РадиоЛоцман - Все об электронике

Эволюция преобразователей данных компании Analog Devices и звуковые ЦАП. Часть 3

Analog Devices AD1955 AD1940 AD1941 AD1933 AD1934 ADAU1701 ADAU1702

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2015

Юрий Петропавловский

Часть 1.

Часть 2.

2000-е годы

Начатые в 1990-х годах направления создания преобразователей продолжили свое развитие и совершенствование. Снизились потребляемая мощность и напряжение питания (до 3.3/2.5/1.8 В) и уменьшились топологические нормы КМОП микросхем (до 180 нм и менее), DIP корпуса микросхем активно заменялись на корпуса для монтажа на поверхность. Несмотря не рост высокоинтегрированных решений, компания продолжала выпускать традиционные АЦП и ЦАП, так как они позволяли получать более высокую производительность и более эффективные ценовые решения.

Эволюция преобразователей данных компании Analog Devices и звуковые ЦАП
Рисунок 13. ЦАП DAC-20.

Появление в 2000 году дисков и проигрывателей стандартов DVD-Audio и Super Audio Compact Disk (SACD) потребовало от производителей микросхем соответствующих преобразователей, обеспечивающих работу в новых форматах. В 2002 году Analog Devices выпустила сигма-дельта ЦАП AD1955 с поддержкой SACD, получивший заметное распространение в аппаратах компаний, выпускающих проигрыватели дисков и конверторы классов Hi-Fi и Hi End, таких как Accuphase и Harman Kardon. Например, опционная плата ЦАП DAC-20 (Рисунок 13) предназначена для установки в целый ряд моделей интегральных стерео усилителей класса Hi-End компании Accuphase. На Рисунке 14 показан внешний вид модели Accuphase E-560, в который она может быть установлена. Плата DAC-20 выполнена на основе двух ЦАП AD1955, включенных параллельно; такое решение обычно применяется для снижения искажений на малых уровнях сигналов.

Эволюция преобразователей данных компании Analog Devices и звуковые ЦАП
Рисунок 14. Усилитель Accuphase E-560.
  • AD1955 – высокопроизводительный мультибитный дельта-сигма ЦАП с поддержкой SACD. Как известно, сигма-дельта преобразователи, в отличие от параллельных, являются одноразрядными приборами, осуществляющими повышающую передискретизацию сигнала, что обеспечивает высокое разрешение (до 24 разрядов) в полосе рабочих частот и снижает требования к аналоговым ФНЧ. Для увеличения динамического диапазона сигма-дельта модулятора в микросхеме дополнительно применены увеличение разрядности амплитудного квантования и цифро-аналоговые преобразователи (Multibit Σ-∆ DAC). Структура микросхемы приведена на Рисунке 15; в ее состав также входят: высокопроизводительный цифровой интерполирующий фильтр, ЦАП с дифференциальными токовыми выходами и непрерывными интеграторами (Continuous-time Differential Current Output DACs), бескликовый стерео регулятор громкости, совместимый с SPI интерфейс управления. Микросхема оснащена гибким цифровым интерфейсом входных сигналов, обеспечивающим совместную работу с различными AЦП, DSP, декодерами SACD, внешними цифровыми фильтрами, приемниками сигналов AES/EBU и преобразователями скорости цифрового потока. Микросхема может быть сконфигурирована для работы с форматами входных сигналов I2S, левым и правым выравниванием или с последовательными портами сигнальных процессоров.
Эволюция преобразователей данных компании Analog Devices и звуковые ЦАП
Рисунок 15. Блок-схема ЦАП AD1955.

Другие особенности и параметры микросхемы.

  • 16/18/20/24-разрядные входные данные с поддержкой ИКМ с частотами дискретизации 32/44.1/48/88.2/96/192 кГц.
  •  Поддержка прямого цифрового потока DSD SACD и внешних цифровых фильтров.
  •  Пиковый выходной ток 8.64 мА на дифференциальных выходах левого и правого каналов.
  •  Динамический диапазон и отношение сигнал/шум 120 дБ.
  •  THD+N = –110 дБ.

В 2000-е годы компания выпустила целый ряд преобразователей для звуковых приложений, большинство из которых являлись уже выскоинтегрированными микросхемами самых различных конфигураций, предназначенных для многоканальных систем звуковоспроизведения. Рассмотрим некоторые из них.

  • AD1940, AD1941 (2004 г.) – многоканальные 28-разрядные аудиопроцессоры SigmaDSP. Процессоры предназначены для задач частотной коррекции, многополосной динамической обработки, компенсации задержек и характеристик акустических систем (динамиков). Процессоры могут быть использованы для компенсации ограничений, накладываемых физическими характеристиками различных динамиков, усилителей и акустической среды, что в результате может существенно улучшить качество восприятия звука. Возможности обработки звуковых сигналов с использованием микросхем сопоставимы с возможностями студийной аппаратуры. Микросхемы предназначены для применения в автомобильных звуковых системах, цифровых телевизорах, системах домашнего кинотеатра Dolby Digital DTS и других многоканальных системах, цифровых разделительных фильтрах (кроссоверах), музыкальных инструментах.

Микросхемы представляют собой полностью программируемые цифровые сигнальные процессоры с возможностью пользовательского конфигурирования процесса обработки сигнала при помощи простой в применении графической среды и составных блоков – цифровых фильтров второго порядка, процессоров динамической обработки и объемного звучания. Цифровые порты ввода и вывода микросхем обеспечивают непосредственное подключение к АЦП и ЦАП с поддержкой нескольких потоков данных в двухканальном формате или формате с временным мультиплексированием (TDM). В последнем случае обеспечивается поддержка последовательного ввода и вывода 8 или 16 каналов данных. Отличия микросхем заключаются в портах управления – SPI (AD1940) или I2С (AD1941). Структура микросхем приведена на Рисунке 16а. На Рисунке 16б показан внешний вид отладочной платы ADI, на которой реализовано такое устройство.

Эволюция преобразователей данных компании Analog Devices и звуковые ЦАП
Рисунок 16а. Структура микросхем AD1940/1941.
  • AD1938 (2006 г.). В микросхеме интегрированы 4 сигма-дельта АЦП, 8 сигма-дельта ЦАП, цифровые фильтры, регулятор уровней (громкости) и последовательный порт управления SPI. Структура микросхемы приведена на Рисунке 17. Преобразователи микросхемы обеспечивают разрешение до 24 разрядов на частотах дискретизации до 192 кГц. Отношение сигнал/шум и динамический диапазон АЦП/ЦАП равны 105/108 дБ, THD+N, соответственно, –96/–92 дБ. Поддерживаемые форматы звуковых данных: левое/правое выравнивание, I2S и TDM.
Эволюция преобразователей данных компании Analog Devices и звуковые ЦАП
Рисунок 16б. Отладочная плата EVAL-AD1940MINIBZ.
  • AD1933, AD1934 (2007 г.) – высокопроизводительные однокристальные микросхемы, содержащие восемь сигма-дельта ЦАП с дифференциальными (AD1333) или ассиметричными (AD1934) выходами и системой синхронизации с ФАПЧ. ЦАП с разрешением до 24 разрядов/192 кГц обеспечивают динамический диапазон и отношение сигнал/шум 108 дБ и THD+N = –94 дБ, Входные форматы такие же, как у вышерассмотренной микросхемы. Микросхемы работают при напряжении питания 3.3 В (отдельные выводы для цифровой и аналоговой части) в режимах с внутренней (частота квантования 12.288 МГц) или внешней синхронизацией. Возможна также синхронизация частотой входного сигнала с помощью ФАПЧ.
Эволюция преобразователей данных компании Analog Devices и звуковые ЦАП
Рисунок 17. Кодек AD1938.
  •  ADAU1701, ADAU1702 (2007 г.) – однокристальные аудиосистемы, включающие сигма-дельта АЦП, ЦАП и цифровые сигнальные процессоры SigmaDSP. Ядро SigmaDSP осуществляет обработку с разрядностью 28 бит (56 бит в режиме двойной точности) с такими же функциями, что и микросхемы AD1940, AD1941, и функционально заменяет описанную выше связку этих микросхем с кодеком AD1938. Бóльшая часть обработки выполняется в режиме двойной точности с разрядностью 56 бит, что обеспечивает высокое качество звука на малых уровнях сигнала.

    Программирование микросхем осуществляется с помощью простого ПО SigmaStudio, позволяющего пользователям конфигурировать процесс обработки сигналов в графической среде с использованием стандартных блоков (см. выше). Динамический диапазон и отношение сигнал/шум АЦП/ЦАП составляют 100 дБ/104 дБ, THD+N, соответственно, –83 дБ и –90 дБ. Производительность процессоров составляет 50 MIPS (ADAU1701) и 25 MIPS (ADAU1702). Максимально реализуемая задержка сигналов, определяемая объемом внутренней памяти, равна 40 мс и 10 мс, соответственно.
     
  • ADAU1361, ADAU1761 (2009 г.) – стереофонические аудиокодеки с малым потреблением (14 мВт при напряжении питания 1.8 В), что предопределяет области применения микросхем: смартфоны и мультимедийные телефоны, цифровые фото и видеокамеры, портативные мультимедийные и аудиоплейеры, аксессуары для телефонов. АЦП и ЦАП микросхемы обеспечивают 24-разрядное преобразование с частотами дискретизации до 96 кГц и отношением сигнал/шум не менее 98 дБ. Микросхема ADAU1761 отличается наличием цифрового сигнального процессора SigmaDSP с описанными выше функциями.

2010-е годы

Каталоги компании 2010-2015 годов содержат несколько сотен типов микросхем преобразователей данных для самых различных областей применения. В категории АЦП каталога 2015 года фигурирует 633 типа микросхем, в категории ЦАП – 417 типов, в категории Аудио/видео – более 30 типов кодеков и ЦАП для аудио, а также более 15 типов сигнальных процессоров SigmaDSP. Кроме того, преобразователи данных интегрированы во многие специализированные микросхемы и цифровые сигнальные процессоры. Рассмотрим некоторые микросхемы преобразования звуковых сигналов, разработанные в последние годы.

  • ADAU1450, ADAU1451, ADAU1452 (2013 г.) – цифровые сигнальные процессоры SigmaDSP нового поколения, значительно превосходящие по возможностям ранее выпускавшиеся продукты. Рассмотрим особенности новых микросхем в сравнении с описанными выше микросхемами AD1940, AD1941. Прежде всего, в новых продуктах использована существенно оптимизированная архитектура ядра цифрового сигнального процессора, что позволяет значительно уменьшить количество команд при исполнении некоторых типов алгоритмов обработки сигналов (используется ПО SigmaStudio). 32-разрядное ядро DSP с напряжением питания 1.2 В способно работать на частотах до 294.912 МГц (147.456 МГц для ADAU1450) и выполнять до 6144 команд на отсчет при частоте дискретизации 48 кГц. Комбинация схемы ФАПЧ синтезатора частоты и конфигурируемого аппаратного блока формирования тактовых сигналов позволяет генерировать до 15 сигналов с различными частотами дискретизации звука одновременно. В микросхемах ADAU1451, ADAU1452 реализованы внутренний асинхронный преобразователь частоты и конфигурируемая аппаратная матрица маршрутизации звуковых сигналов, превращающие микросхемы в эффективный аудиохаб, значительно упрощающий проектирование сложных звуковых систем с несколькими частотами дискретизации.

    Наличие последовательных портов с широкими возможностями конфигурирования, интерфейсов S/PDIF и многофункциональных линий ввода/вывода позволяет микросхемам взаимодействовать с широким спектром АЦП, ЦАП, цифровых звуковых устройств, усилителей и схем управления. Возможно также непосредственное подключение МЭМС микрофона и вывод его сигнала в формате PDM (модуляция плотности импульсов). Микросхемы оснащены независимыми портами управления I2C/SPI, позволяющими работать в режиме ведущий/ведомый, что дает возможность использования микросхем для непосредственного конфигурирования внешних ведомых устройств и создания компактных автономных систем, не требующих внешнего ввода данных. Совместно с микросхемами можно использовать кодеки AD1938, AD1939 или многоканальные АЦП/ЦАП, например ADAU1966/А (см. далее). На Рисунке 18 показана одна из отладочных плат на основе рассматриваемых микросхем.

    Потребляемая мощность при максимальной загрузке ядра микросхем не превышает 1 Вт даже при температуре свыше 100 °С, что позволяет замещать универсальные цифровые сигнальные процессоры с большей потребляемой мощностью при одинаковой вычислительной нагрузке.
Эволюция преобразователей данных компании Analog Devices и звуковые ЦАП
Рисунок 18. Отладочная плата EVAL-ADAU1452MINIZ. 
  • ADAU1966A (2013 г.) – высококачественный 16-канальный 24-разрядный (частота выборки до 192 кГц) мультибитный сигма-дельта ЦАП, предназначенный для автомобильных аудиосистем, домашних кинотеатров и цифровых процессоров звуковых сигналов. Предыдущее исполнение ADAU1966 (2011 г.) имеет такую же структуру и отличается, в основном, только более высоким энергопотреблением (0.52 Вт вместо 0.3 Вт). ЦАП микросхем обеспечивают динамический диапазон порядка 114-118 дБ и THD+N порядка –95…–98 дБ.
     
  • ADAU1962, ADAU1962A (2013 г.). Микросхемы отличаются от предыдущих (ADAU1966/A) меньшим числом каналов (12), и меньшим потреблением энергии (0.42 Вт и 0.25 Вт, соответственно). Остальные параметры и возможности совпадают.
     
  • ADAU1772 (2012 г.) – малопотребляющий аудиокодек с цифровым сигнальным процессором, предназначенный для стереонаушников, гарнитур с компенсацией шума, цифровых фото- и видеокамер, персональных навигационных устройств. Цифровое ядро микросхемы выполняет фильтрацию, регулировку громкости, контроль уровня сигнала и микширование. Для реализации конечных решений микросхеме требуются несколько пассивных компонентов, кварцевый резонатор и ЭСППЗУ для начальной загрузки. В микросхеме применены 24-разрядные АЦП и ЦАП с частотой дискретизации до 192 кГц. Напряжение питания 1.8-3.3 В, мощность потребления порядка 15 мВт.

При знакомстве с аудио продуктами компании, разработанными после 2000 года, становится понятно, что большинство преобразователей звуковых данных рассчитаны на массовые сегменты индустрии звуковоспроизведения, в основном, автомобильные системы, домашние кинотеатры и портативные гаджеты. Например, рассмотренные выше аудиокодеки фактически осуществляют двойное преобразование – из аналоговых входных сигналов в цифровые, а из них снова в аналоговые, что, конечно, не способствует повышению качества звука. Цифровые части кодеков нужны только для различных регулировок и коррекции характеристик, осуществляемых микроконтроллерами систем, в которые они установлены. Последняя микросхема ЦАП компании класса Hi-End – AD1955 разработана в 2002 году. В каталоге ADI 2015 года она отсутствует, однако эта микросхема имеется на складах многих дистрибьюторов электронных компонентов.

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
AD1955 Купить ЦенаКупить AD1955 на РадиоЛоцман.Цены — от 320 до 1 355
26 предложений от 19 поставщиков
ИС ЦАП для аудиосигналов IC 24 Bit 192kHZ 123 Db DNR w/SACD
Триема
Россия
AD1955ARSZRL
Analog Devices
320 ₽
Элитан
Россия
AD1955ARSRL
Analog Devices
368 ₽
Зенер
Россия и страны ТС
AD1955ARSZ
Analog Devices
от 735 ₽
ВартаAD1955ARS
Analog Devices
по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя