда и фаза сигнала в любой момент времени достаточно точно известны и легко управляемы. Основные достоинства DDS – высокое разрешение по частоте (до долей герц при выходной частоте в десятки мегагерц) и фазе, экстремально быстрая перестройка частоты без разрыва фазы, выбросов и других аномалий, связанный с временем установления, легкость реализации управления от микроконтроллеров и сигнальных процессоров. Перечисленные особенности DDS особенно важны для цифровых систем связи. Микросхема может быть использована для формирования сигналов с модуляцией AM, ЧМ, ФМ, QAM, PSK, FSK, а также в качестве синтезатора частоты.

В 1995 году компания выпустила первые цифровые потенциометры (DigiPOT) серии AD84xx на основе цугового КМОП ЦАП (String DAC), предназначенные для замены механических потенциометров. 8-разрядные одно-, двух- и четырехканальные ЦАП AD8400/8402/8403 могут использоваться в программируемых фильтрах, линиях задержки, регуляторах громкости, согласующих устройствах, регулируемых источниках питания и других приложениях. Например, 4-канальный цифровой потенциометр AD8403 обеспечивает 256 значений сопротивления при номиналах 1/10/50/100 кОм. Управляется микросхема через 10-мегагерцовый интерфейс SPI.

В 1990-е годы компания разработала и наладила производство широчайшей номенклатуры АЦП и специализированных микросхем, в состав которых входили АЦП и ЦАП:

• Кодеры/декодеры голосового канала (вокодеры) и аудио кодеры/декодеры.
• Компьютерные аудиокодеры/декодеры AC’97 SoundMAX. Кодек AD1885, например, нашел широкое применение в материнских платах ПК и аудиокартах для них.
• Терминалы смешанных сигналов, модемы.
• Преобразователи сигналов ПЗС датчиков изображения.
• Передающие и принимающие сигнальные процессоры.
• Чипсеты для прямого преобразования Othello, DDS процессоры, чипсеты для мобильных телефонов.
• Видео АЦП, видеокодеры/декодеры и многие другие специализированные микросхемы.

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.nl
5. google.com.ar , google.com
6. fetaudio.com
7. Петропавловский Ю., «ЦАП РСМ63 и цифровой интерполирующий фильтр DF1700 компании TI/Burr-Brown в высококачественной звуковой аппаратуре», Ремонт электронной техники, 2007, №6

Окончание