Data sheet Burr-Brown PCM63 (Техническая спецификация ЦАПа PCM 63)
ОПИСАНИЕ
PCM63P - это прецизионный 20-разрядный цифро-аналоговый преобразователь с ультранизкими искажениями. Встроенная в PCM63P уникальная коллинеарная архитектура с двумя ЦАП на канал устраняет нежелательные глюки и другие нелинейности в районе нуля биполярного сигнала. PCM63P также отличается очень низким уровнем шума (116 дБ макс. SNR; A-взвешенный метод) и быстрое установление выходного тока (200 нс, шаг 2 мА), способный к 16-кратной передискретизации. Области применения включают в себя частотный синтез с очень низким уровнем искажений и высококлассные потребительские и профессиональные цифровые аудиоприложения.
ОСОБЕННОСТИ
- Коллинеарный 20-битный аудио ЦАП
- Практически идеальная работа на низком уровне
- Безглючный выход
- Ультранизкий -96 дБ макс THD+N (без внешней регулировки)
- 116 дБ SNR min (метод A-Weight)
- Стандартный промышленный формат последовательного входа
- Быстрый (200 нс) выходной ток (±2 мА; ±2% макс.)
- Возможность 16-кратного усиления
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Электрические: все характеристики при 25°C и ±VA и ±VD = ±5V, если не указано иное.
ТЕОРИЯ РАБОТЫ
Коллинеарная архитектура двойного ЦАП: в цифровых аудиосистемах традиционно используются ЦАПы с лазерной наводкой, ЦАПы с токовым источником для достижения достаточной точности.
Однако даже самые лучшие из них страдают от потенциальной низкоуровневой нелинейности из-за ошибок на основном биполярном переходе переноса нулевого перехода.
Совсем недавно были разработаны ЦАП, использующие другую архитектуру, в которой используются методы формирования шумов и очень высокие частоты передискретизации, были представлены (“Bitstream”, “MASH” или 1-битные ЦАП). Эти ЦАПы преодолевают проблему линейности низкого уровня, но только за счет соотношения сигнал/шум, и часто в ущерб разделения каналов и интермодуляционных искажений, если последующие схемы не разработаны тщательно.
PCM63 - это новое решение проблемы. Он сочетает в себе все преимущества обычного ЦАП (отличные показатели полной шкалы, высокое отношение сигнал/шум и простота использования) с превосходными низкоуровневыми характеристиками.
Два ЦАПа объединены в комплементарной схеме для получения чрезвычайно линейного выхода. Оба ЦАП имеют общий опорный сигнал и общую лестницу R-2R для обеспечения идеального отслеживания при любых условиях. Чередование отдельных битов каждого ЦАП и использование точной лазерной подрезки резисторов достигается высокоточное согласование между ЦАПами.
Этот новый, взаимодополняющий линейный или двойной ЦАП Colinear подход, который отступает от нуля с небольшими шагами в обоих направлениях, исключает любые глюки или “большие” ошибки линейности и обеспечивает абсолютный выходной ток. Низкий уровень характеристики PCM63P на низком уровне таковы, что реальное 20-битное разрешение может быть реализовано, особенно в районе критической двухполярной нулевой точки. В таблице I показано преобразование, выполняемое внутренней логикой PCM63P из двоичного дополнения (BTC).
Также результирующие внутренние коды для верхнего и нижнего ЦАПов (см. блок-схему на первой странице). Обратите внимание, что только LSB-порции обоих внутренних ЦАП изменяются вокруг биполярного нуля. Этим объясняется превосходная производительность PCM63P в этой области работы.
ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Суммарные гармонические искажения + шум
Ключевой характеристикой PCM63P являются общие гармонические искажения плюс шум (THD+N). Считывание слов цифровых данных в PCM63P происходит с частотой, в восемь раз превышающей стандартную частоту дискретизации компакт-дисков 44,1 кГц (352,8 кГц), так что на выходе реализуется синусоидальный сигнал с частотой 991 Гц.
Для производственного тестирования выход ЦАП поступает на преобразователь I к V, затем на усилитель с программируемым коэффициентом усиления для обеспечения усиления при более низких уровнях выходного тестового сигнала, а затем через фильтр низких частот 40 кГц перед подачей на аналоговый анализатор искажений.
На рисунке 1 показана блок-схема производственной установки THD+N. Для звукового диапазона THD+N PCM63P является практически плоским для всех частот. Типичная кривая характеристик, “THD+N vs Frequency”, показывает четыре различных уровня выходного сигнала: 0 дБ, -20 дБ, -40 дБ и -60 дБ.
Тестовые сигналы получены со специального компактного тестового диска (CBS CD-1). Интересно отметить, что сигнал -20 дБ падает лишь примерно на 10 дБ ниже сигнала полной шкалы вместо ожидаемых 20 дБ. Это объясняется в первую очередь превосходными характеристиками низкоуровневого сигнала в архитектуре двойного ЦАП Colinear PCM63P.
С точки зрения измерения сигнала, THD+N - это отношение Искажения-RMS + Шум-RMS / Сигнал-RMS, выраженное в дБ. Для PCM63P, THD+N проверяется на 100% при всех трех указанных уровнях выходного сигнала с помощью тестовой установки, показанной на рисунке 1. Важно отметить, что эта испытательная установка не включает в себя никаких схем деглитчинга выходного сигнала. Все технические характеристики достигаются без использования внешних дегличеров.
Динамический диапазон
Динамический диапазон в аудиопреобразователях определяется как показатель THD+N при эффективном уровне выходного сигнала -60 дБ, отнесенного к 0 дБ. Разрешение обычно используется в качестве теоретической меры динамического диапазона, но оно не учитывает влияние искажений и шума при низких уровнях сигнала.
Коллинеарная архитектура PCM63P, с ее идеальными характеристиками в районе биполярного нуля, обеспечивает более удобный для использования динамический диапазон, даже если использовать строгое определение аудио, чем у любого ранее доступного цифро-аналогового преобразователя.
Линейность уровня
Отклонение идеального уровня сигнала от фактического иногда называют “линейностью уровня” при тестировании цифровых аудиопреобразователей. См. график “Спектр сигнала -90 дБ” в разделе “Типовые характеристики спектра мощности PCM63P” при выходном уровне -90 дБ. (График “Сигнал -90 дБ” показывает реальный выходной сигнал -90 дБ ЦАП). Отклонение от идеала для PCM63P при таком уровне сигнала обычно составляет менее ±0,3 дБ.
Для графика “Сигнал -110 дБ” в разделе “Типовые характеристики кривых” для генерации выходного сигнала -110 дБ используется истинный 20-битный цифровой код. Такие характеристики возможны только с малошумящими, близкими к теоретическим характеристиками в районе биполярного нуля схемы Colinear ЦАП PCM63P.
Часто тестируемым параметром цифрового аудио является величина отклонения от идеала сигнала частотой 1 кГц при уменьшении его амплитуды от -60 дБ до -120 дБ. Входной сигнал с цифровым ослаблением подается для достижения эффективного выходного уровня -120 дБ, используя только доступный 16-битный код со специального тестового входа компакт-диска.
График “Линейность уровня 16 бит” приведен в разделе “Типичные кривые производительности” для PCM63P, протестированного с использованием этого 16-битного сигнала с затуханием и шумом. Обратите внимание на очень небольшое отклонение от идеала по мере того, как сигнал уменьшается от -60 дБ до -100 дБ.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
SNR канала холостого хода
Другой подходящей характеристикой для цифрового аудиоконвертера является отношение сигнал/шум канала холостого хода (канал холостого хода SNR). Это отношение шума на выходе ЦАП при биполярном нуле по отношению к диапазону полной шкалы ЦАП.
Для этого измерения на цифровой вход непрерывно подается код для двухполярного нуля, в то время как выход ЦАП ограничивается полосой от 20 Гц до 20 кГц и применяется А-взвешенный фильтр. SNR канала холостого хода для PCM63P обычно более 120 дБ, что делает его идеальным для малошумящих приложений.
Монотонность
Благодаря уникальной архитектуре двойного ЦАП Colinear в PCM63P, увеличение значений цифрового входного сигнала всегда приводит к увеличению значений выходного сигнала ЦАП по мере того, как сигнал удаляется от биполярного нуля с шагом в один LSB (в любом направлении).
График “16-битная монотонность” в разделе “Типичные кривые характеристик” был построен с использованием 16-битного цифрового кода с тестового компакт-диска. Тест начинается с 10 периодов биполярного нуля. Затем следуют 10 периодов чередования 1LSBs выше и ниже нуля, затем 10 периодов чередующихся 2LSB выше и ниже нуля, и так далее, пока 10LSBs выше и ниже нуля.
Сигнал затем снова начинается с двухполярного нуля. В PCM63P малошумящие ступени четко определены и увеличиваются практически идеально пропорционально. Такие характеристики достигаются без каких-либо внешних регулировок. Для сравнения, сигма-дельта-архитектуры (“Bitstream”, “MASH” или 1-битные ЦАП) слишком шумные, чтобы даже увидеть изменение первых 3-4 бит (при 16 битах), кроме как по изменению уровня шума.
Абсолютная линейность
Несмотря на то, что характеристики абсолютной интегральной и дифференциальной линейности для PCM63P не указаны, чрезвычайно низкий уровень THD+N как правило, свидетельствует о 16-17-битной интегральной линейности ЦАП, в зависимости от указанного класса. Однако взаимосвязь между THD+N и линейностью не такова, чтобы можно было гарантировать абсолютную линейность для каждого отдельного выходного кода.
Смещение, усиление и температурный дрейф
Хотя PCM63P в первую очередь предназначен для использования в динамических приложениях, спецификации также приведены для более традиционных параметров постоянного тока, таких как ошибка усиления, ошибка биполярного нуля, ошибка смещения биполярного нуля, а также температурный дрейф усиления и смещения.
ЦИФРОВОЙ ВХОД
Временные параметры
PCM63P принимает логические входные уровни, совместимые с TTL. Помехоустойчивость повышается за счет использования дифференциальных архитектуры логических входов с дифференциальным токовым режимом на всех линиях входных сигналов. Формат данных PCM63P представляет собой двоичную двойку дополнения (BTC) со старшим битом (MSB) является первым в потоке последовательных входных битов.
Таблица II описывает точное соотношение входных данных и выходного кодирования напряжения. Любое количество битов может предшествовать 20 загружаемым битам, поскольку только последние 20 будут переданы в параллельный регистр ЦАП после того, как LE (P20, Latch Enable) станет низким. Все передачи битов данных последовательного входа ЦАП (P21, DATA) срабатывают по положительному фронту тактового импульса (P18, CLK).
Последовательно-параллельная
Передача данных в ЦАП происходит по спадающему фронту сигнала Latch Enable (P20, LE). Изменение выходного сигнала ЦАП совпадает с падающим фронтом сигнала Latch Enable (P20, LE). Графическая зависимость этих сигналов приведена на рисунке 2.
Максимальная тактовая частота
Типичная тактовая частота 16,9 МГц для PCM63P определяется путем умножения стандартной частоты дискретизации аудиосигнала 44,1 кГц на шестнадцатикратное умножение (16-кратная передискретизация) стандартного звукового слова длиной 24 бита (44,1 кГц x 16 x 24 = 16,9 МГц).
Обратите внимание: что эта тактовая частота позволяет использовать 24-битную длину слова, хотя на самом деле используется только 20 бит. Максимальная тактовая частота 25 МГц гарантируется, но не является 100% окончательно протестирована. Временные соотношения установки и удержания показаны на Рисунок 3.
Работа с остановленным тактовым генератором
PCM63P обычно работает с непрерывным тактовым входным сигналом. Если тактовый сигнал должен быть остановлен между входными данными словами, последние 20 сдвинутых битов не будут фактически сдвинуты из последовательного регистра в параллельный регистр ЦАП с защелкой до тех пор, пока Разрешение защелки (LE, P20) станет низким.
Разрешение защелки должно оставаться низким до первого такта следующего слова данных, чтобы обеспечить правильную работу ЦАП. В любом случае, время установки и удержания для Data и LE должно соблюдаться, как показано на Рисунок 3.
УСТАНОВКА, ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
Обратитесь к рисунку 4 для правильного подключения PCM63P в режиме отключения напряжения с использованием внутреннего резистора обратной связи. Соединения резистора обратной связи (P9 и P10) должны быть оставить открытыми, если они не используются. Для PCM63P требуется только ±5 В питания.
Оба положительных источника питания должны быть соединены в одной точке. Аналогично, оба отрицательных источника питания должны быть соединить вместе. Нет никаких реальных преимуществ от использования отдельных аналоговых и цифровых источников питания. Важнее, чтобы оба источника питания были как можно более “чистыми”, чтобы уменьшить шум.
Абсолютная линейность
Важнее, чтобы оба источника питания были как можно более “чистыми”, чтобы уменьшить связи между шумами питания и выходом. Развязка источника питания конденсаторы должны быть использованы на каждом выводе питания, как показано на рисунке 4, независимо от того, насколько хороши источники питания. Оба вывода должны быть подключены к аналоговой плоскости заземления как можно ближе к PCM63P.
ТРЕБОВАНИЯ К КОНДЕНСАТОРУ ФИЛЬТРА
Как показано на рисунке 4, можно использовать развязывающие конденсаторы различных размеров, при этом особых допусков не требуется. Размер развязывающего конденсатора смещения также не является критичным, при этом большие значения (до 100 мкФ) дают немного лучшие показатели SNR. Все конденсаторы должны располагаться как можно ближе к соответствующим выводам PCM63P, чтобы уменьшить наводки от окружающих схем.
СХЕМА РЕГУЛИРОВКИ MSB
Почти оптимальные характеристики могут поддерживаться при любом уровне сигнала без использования дополнительной схемы регулировки MSB в PCM63P, показанной на рисунке 5. Возможность регулировки предусмотрена для тех случаев, когда требуется несколько лучший полномасштабный THD+N.
Использование регулировки MSB влияет только на большие динамические сигналы (от 0 дБ до -6 дБ). Это улучшение происходит за счет улучшения согласования усиления между верхним и нижним ЦАПами при этих уровнях сигнала. Это изменение реализуется за счет небольших корректировок весов бит-2 каждого ЦАП. Однако следует быть очень осторожным, поскольку неправильная настройка легко приведет к ухудшению производительности.
Теоретически регулировки кажутся очень простыми, но на практике они довольно сложны. Первый шаг теоретической процедуры заключается в том, чтобы сделать идеальным вес каждого бита-2 по отношению к его коду минус один (настройка каждого потенциометра на нулевую дифференциальную ошибки нелинейности на основных переносах бита-2). Это было бы отправной точкой для каждого 100-киловаттного потенциометра для следующей регулировки.
Затем каждый потенциометр будет отрегулирован одинаково, в противоположных направлениях, для достижения наименьшего полномасштабного THD+N (меняя направление вращения для обоих, если не будет отмечено немедленного улучшения). Эта процедура потребует генерации цифрового кода бит-2 основного кода переноса на вход PCM63P и DVM или осциллограф, способный считывать выходное напряжение для одного LSB (5,72 мкВ) в дополнение к анализатору искажений.
Более практичным подходом будет отказ от минорной коррекции коррекцию основного переноса в бите 2 и только регулировать только согласование усиления верхнего и нижнего ЦАП. Проблема заключается в том, что просто подключив схему MSB к PCM63P, есть вероятность, что веса верхнего и нижнего битов-2 сильно изменятся по сравнению с их ненастроенными состояниями и тем самым негативно влияя на желаемую настройку усиления.
Просто центрирование потенциометров 100 кВт не обязательно обеспечит правильную начальную точку. Чтобы гарантировать, что каждый потенциометр 100 кВт будет установлен в правильную начальную или нулевую точку (без тока в или из выводов регулировки MSB), падение напряжения на каждом соответствующем резисторе 330 кВт должно быть равно 0 В.
Абсолютная линейность
Падение напряжения ±1,25 мВ на одном из резисторов 330кВт будет соответствовать изменению на ±1LSB в нулевой точке по сравнению с ее ненастроенным состоянием (1LSB в токе или 3.81nA x 330kW = 1.26mV). После того как эти начальные точки для каждого потенциометра, каждый потенциометр регулируются одинаково, в противоположных направлениях, чтобы для достижения минимального полномасштабного THD+N.
Если немедленного улучшения, направление вращения обоих потенциометров будет изменено на противоположное. Одно направление потенциометры, вращающиеся в одном направлении, только ухудшат рассогласование усиления и результирующий THD+N, в то время как противоположное направление будет постепенно улучшать, а затем ухудшать THD+N после прохождения через точку отсутствия рассогласования.
Определение правильного начального направления будет произвольным. Эта процедура по-прежнему требует наличия хорошего DVM в дополнение к анализатору искажений. Каждый пользователь должен определить, стоит ли небольшое улучшение THD+N для их приложения стоит ли небольшое улучшение выполнения правильной регулировки MSB.
ПРИМЕНЕНИЕ
Наиболее часто PCM63P применяется в высокопроизводительном и профессиональном воспроизведении цифрового аудио, например, в проигрывателях CD и DAT. Схема на рисунке 6 показывает PCM63P в типичной комбинации с микросхемой приемника цифрового интерфейса форматного приемника (Yamaha YM3623), 8-кратным интерполирующим цифровым фильтром (Burr-Brown DF1700P) и двумя низкочастотными фильтрами третьего порядка (реализованы с использованием Burr-Brown OPA2604AP).
Использование 8-кратного цифрового фильтра увеличивает количество выборок в ЦАП в 8 раз, тем самым снижая необходимость в восстановительного или антивозрастного аналогового фильтра более высокого порядка на выходе ЦАП. Аналоговый фильтр теперь может быть построен используя простую фазово-линейную архитектуру GIC (обобщенный иммитансный преобразователь).
Отличные звуковые характеристики достигаются благодаря использованию в конструкции цифрового фильтра, при этом снижается при одновременном снижении общей сложности схемы. Благодаря превосходным низкоуровневым характеристикам PCM63P идеально подходит и для других высокопроизводительных приложений, таких как прямой цифровой синтез (DDS).
