Проектируем деглитчер для параллельного ЦАП

[dortonyan]

Несколько лет назад (ох уже 7 лет прошло) я опубликовал свои наработки по схемотехнике составных гибридных параллельных ЦАП на инструментальных конверторах и резисторных матрицах:
https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post1942720

Статья содержит реверс-инжениринг описание схемотехники легендарного гибридного ЦАПа D20400 (с неточностями, но не принципиальными), а так же описание новых вариантов составных ЦАП.
Но на этом схемотехника гибридных ЦАП конечно не исчерпывается, есть множество иных вариантов, в том числе на резисторных сборках. В частности, появление ультрапрецизионных сборок, типа LT5400 со взаимным дрейфом резисторов 0,2ppm позволяет сегодня вдохнуть новую жизнь в хорошо забытую старую схемотехнику параллельных ЦАП.

Однако все эти изыскания построения гибридных составных конвертеров были бы невозможны без деглитчера, описание которого заняло отдельную главу в публикации.
В отличие от схемотехники ЦАП, вариаций построения деглитчеров практически нету. Поэтому описание УВХ в публикации можно считать вполне завершенным.

Тем не менее, в любой схемотехнике есть нюансы, и судя по зародившемуся здесь https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post2979940 обсуждению, таких нюансов достаточно много.
Поэтому предлагаю продолжить в новой ветке. А в качестве опорного варианта схемотехники рассмотреть последнюю собранную вариацию моего составного ЦАП с УВХ деглитчером:
https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post2342889

[Alex]

Переношу по просьбе dortonyan, чтобы не все было в заглавном мобщении темы:

Т.е. стоит оставаться на таких как у тебя TS5A63157 или на 4053?

Про 4053 не понял. Про TS5A63157 - в принципе вариант нормальный, но утечки великоваты. Я его использую в основном как проверенный и самый шустрый.
Для снижения шума на этих ключах емкость хранения приходится делать минимум 100пик. При этом, для быстрого сеттлинга резистор в ООС приходится опускать до 1к, что не все ОУ потянут. Поэтому у меня в планах опробовать TS5A9411 и ADG772. Оба варианта - лучшее, что нашел у всех производителей по параметрам: скорость, утечки, сопротивление канала и емкости.

Кстати, я тут подумал - а если в I/V ввести смещение нуля (если его там изначально нет), то ключ будет работать тоже при смещении (лучше конечно в плюс), и не надо ему 2-полярного питания и соотв. сложностей с управлением. А смещение можно скомпенсировать в выходной каскаде (LPF) или разделительным конденсатором, в крайнем случае.

Я тоже такой вариант рассматривал. Но в итоге отказался, ибо простота такого решения только кажущаяся. В режиме выборки вход УВХ будет со смещением, что в принципе не проблема. Но в режиме хранения среднюю точку цепи ООС УВХ нужно коммутировать к земле. И вот здесь появляется проблема, т.к. земля оказывается смещена относительно входов ОУ. Т.е. для такой реализации придется делать виртуальную землю, причем широкополосную, что еще сложнее, чем смещение питания ключей.

Да, наверное ты прав.
Про 4053 - это три SPDT в одном корпусе, но нет, она медленная.

[dortonyan]

Я сразу тоже все искал ключи с 2-х полярным питанием. Ну очень не хотелось делать смещение уровня. И зря, все получается достаточно просто.
Для ключей TS5A63157 эмпирически выявлено, что оптимальное смещение питания для них в минус около 1..1,5В, в плюс 2..2,5 (чтобы суммарно получить около 3,3В). Исходя из стандартных напряжений опорников питания напряжения получаются: в минус 1,2В и в плюс - 2.048В.
Для ключей ADG772, судя по ДШ оптимальное питание будет примерно такое же. Для TS5A9411 - не понятно, но можно предполагать что тоже где-то там же, поскольку структура ключей примерно одинакова. Даже если это не так, то не страшно, т.к. неоптимальная средняя точка питания ключа всего лишь обеспечит повышенный глитч ключей УВХ.
Возможно кто-то развернет данный момент более подробно и грамотно, но я полагаю, что это связано со схемотехникой ключа. Т.к. такой ключ делается из пары N и P канальных полевиков, и т.к. у P-полевика при прочих равных либо выше сопротивление канала, либо больше емкости, то оптимальная средняя точка питания смещается от середины вниз.

Отмечу, что разделительная емкость - не только простое решение, но и весьма полезное, если не сказать обязательное, с точки зрения безопасности схемы УВХ (если по какой-то причине тактирование УВХ прекратилось не штатно). Если при этом УВХ замерло в режиме выборки, то ничего страшного, получится простой инвертор. Но если сигнал деглитчера замрет в состоянии хранения, то емкость хранения через несколько секунд разрядится токами утечки переводя выход ОУ УВХ в ограничение.
Использование разделительной емкости позволяет исключить такую ситуацию, если подтяжка после емкости (со стороны ключа) переводит ключи в состояние выборки.
В моей опубликованной схеме при этом есть недостаток: т.к. смещение ключей сделано парой резисторов, то при изменении скважности сигнала деглитчера смещение средней точки сигнала управления ключами уплывает. Поэтому лучше использовать такую схему бутстрепа:
Она так же развязывает управление ключей по постоянке, но при этом за счет диодного ограничителя строго держит заданное смещение. Два диода образуют падение около 1,2В, т.е. как раз столько сколько надо для смещения к минусовому питанию ключа. А подтяжка R1 задает состояние ключей при отсутствии тактирования деглитчера.

Стоит отметить еще момент.
Управляющая логика ключей с однополярным питанием достаточно простая, что обеспечивает низкую задержку коммутации и низкий джиттер коммутации. Но по этой же причине, такая логика имеет повышенные сквозные токи. У TS5A63157 - несколько миллиампер (точно не помню, вроде порядка 5..10).
Поэтому, во первых управляющий сигнал должен быть строго той же амплитуды что и питание ключа (плюс-минус 0,1..0,2В), во вторых - сигнал управления должен иметь быстрые фронты (что так же полезно для минимального джиттера), ну и в третьих - питание ключей нужно хорошо шунтировать керамикой или полимерами большой емкости (в моей схеме последнее условие не выполнено).

[Alex]

Про питание я, кстати, тоже отметил, когда возился с той схемой, что не для аудио была. По 22мкф керамики Х5 у ног, ей хватило.

Поэтому, во первых управляющий сигнал должен быть строго той же амплитуды что и питание ключа (плюс-минус 0,1..0,2В), во вторых - сигнал управления должен иметь быстрые фронты

Так может, после коденсатора поставить какой-нибудь 74LVC1G125, запитав его той же двуполяркой что и ключи?
(с точки дрения входа, лучше 1G17, но у них задержка вдвое больше).

[tomtit]

По стечению обстоятельств, у меня на столе оказалась последняя разработка, где применен NLAS4053
для переключения опоры с -0.6В на +4В и 500Мгц осциллограф. Ключ работает на провода и маленькую
емкостную нагрузку, поэтому сигнал со звоном, но это не имеет значения.
Розовый луч - вход адреса 0..+5В.
Желтый - выход ключа -0.6..4.0В.
Температура - 22C.
Видно, что быстродействие ~10нс, ключ переключается за ~3-4нс, остальное - драйвер.
По-моему, вполне достойные параметры для ключа с биполярным диапазоном +-3В.
Если учесть, что ключ будет работать вблизи виртуальной земли, при стабилизированном питании,
и постоянной скважности, сомневаюсь что он как-то значимо повлияет на джиттер.
Скорее наоборот, временная нестабильность ДАК будет исправлена УВХ.

[sia_2]

По стечению обстоятельств, у меня на столе оказалась последняя разработка, где применен NLAS4053
для переключения опоры с -0.6В на +4В и 500Мгц осциллограф. Ключ работает на провода и маленькую
емкостную нагрузку, поэтому сигнал со звоном, но это не имеет значения.
Розовый луч - вход адреса 0..+5В.
Желтый - выход ключа -0.6..4.0В.
Температура - 22C.
Видно, что быстродействие ~10нс, ключ переключается за ~3-4нс, остальное - драйвер.
По-моему, вполне достойные параметры для ключа с биполярным диапазоном +-3В.
Если учесть, что ключ будет работать вблизи виртуальной земли, при стабилизированном питании,
и постоянной скважности, сомневаюсь что он как-то значимо повлияет на джиттер.
Скорее наоборот, временная нестабильность ДАК будет исправлена УВХ.

Так и есть, NLAS4053 - в плане скоростных характеристик и джиттера весьма годное решение. Проблема только в том, что у нее нет замен с аналогичными параметрами в том же корпусе - разве что 74vhc4053.

[dortonyan]

Так может, после коденсатора поставить какой-нибудь 74LVC1G125, запитав его той же двуполяркой что и ключи?
(с точки дрения входа, лучше 1G17, но у них задержка вдвое больше).

Так у LVC те же самые сквозняки, плюс-минус. Т.е. эти ограничения желательно соблюдать для любой логики. Просто в УВХ ключи работают рядом со входами ОУ, поэтому там таким моментам нужно уделять больше внимания (для соблюдения ЭМС).

Видно, что быстродействие ~10нс, ключ переключается за ~3-4нс, остальное - драйвер.
По-моему, вполне достойные параметры для ключа с биполярным диапазоном +-3В.

Не спорю, 10..20нс уже достаточно быстро. Но из-за риска повышенного джиттера на таких скоростях желательно какое-то малошумное питание ключей. А на более быстрых ключах можно с питанием особо не заморачиваться.
Я вообще не ставлю жестких рамок в плане скорости. Просто если доступны более быстрые ключи с малыми утечками и емкостями, то лучше использовать их.
Свой самый первый вариант деглитчера я вообще делал как у ультрааналога на D-MOS ключах с BBM логикой на NOR вентилях серии HC. Ключ при этом управлялся через 3! вентиля, а суммарная задержка была наносекунд 20 (за давностью точно уже не вспомню), ну и время открытия самого ключа порядка 5нс. И в общем-то тоже работало, гармошки снижало, и все было хорошо, за исключением низкой надежности ключей, которые пробиваются по любому поводу. До тех пор, пока не попробовал интегральные ключи. Оказалось они делают то же самое, но дешевле, и лучше.

[tomtit]

dortonyan,
Я сначала подумал, что у тебя скважность УВХ 50%.
Есть ли ощутимый выигрыш от скважности, отличной от 50%.

Ничего не имею против емкостной развязки, но боюсь
электромагнитных наводок на дискретные компоненты.
Схема сдвига уровня, с буфером на стороне ключа,
вряд ли будет лучше интегрированного драйвера.

[dortonyan]

Скорее наоборот, временная нестабильность ДАК будет исправлена УВХ.

Поддерживаю. Это, к стати, тоже важная особенность в пользу деглитчера. Ибо джиттер ключа даже не сильно быстрого будет меньше, чем у ЦАП. Часто забывают, что какой низкоджиттерный осциллятор не ставь, все равно апертурная неопределенность упрется в преобразователь.

---------- Сообщение добавлено 19:10 ---------- Предыдущее сообщение было 19:07 ----------

Я сначала подумал, что у тебя скважность УВХ 50%.
Есть ли ощутимый выигрыш от скважности, отличной от 50%.

Вы не ошиблись, в общем-то так и есть. По моим экспериментам оптиум примерно на 50, но это на моем ЦАП-е. Поэтому на всякий случай я допускаю другие скважности, т.к. сильно зависит от ЦАП и от скорости деглитчера.

---------- Сообщение добавлено 19:14 ---------- Предыдущее сообщение было 19:10 ----------

Ничего не имею против емкостной развязки, но боюсь
электромагнитных наводок на дискретные компоненты.

Так а что тут такого? Емкость это же тупо перемычка на частоте деглитчера. Причем ее можно сделать и больше, например 1uF в типоразмере 0402 или 0603. Тогда будет перемычка в полосе чуть ли не от DC.

Схема сдвига уровня, с буфером на стороне ключа,
вряд ли будет лучше интегрированного драйвера.

Так не нужен никакой буфер, я же схемы выложил. Тупо разделительная емкость. Ну и диодики для задания стабильнго смещения.

[tomtit]

Емкостная развязка может увеличить джиттер из-за того, что к
порогу внутреннего драйвера прибавляется шум и нестабильность
отрицательной шины питания ключей. Теоретически, импульсный трансформатор
дал бы более чистое управление, подавив синфазку.

Offтопик:
Когда я собирался сделать И/В на переключаемых конденсаторах для сигма-дельта модулятора на ФПГА,
с весьма высокой частотой переключения (х512), то смотрел в сторону счетверенных TS3А5018.
Но там биполярность была совсем не нужна.

[dortonyan]

Емкостная развязка может увеличить джиттер из-за того, что к
порогу внутреннего драйвера прибавляется шум и нестабильность
отрицательной шины питания ключей.

Согласен, но зато у преобразователя на логике больше джиттер из-за большей задержки. Не берусь утверждать, какой вариант в итоге будет выигрышнее. Но питание можно попробовать качественно зашунтировать, а с внутренней логикой ничего не поделаешь.
Вообще, я только за, если кто-то опробует и поделится альтернативными вариантами. Но пока что ключи с однополярным питанием для меня выглядят более привлекательным вариантом.

[Alex]

Так у LVC те же самые сквозняки, плюс-минус. Т.е. эти ограничения желательно соблюдать для любой логики.

Зато на ключ пойдет сигнал управления с короткими фронтами.

[dortonyan]

Не ну какой-то особо быстрый фронт делать не обязательно. Я имел ввиду что специально заваливать фронт не надо (высокоомными последовательными резисторами).
Достаточно обычного сигнала с триггера реклока деглитчера. Повторюсь, разделительная емкость - это фактически перемычка: какой фронт у источника сигнала деглитчера, такой будет и на ключах. Внутри ключа аналогичная логика, есть даже ключи той же серии: LVC1G3157.

[Alex]

Внутри ключа аналогичная логика, есть даже ключи той же серии: LVC1G3157.

Да ключей всяких много.

О, кстати, знаю классные однополярные DPDT ключики: питание 3-4.3в, Rdson = 6 ом, Cio_off=2pF, Cio_on=7.5pF.
Но только Ton=30ns, Toff=25ns.
Много?

---------- Сообщение добавлено 20:55 ---------- Предыдущее сообщение было 20:49 ----------

О, еще одни нашел - SP3T, но можно и как DPDT использовать.
Однополярное 2.7-5v питание, но при этом позволяет до -1.8в на ключах!
6.5 ом, 1/3пФ, но блин, переключение 60/20нс.

[4321]

Есть такой старый ключ DG201-211
Пишут хай спид.
Двуполярное питание аналога и +5 цифра.
Может что то новое придумали.
Стояли в регуляторе громкости BAT VK5.

[deemon]

Я вот думаю - а может ли дать заметную выгоду схема с двухтактным управлением ? В смысле , если поставить 2 одинаковых кондёра , чтобы когда один включен на вход УВХ , другой подсоединён ключом на выход , а потом они меняются местами - и так постоянно . Теоретически , так как к выходу при этом будут подключены 2 одинаковых ключа с противофазными импульсами - можно будет ожидать подавления помех от ключей ... надо будет как-нибудь это попробовать .

[dortonyan]

Да ключей всяких много.

О, кстати, знаю классные однополярные DPDT ключики: питание 3-4.3в, Rdson = 6 ом, Cio_off=2pF, Cio_on=7.5pF.
Но только Ton=30ns, Toff=25ns.
Много?

---------- Сообщение добавлено 20:55 ---------- Предыдущее сообщение было 20:49 ----------

О, еще одни нашел - SP3T, но можно и как DPDT использовать.
Однополярное 2.7-5v питание, но при этом позволяет до -1.8в на ключах!
6.5 ом, 1/3пФ, но блин, переключение 60/20нс.

В общем лучше, чем TS5A63157/TS5A9411 или ADG772 из однополярных ничего особо не найти. Я уже перелопачивал не раз номенклатуру. Есть еще у он семи NLAS4599, у аналога ADG736/ADG779 но тоже не сильно быстрые. Находил еще что-то у ST, но и там не без недостатков.
А вообще надо пробовать, может не так оно и критично при чистом питании ключей.

Я вот думаю - а может ли дать заметную выгоду схема с двухтактным управлением ? В смысле , если поставить 2 одинаковых кондёра , чтобы когда один включен на вход УВХ , другой подсоединён ключом на выход , а потом они меняются местами - и так постоянно . Теоретически , так как к выходу при этом будут подключены 2 одинаковых ключа с противофазными импульсами - можно будет ожидать подавления помех от ключей ... надо будет как-нибудь это попробовать .

Это известный метод компенсации инжекции ключа дифференциальным сигналом, но в интегральном исполнении. На россыпи такое не реализуемо (ну или сложно реализуемо), т.к. для управления нужен быстрый симметричный дифференциальный буфер.
Да и нет смысла в такой компенсации, классическая дифференциальная схема ключей УВХ нормально все вычитает.

[deemon]

Это известный метод компенсации инжекции ключа дифференциальным сигналом, но в интегральном исполнении. На россыпи такое не реализуемо (ну или сложно реализуемо), т.к. для управления нужен быстрый симметричный дифференциальный буфер.
Да и нет смысла в такой компенсации, классическая дифференциальная схема ключей УВХ нормально все вычитает.

А реализовано в известных устройствах именно с двумя кондёрами , поочерёдно включаемыми то на вход , то на выход - или просто с двумя ключами , один из которых "холостой" ? Два кондёра чем хороши , что получается чисто симметричная схема - 2 кондёра , 4 ключа , и один дифференциальный драйвер - помехи от которого кстати подавлены будут ( при одинаковых ключах ) и на входе , и на выходе .... я бы вообще этот драйвер сделал не на микросхеме , а на мощном дифкаскаде из СВЧ транзисторов ...

[Alex]

А вообще надо пробовать, может не так оно и критично при чистом питании ключей.

Второй из тех что я упоминал, вызывает некоторые сомнения, а вот первый - это TS3USB30E, TS3USB221E.

[dortonyan]

Все хорошо, но что с утечками - не понятно. Соб-но это один из моментов, что бывает находятся отличные ключи, но не все параметры нормированы, т.к. узкоспециализированные приборы. Те, что я приводил - это такие наверняка работающие варианты. А остальное - надо пробовать.

---------- Сообщение добавлено 12:05 ---------- Предыдущее сообщение было 11:50 ----------

А реализовано в известных устройствах именно с двумя кондёрами , поочерёдно включаемыми то на вход , то на выход - или просто с двумя ключами , один из которых "холостой" ?

Может я неправильно вас понял, я имел виду вариант когда один "холостой". Но не суть, все равно такие схемы компенсации в дискрете реализовать сложно. Постоянку компенсировать можно, но амплитуду глитча - навряд ли. Ну я по крайней мере так не умею.
Из экзотических вариантов я пробовал емкость хранения заряжать не в ООС ОУ, а выходом ОУ в землю. Т.е. когда один вывод емкости всегда включен на выход ОУ, а второй в режиме выборки включен на землю, в режиме хранения - на минус вход ОУ. Но работало оно тоже как-то не очень.
В итоге пришел к выводу, что на россыпи коммутируемый дифференциальный интегратор - самое простое и эффективное решение.

Два кондёра чем хороши , что получается чисто симметричная схема - 2 кондёра , 4 ключа , и один дифференциальный драйвер - помехи от которого кстати подавлены будут ( при одинаковых ключах ) и на входе , и на выходе .... я бы вообще этот драйвер сделал не на микросхеме , а на мощном дифкаскаде из СВЧ транзисторов ...

Ну вот сложно все это, и очень громоздко. В теории вроде все хорошо, но на деле - вы не забывайте, что вся эта схема будет висеть на входах ОУ и избежать паразитных наводок будет невозможно. Даже обсуждаемые схемы на ключах требуют аккуратной трассировки входов и ключей, не говоря уже про более сложные варианты.