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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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