ЦАП для Raspberry Pi на AK4490

[Chaa]

Как известно, для работы AK4490 требуется мастерклок, который из Raspberry Pi не выводится. Поэтому нельзя просто подключить AK4490 к Raspberry Pi. Для решения проблемы есть два пути: 1) восстановление мастерклока из битклока с помощью PLL или 2) использование отдельного генератора и работа Raspberry Pi в ведомом режиме.

Восстановленный мастерклок уступает по качеству нормальному генератору, плюс к тому же битклок у Raspberry Pi для частот кратных 44,1 кГц тоже не очень хороший. Правильно будет использовать отдельный генератор и Raspberry Pi в ведомом режиме.

Здесь возникает следующая проблема: AK4490, в отличие от ES9018 и других, не умеет быть мастером I2S шины. Поэтому необходимо применение дополнительных микросхем, которые были бы мастером I2S, вроде WM8804, PCM5122 или ПЛИС.

И тут один японский радиолюбитель предложил интересный способ: Часть 1, Часть 2.

Суть такова:

1. Подаем мастерклок (MCLK) 22,5792/24,576 МГц на вход битклока (BCLK). Получается, MCLK = BCLK.
2. Генерируем вордклок (LRCLK) на основе битклока (BCLK) в Raspberry Pi. Для чего переводим интерфейс I2S в режим SND_SOC_DAIFMT_CBM_CFS (codec clk master & frame slave).
3. Устанавливаем размер фрейма (BCLK ratio) в зависимости от текущей частоты дискретизации потока, например для 44,1 кГц это будет 512,
   для 88,2 кГц будет 256, для 176,4 кГц будет 128, и для 352,8 кГц будет, как и должно быть, 64.
   Соответственно, частота вордклока (LRCLK) станет равной частоте дискретизации.

Получается, что для 44,1 кГц ЦАП работает в таком режиме:
MCLK = BCLK = 22,5792 Мгц, LRCLK = 44,1 кГц, SDATA передает 512 бит данных.

Казалось бы, что это неправильно и возникнут проблемы с работой цифрового фильтра, но, как пишет японец, все работает корректно. По всей видимости это связано с тем, что битклок используется только для загрузки входных регистров и дальше в работе не участвует.

Также, при внимательном прочтении на это нашлось указание в даташите: для режима 7 "32-bit I2S compatible" вход BCLK больше или равен 64fs.



В общем, решил сделать для своего Raspberry Pi 4 ЦАП по этому принципу.
ЦАП предназначен в основном для работы на наушники и делается под такой корпус:



Для того, чтобы несколько уменьшить помехи, решил уменьшить частоту данных в длинных линиях BCLK, SDATA. Для чего поделил мастерклок на 2.

Схема электрическая принципиальная:



Печатная плата прорабатывается. Пока не удается уложиться в обычный размер 65x56 мм с SMD размера 0805.
Увеличивать плату очень не хочется, так как в увеличенном размере (85x56 мм) плату придется приподнять над разъемами Ethernet/USB, после чего нужно будет ставить разъемы RCA/наушники необычным образом, чтобы они попали в отверстия корпуса.

Проект открытый, все чертежи и исходный код драйверов выложу, когда все заработает.

Конструктивная критика приветствуется, особенно в аналоговой части.

[Chaa]

Исправил ошибки в схеме, на печатной плате поправил несколько недочетов в разводке. Сделал чуть красивее и симметричнее.

Дополнительно сделал посадочные места под SMD-электролиты и добавил конденсатор LDO, чтобы можно было установить AK4493.

[maxssau]

С генераторами я бы всё таки сделал не так. Логическое ИЛИ (1G32) или мультиплексор (1G157 и вариации).

На ноги VDDL/R может стоит по соточке электролита/тантала добавить?

[Alex]

Выходные резисторы в Т-цепочке не маловаты?

[Chaa]

С генераторами я бы всё таки сделал не так. Логическое ИЛИ (1G32) или мультиплексор (1G157 и вариации).

На мой взгляд, излишнее усложнение и дополнительный источник помех. У меня стоят Kyocera KC3225K, недорогие (стоят 200 руб. в ЧиДе), с полным гашением генерации. При случайном включении сразу двух не сгорают (я пробовал). Но это может быть только при отладке драйвера, при работе такое не может произойти.

На ноги VDDL/R может стоит по соточке электролита/тантала добавить?

В даташите написано "TI highly recommends using a 10-μF capacitor to maximize ac performance". Поэтому такой и поставил, в надежде, что до сотен килогерц низкое выходное сопротивление обеспечит регулятор, а на мегагерцах уже конденсатор подключится.

Можно заменить C38 на полимер типа такого: PANASONIC EEFCX0J221YR.
Нормально ли TPS7A49 отнесется к такой ёмкости на выходе?

Выходные резисторы в Т-цепочке не маловаты?

Перечитал даташит - да, действительно, нужно бы 20 Ом. Видел, вы писали что для наушников выходное сопротивление не очень важно. Но все равно не хочется делать его большим.

Попробую подключить генератор меандра в точку соединения R21 и R27, и посмотрю, как поведет себя OPA1656 на прямоугольнике на разной нагрузке.

[Alex]

Перечитал даташит - да, действительно, нужно бы 20 Ом. Видел, вы писали что для наушников выходное сопротивление не очень важно. Но все равно не хочется делать его большим.

Не совсем так, для разных наушников по разному.
Но я вообще думал это линейный выход, т.е. на усилитель. На наушники 20+20ом многовато.

---------- Сообщение добавлено 16:33 ---------- Предыдущее сообщение было 16:31 ----------

Но это может быть только при отладке драйвера, при работе такое не может произойти.

А зачем два сигнала для 2-х кварцев? Я обычно использую один сигнал, идущий на один осциллятор напрямую, а на второй через инвертор (транзистор).
Тогда и сигналов меньше и конфликт исключен.

[maxssau]

На мой взгляд, излишнее усложнение и дополнительный источник помех.

1 деталь стоимостью 8р в розницу снимет громадное кол-во потенциальных проблем, на своих платах я не увидел ничего лишнего (помехи/джиттер и пр. )

Нормально ли TPS7A49 отнесется к такой ёмкости на выходе?

я ставил в эти цепи 220-470 мкФ тантал в корпусе Д.

Поэтому такой и поставил, в надежде, что до сотен килогерц низкое выходное сопротивление обеспечит регулятор, а на мегагерцах уже конденсатор подключится.

на досуге сниму PSRR и вых. сопротивление этих стабелей, но не думаю что там будет что-то хуже чем в даташите

[Chaa]

А зачем два сигнала для 2-х кварцев? Я обычно использую один сигнал, идущий на один осциллятор напрямую, а на второй через инвертор (транзистор).
Тогда и сигналов меньше и конфликт исключен.

Так сделано в ЦАПах HiFiBerry. Изначально планировалось использовать часть их драйверов, вроде драйвера клока (clock source) clk-hifiberry-dacpro.c.
Еще в таком варианте можно выключить оба генератора.

я ставил в эти цепи 220-470 мкФ тантал в корпусе Д.

А не пробовали полимерные конденсаторы? Обещают ESR порядка 10-15 мОм и работу до мегагерц.

[maxssau]

А не пробовали полимерные конденсаторы? Обещают ESR порядка 10-15 мОм и работу до мегагерц.

к сожалению нет, ничего на этот счет не могу сказать

---------- Сообщение добавлено 13:38 ---------- Предыдущее сообщение было 13:36 ----------

Обещают ESR порядка 10-15 мОм и работу до мегагерц.

это всё можно на самом дешевском VNA прогрузить (например NanoVNA) и посмотреть, как конкретный конденсатор ведет себя в широком диапазоне частот, те танталовые что я ставил работали до 1 МГц

[BesPav]

Выходные резисторы в Т-цепочке не маловаты?

А в ФНЧ не великоваты?

[Russ3000]

А не пробовали полимерные конденсаторы? Обещают ESR порядка 10-15 мОм и работу до мегагерц.

Даже интересно стало. Померил прибором полимерный 470х50В PH написано на нем, с ростом частоты сопротивление падает на 100Гц 0,06 Ом, 100кГц 0,007.
Аналогичный обычный Рубикон РХ 100Гц 0,24 Ом, 100кГц 0,16.

[Chaa]

А в ФНЧ не великоваты?

В даташите на AK4490 пишут "DC load is 1.5k ohm (min) without a DC cut capacitor. Analog characteristics are sensitive to capacitive load that is connected to the output pin". Поэтому изначально резисторы R20-R23 были по 2K. Для обычного выхода 2В RMS это оптимальное значение.
Я их немного увеличил чтобы с 32-омными наушниками было комфортнее.

[BesPav]

В даташите на AK4490 пишут "DC load is 1.5k ohm (min) without a DC cut capacitor. Analog characteristics are sensitive to capacitive load that is connected to the output pin". Поэтому изначально резисторы R20-R23 были по 2K. Для обычного выхода 2В RMS это оптимальное значение.
Я их немного увеличил чтобы с 32-омными наушниками было комфортнее.

Да тут сложный вопрос, вот смотрите:
1. Крутилка РГ - нужна. Ловчее пожертвовать RCA.
2. Какая чуйка наушников? 1612 не вытянет полный размах на низкочувствительные уши 32 Ома.
3. БОльшие резюки - больший шум. Некритично, но уже неаккуратно.
4. 10 Ом выходного - не с каждыми наушниками сыграется и не каждому это понравится. Я б выкинул и поставил синфазник типа мураты 78602.
5. Алюминиевый корпус - идеальный радиатор для буфера, хотя б 3904/3906 поставьте. Можно мезонинчик еще добавить если на основную плату не лезет.

[Chaa]

Да тут сложный вопрос, вот смотрите:
1. Крутилка РГ - нужна. Ловчее пожертвовать RCA.
2. Какая чуйка наушников? 1612 не вытянет полный размах на низкочувствительные уши 32 Ома.
5. Алюминиевый корпус - идеальный радиатор для буфера, хотя б 3904/3906 поставьте. Можно мезонинчик еще добавить если на основную плату не лезет.

Согласен, но это все возможно только в другом, более просторном корпусе.
Второй этаж некуда - от электролитов до крышки примерно 5 мм.
По питанию тоже впритык - DC/DC дает только 100 мА, из них 15 мА заберет AK4490 (сейчас стоит OPA1656, может до 100 мА, умощнять с таким питанием нет смысла).

4. 10 Ом выходного - не с каждыми наушниками сыграется и не каждому это понравится. Я б выкинул и поставил синфазник типа мураты 78602.

Боюсь, что индуктивность на выходе из-за своего размера наловит помех и станет только хуже.

[BesPav]

Согласен, но это все возможно только в другом, более просторном корпусе.
Второй этаж некуда - от электролитов до крышки примерно 5 мм.
По питанию тоже впритык - DC/DC дает только 100 мА, из них 15 мА заберет AK4490 (сейчас стоит OPA1656, может до 100 мА, умощнять с таким питанием нет смысла).

Ага, грустновато...
OPA1656 ощутимо веселее 1612.
Хотя я б предпочел 6172 или пару 7171/AD8067 с буферами.

Боюсь, что индуктивность на выходе из-за своего размера наловит помех и станет только хуже.

Неее. Это фактически единственный доступный синфазник для случая трёхпроводного подключения 1:1:1.
Иначе помеху с антенны наушникового провода ну совсем никак не отфильтровать, а она заводится прямиком на инвертирующий вход ОУ. Без шансов.

[Alex]

.

10 Ом выходного - не с каждыми наушниками сыграется и не каждому это понравится. Я б выкинул и поставил синфазник типа мураты 78602.

Боюсь, что индуктивность на выходе из-за своего размера наловит помех и станет только хуже.

Не, не наловит, и будет лучше.

[Chaa]

Насколько я понимаю, правильно выход должен быть организован примерно таким образом.
L1 отсекает емкостную нагрузку от ОУ, R1 уменьшает добротность контура L1C1, синфазник L2 и C1 образуют фильтр для наведенной на кабель помехи.


Вероятно, можно сделать проще и использовать синфазник L2 и для отсекания емкостной нагрузки от ОУ, и его межобмоточную емкость вместо C1.
При этом можно увеличить C43 (возможно, уменьшить R38) чтобы R38C43 выступали как снаббер для компенсации неравномерного импеданса нагрузки на ОУ.


Второй вопрос. Если я правильно понимаю, то в справочнике индуктивность указана для синфазного сигнала (Primary Inductance), для противофазного она будет значительно меньше (видимо это Leakage Inductance). И эта индуктивность небольшая, всего 0,2-0,7 мкГн. Вообще, будет ли это работать?

Ну и третий вопрос, какой синфазник выбрать?

[maxssau]

в даташите на 1656 не нашел где он умеет играть на наушники без буфера, если только на 600 Ом

[Alex]

Ну и третий вопрос, какой синфазник выбрать?

У меня в WaVega стоит 78602/4MC.

[Chaa]

в даташите на 1656 не нашел где он умеет играть на наушники без буфера, если только на 600 Ом

Он может выдать (при напряжении на выходе меньше питания на 3В) примерно до 80 мА, а при меньшем до 100 мА.
Для обычных наушников на 32 Ома и с чувствительностью в районе 100 дБ больше и не надо. Но изодинамику с чувствительностью 90 дБ не потянет.

[maxssau]

ИМХО на этом месте лучше бы какой нибудь AD8397

в случае с 1656 интересно было бы взглянуть на THD на НЧ при нугрузке 32 Ом