Цап для активной АС на AD1853/AD1955
Предлагаю обсудить вариант аналоговой части ЦАП на AD1853 для активной АС. Прежде чем представить свою схему, хотелось бы выразить признательность участникам форума, прежде всего Дмитрию Андронникову, анализ конструкций которого является отличной школой. К сожалению, прямое повторение чужих конструкций далеко не всегда целесообразно, зачастую приходится адаптировать их под свои условия и требования. Для меня, наряду с качеством (без фанатизма), важными приоритетами являются доступность и распространенность компонентов (Digikey например), некритичность к ним схемы и некий допуск на неидеальность конструкции (неоптимальность трассировки, паразитные емкости и индуктивности платы, высокий уровень помех).
Поскольку с осени и вплоть до недавнего времени в онлайн магазинах отсутствовали в наличии микросхемы AD1853, я проектировал ЦАП для AD1955. Сейчас AD1853 снова в продаже и я предлагаю к обсуждению вариант именно для AD1853 в моно включении. Схема для AD1955 требует лишь небольших непринципиальных изменений. В конструкции предполагается использовать широкораспространенные и дешевые AD8066 (обоснованные предложения по замене приветствуются) и обычные микросхемы стабилизаторов.
Данный модуль предполагается как часть усилителя активной АС. Чтобы минимизировать паразитные излучения цифровой части, инвертор цифровых данных для правого канала AD1853 (необходим для в моно-включения) решено было перенести в модуль коммутации входов и управления. Цифровой сигнал в АС ограничен таким образом цепью: приемник LVDS-ISO-ASRC-DAC. Правомерность инвертирования данных одного из каналов не непосредственно перед AD1853, а перед перед ASRC я обосновал для себя тем, что данные для правого и левого канала преобразовываются в ASRC с идентичными коэффициентами и преобразование должно быть практически симметричным (вероятно в пределах младшего значащего разряда) для прямого и инвертированного сигналов.
В аналоговой части основное внимание уделялось минимизации влияния помех и паразитных связей по питанию. Помимо RC развязок, с этой целью минимизированы колебания потребляемого тока для всех каскадов. Основной сигнальный ток усиливается эммитерными повторителями и поскольку оба аналоговых плеча преобразователя работают в противофазе, суммарный потребляемый ток вполне может быть равным нулю. Необходимым условием для этого является равенство сопротивлений нагрузок каждого каскада. Именно с этой целью, а не для реализации балансного выхода, I/U преобразователь нагружен на два противофазных ФВЧ (входное сопротивление плеч обычного ФНЧ-вычитателя отличается в несколько раз для противофазных сигналов).
Поскольку токи нагрузки выходов ФНЧ могут значительно отличаться, дополнительно установлен транзистор 2N3906 возвращающий переменный ток нагрузки в земляную шину.
В итоге, переменный ток в шинах питания определяется в основном токами базы дискретных транзисторов и разбросом величин резисторов и конденсаторов в ФНЧ (единицы-десятки мкА при классе точности 0.1-1%) Это, при прочих равных условиях, значительно снижает требования к интегральным стабилизаторам питания и электролитическим конденсаторам на их выходе, емкость которых может быть значительно уменьшена. Кроме того, симметричное построение позволяет развести земляные проводники аналоговой части таким образом, что сигнальный ток в земляной шине будет присутствовать только локально, между соответствующими выводами элементов плеч и в цепи: выход – выходные 2N3904 – 2N3906 – земля – выход.
Применение эммитерных повторителей исключает смену полярности выходного тока ОУ, что должно благоприятно сказаться на искажениях. Недостатком такого умощнения является меньший запас по фазе в петле ООС. Принимая во внимание изначально небольшой фазовый запас многих ОУ (< 60° для AD8066), работу каскадов на частично емкостную и/или низкоомную нагрузку, паразитные эффекты и т.д., стоит принять меры к обеспечению достаточной устойчивости ОУ. В данном ЦАП, я предполагаю использовать сравнительно высокочастотные ОУ совместно с дополнительной петлей ОС ограничивающий полосу ОУ до 10-20 МГц; такой ОУ, с одной стороны имеет достаточное для линеаризации транзистора усиление, а с другой – минимальный фазовый сдвиг на частоте замыкания ООС. Таким образом, вызываемый транзистором дополнительный сдвиг фазы мало влияет на устойчивость каскада.
Необходимо отметить, что зачастую действительная необходимость дополнительной петли ООС возникает только при работе на емкостную нагрузку каскада U/I, существенно активное сопротивление нагрузки ФНЧ вполне позволяет обходится без нее. Основное назначение этой цепи в данной конструкции – сократить пусть сигнала ООС на частотах малого петлевого усиления, чтобы минимизировать наводки в контуре ООС. Таким образом в этом каскаде вполне можно применить низкочастотный ОУ в обычном включении. Что лучше – один из вопросов отрытых для дискуссии.
Работа I/U каскада имеет несколько специфических особенностей. К сожалению, очень мало говориться и роли выходной емкости микросхемы ЦАП. Будучи присоединенной к инвертирующему входу ОУ она значительно уменьшает его запас по фазе. Более того, один из немногих действительно эффективных способов уменьшить помехи на входе I/U каскада это дополнительное шунтирование выхода ЦАП конденсатором. В таких условиях единственным способом обеспечить корректные условия для ОУ является конденсатор (или RC цепь) с выхода ОУ на его инвертирующий вход. Беда только в том, что в результате подключенная к выходу ОУ емкость зачастую оказывается чрезмерной и его работа в таких условиях практически невозможна. Полагаю, что многократно отмеченные Дмитрием Андронниковым отличные результаты с OP42 и AD823 определяются в какой-то степени именно способностью этих микросхем работать на весьма высокую емкость. Как пример, в ЦАП Lynx19 и Lynx37 емкость на инвертирующем входе ОУ составляет примерно 400пФ. Стоит ли говорить, что применение на этом месте той-же AD8065 (максимальная упоминаемая в спецификациях емкость на выходе – 20пФ) абсолютно некорректно.
С этой точки зрения применение эммитерного повторителя имеет очевидные достоинства. Работа транзистора с высоким током покоя обеспечивает низкое выходное сопротивление и позволяет шунтировать выход ЦАП конденсатором большей чем обычно емкости. Причем необходимую устойчивость нетрудно обеспечить если применить упомянутое выше включение с многопетлевой ОС. Конденсатор большой емкости эффективнее подавляет помехи ЦАП. Кроме того, такое включение менее критично к микросхеме I/U позволяя желающим выбрать подходящий ОУ «на слух» практически единственный дополнительный критерий – достаточная высокочастотность прибора.
Последней особенностью предлагаемой схемы является однополярное включение каскада I/U. Единственным его недостатком можно назвать большое отношение амплитуды переменного напряжения к напряжению питания. Впрочем, учитывая возможность подключения к умощняющему повторителю сравнительно низкоомного резистора обратной связи, а также возможное дополнительное усиление в ФНЧ, эта особенность легко обходится. Основным положительным моментом является типичное для большинства ОУ лучшее подавление помехи по положительному питанию, что дополнительно повышает помехозащищенность самого уязвимого каскада ЦАП.
Сообщение от ViktKors
( 
Социальные закладки