Пробуем расшифровать TDA1541

[Сухоруков Сергей]

Микросхема TDA1541(A), разработанная фирмой Philips в 80-е годы, по сей день представляет интерес для самодельщиков и ценителей хорошего звука благодаря естественному звучанию ЦАПов на её основе. Секрет – в использовании уникальной схемотехники с динамическим усреднением взвешенных двоичных токов.

Однако использование этой микросхемы представляет определённые трудности из-за недостаточной информации о её структуре. Datasheet на TDA1541 очень скуп и невразумителен. Сведения о внутренней схемотехнике TDA1541, почерпнутые из других источников, нередко противоречивы.

Это, с одной стороны, приводит к сложностям проектирования ЦАПа на этой замечательной микросхеме, в частности, организации грамотной обвязки. С другой стороны, TDA1541 обнаруживает ряд недокументированных способностей, например, способность работать от источников цифрового потока с перепадом логических уровней менее 400 мВ.
Чтобы как-то разобраться в структуре TDA1541 я прочитал немало форумов, определённости они почти не добавили. Наконец, наткнулся (спасибо коллеге s3tup) на монографию 1989 года “High-speed and high-resolution analog-to-digital and digital-to-analog converters” Rudy van de Plassche, одного из разработчиков семейства TDA1540, TDA1541, TDA1541A. Картина прояснилась, хотя не полностью. Некоторые аспекты остались в плотной пелене тумана, например, устройство входных каскадов, принимающих цифровой поток, роль источника -5В и т.д.
По материалам указанной монографии, данным из datasheet и по материалам с некоторых форумов diyAudio я попытался воссоздать внутреннюю схемотехнику TDA1541(A). Получившаяся схема неполна (возможно, кто-то дополнит), но, как мне представляется, окажет помощь тем, кто использует эту микросхему в своих разработках.

Результат моих изысканий – в приложении.

[Sanny]

На самом деле всё не так просто. Наличие некратного DEM-клока приводит к появлению биений с сигналами бит-клока и ворд-клока (интерференция сигналов внутри чипа, через подложку).
Кроме того, как обеспечить при таком подходе завершение DEM-цикла в течение преобразования одного семпла? Для этого нужно, чтобы частота DEM-клока была кратна учетверенной частоте Fs.

При таком подходе надо и фазу учитывать(если вместо кондера подавать свою частоту).
насчет биений-если частоты ДЕМ и вордклока близки(за счет выбора кондера между 16 и 17 ногами),но не одинаковы то биения будут более заметны,чем если бы они существенно отличались
Скорее всего емкость в даташите и выбрана такая,что-бы биения были выше звуковой частоты

[Сухоруков Сергей]

При таком подходе надо и фазу учитывать(если вместо кондера подавать свою частоту).

Фазу учитывать не надо - она навязывается внешним сигналом.
И потом, как быть с тем, что за время преобразования одного семпла желательно усреднить ток делителя по всем четырём позициям (идеальный случай)?

[Sanny]

Решил проверить сигналы на DEM-выводах (выводы 16,17) TDA1541A при штатной синхронизации с помощью встроенного мультивибратора с эмиттерными связями. Меня давно терзали сомнения по поводу качества этого решения. Осциллограммы – в приложении. На первой картинке показаны сигналы на выводе 16 (на выводе 17 сигнал аналогичен со сдвигом по фазе) при штатной емкости DEM-конденсатора – 470 пФ. Вторая осциллограмма соответствует ёмкости 160 пФ.
Видно, что при штатной ёмкости конденсатора генерируемая частота в данном случае составляет 217 кГц (для периода, выделенного вертикальными метками), а для уменьшенной ёмкости – 952 кГц.
Плохо то, что интервалы времени между пиками всё время меняются – частота флюктуирует. Это означает сильный джиттер тактового сигнала. Причём, это характерно для разных значений времязадающей ёмкости.
Если посмотреть картинку с более высокочастотным сигналом, видно, что период, отмеченный метками занимает примерно половину деления. А в предыдущем периоде, слева, расстояние между пиками явно больше (где-то на 30%), чем половина деления по горизонтали. Два периода справа похожи на контрольный период, а третий – заметно больше (тоже где-то на 30%). Это означает: 1) безобразный джиттер тактового сигнала; 2) формируемые сдвиговым регистром тактовые интервалы будут неравномерны, внося ошибку в работу активных делителей тока.
Не радует взор и картинка с низкочастотным сигналом. Например, период справа от контрольного по продолжительности заметно меньше, чем контрольный, обозначенный вертикальными метками.
К тому же ещё и амплитуда сигналов сильно меняется.
Вот такой вот этот зверь – штатный DEM-клок.

А какой воспроизводился сигнал? И нельзя ли это же глянуть на выходах ДЕМ?

[Сухоруков Сергей]

А какой воспроизводился сигнал?

Работа DEM-генератора не зависит от воспроизводимых сигналов, она автономна.

И нельзя ли это же глянуть на выходах ДЕМ?

Как-нибудь посмотрю. Сразу могу сказать, что более-менее внятный сигнал присутствует на старшем разряде. На младших всё тонет в шумах (смотрел на макете).

[Sanny]

Работа DEM-генератора не зависит от воспроизводимых сигналов, она автономна.

Но отчего-то период плавает,одна из возможных причин- корреляция с сигналом

Как-нибудь посмотрю. Сразу могу сказать, что более-менее внятный сигнал присутствует на старшем разряде. На младших всё тонет в шумах (смотрел на макете).

Ну,если и на ДЕМ будут неравные интервалы-значит метод не отрабатывает.Насчет фазы-в идеале частоты вордклока и дема должны быть не только кратны и синхронны, но и сфазированны,т.е.начала перепадов должны совпадать и,соответственно,если предусматривать подачу внешнего сигнала для ДЕМ,то желательно предусмотреть и возможность корректировки его фазы

[Сухоруков Сергей]

Но отчего-то период плавает,одна из возможных причин- корреляция с сигналом

Причина проста - такова природа мультивибратора. У него частота нестабильна по определению, если только не мультивибратор не синхронизирован внешним стабильным сигналом.

Ну,если и на ДЕМ будут неравные интервалы-значит метод не отрабатывает.

По смутным воспоминаниям, периоды были внешне одинаковы, но измерением этих сигналов я не занимался.

Насчет фазы-в идеале частоты вордклока и дема должны быть не только кратны и синхронны, но и сфазированны,т.е.начала перепадов должны совпадать и,соответственно,если предусматривать подачу внешнего сигнала для ДЕМ,то желательно предусмотреть и возможность корректировки его фазы

Синфазность на самом деле не требуется (лишь бы сдвиг фаз оставался постоянным). Это нетрудно понять, если представить, что из-за несинфазности один из токов активного делителя будет протекать (вначале) не весь отведенный ему интервал (скажем, одну треть), три других тока будут протекать отведенные им интервалы полностью и ... останется ещё 2/3 интервала, в течение которых потечёт снова первый ток, итого 1/3+2/3=1 интервал. Так что все токи успеют внести одинаковый вклад в усреднение тока активного делителя, сдвиг фазы - не помеха.

[Сухоруков Сергей]

насчет биений-если частоты ДЕМ и вордклока близки(за счет выбора кондера между 16 и 17 ногами),но не одинаковы то биения будут более заметны,чем если бы они существенно отличались

Это не совсем так. Допустим, частота DEM-клока равна Fs. Тогда частоты биений с Fs будут: 0 Гц (постоянный ток) и 2Fs (88 кГц, далеко за пределами звукового диапазона). Будут комбинационные частоты ещё дальше в сторону высоких частот, но они существенно менее заметны.

Биения с битклоком будут в радиодиапазоне.

Теперь представьте, что частота DEM-клока равна 8Fs. Тогда частоты биений будут: 7Fs, 9Fs, менее заметные по амплитуде 6Fs и 11Fs и т.д. - всё далеко за звуком.

Когда DEM-клок не синхронизирован, биения всё время будут меняться по частоте, что делает их субъективно более заметными.

[Игорь Гапонов]

1.Если частота переключений DEM-ячеек кратна частоте дискретизации, или точнее- синхронна с обновлением данных на выходе ЦАПа, то все "биения" банально-тривиально синхронны с этим обновлением. Но синхронная частоте дискретизации помеха в этих ЦАПах ничем таким от аналогичной помехи при применении "обычного порошка" (трад. мультибитников) не отличается. Где в традиционных ЦАПах находятся "интегрирующие конденсаторы"? Они не нужны! Всё сделает "восстанавливающий фильтр" (я считаю, лучший восстанавливающий фильтр- ухо+мозг). Т.к. для авторской фишки в 1540/41-й необходимо за время между обновлениями попереключать все N DEM-источников тока одной ячейки ( и этих источников должно быть неменее двух, иначе выйдет обычный порошок), то мин. DEM-частота= N*Fd.

2. Научные представления о человеческом слуховом восприятие фазового дрожания , точнее - восприятия искажений временнОго масштаба (заметность, пороги), нынче находятся в эмбриональном состоянии. У меня есть педположение, что "джиттер" хорошо слышно, когда он каким-то обазом "упорядочен". Например, имеет НЧ-биения из-за ФАПЧ, или коррелирован-связан с сигналом. Самый безвредный по моему имху - шумоподобный джиттер (типа, фазовой рандомизации им. Лихницкого). В этом смысле дрожание фронтов импульсов DEM-мультивибратора похоже на ФАПЧ.

Оба пункта сильно уговаривают нас открытым текстом повышать частоту DEM-мультивибратора и синхронизировать её с Fd.

[Сухоруков Сергей]

Оба пункта сильно уговаривают нас открытым текстом повышать частоту DEM-мультивибратора и синхронизировать её с Fd.

Повышение частоты тоже приемлемо до определённых пределов. И дело тут не в ограниченности частотных возможностей 1541, а у усилении шумов и помех. С точки зрения шумов и помех, быстродействие входных сигналов (в том числе тактовых) желательно снижать. В итоге, оптимальная частота DEM-клока - это некий компромисс.

[Игорь Гапонов]

не в ограниченности частотных возможностей 1541, а у усилении шумов и помех. С точки зрения шумов и помех, быстродействие входных сигналов (в том числе тактовых) желательно снижать. В итоге, оптимальная частота DEM-клока - это некий компромисс.

Шумы и помехи (ошибки) - относительны Информации. Без научного знания порога восприятия временных искажений остаются лишь предположения (см. мой "пункт 2").

[Сухоруков Сергей]

Иронизировать можно сколько угодно, факт остаётся фактом: чем больше частота и круче фронты у сигналов, тем больше энергия наводимых этими сигналами помех.

[Игорь Гапонов]

В теории радиоприёмных устройств в разделе "Ключевые преобразователи частоты" говорится немного не так: чем быстрее переключение или, что тоже самое- чем выше крутизна фронтов переключения, тем выше ДД (т.е. меньше ошибка преобразования и выше помехозащищённость преобразователя), но ДД падает с ростом частоты переключения. Это эффект известен давно, как амплитудно-фазовая конверсия. См., например,

http://www.twirpx.com/file/113701/

С другой стороны, нам до сих пор не известно, почему при равной энергии к одним помехам ухо более чувствительно, а к другим менее чувствительно. И сдаётся мне, что существует настолько мелкая "временнАя пикселизация" (т.е. настолько высокая частота дискртизации непрерывного сигнала), что любые её динамические изменения совершенно ухом не воспринимаются. Главное, чтобы эта "временнАя пикселизация" не была крупнее корректно определённого экспериментально значения.

Вот и вся ирония.

[Сухоруков Сергей]

Приведённый Вами пример немножко из другой оперы. Радиоприемные устройства и линейные устройства звукового диапазона - разные устройства (ну, это-то и так очевидно), и понятие ДД имеет для них разный смысл. В одном случае мы имеем импульсный сигнал радиочастотного диапазона с НЧ-модуляцией, в другом - звуковой сигнал.
Слова (или буквы ДД) одинаковые, влияющие факторы разные.

[Сухоруков Сергей]

Для интересующихся выкладываю перевод главы 9 монографии van de Plassche.

[dortonyan]

Offтопик:
Сергей, спасибо за переводы.
Статьи интересные, а на английском чтать поленился.

[Сухоруков Сергей]

Рад, что этот материал пригодился не только мне.

[Игорь Гапонов]

Приведённый Вами пример немножко из другой оперы...

Жаль, что Вы не замечаете существенной общности и существенной разницы двух сигналов, несущих Информацию: приборного и слухового. В моих последних сообщениях это всё написано открытым текстом.

Offтопик:
Между прочим, на входе обычного радиоприёмника электромагнитная обстановочка очень даже напоминает обстановочку на входе звуковго тракта. И требования по НЭ (нелинейные эффекты) и к ДД ( ) и там и там практически одинаковы

[Вячеслав_М]

Пробовал играться подбором емкостей, - от 470 до 220 пф. Максимум, что показалось это почти неуловимое расширение стереобазы, если повышать частоту (но скорей всего все таки показалось).
PS
Разрешающая способность системы повыше чем у электростатов, магнепанов и пр.

[pyos]

Разрешающая способность системы повыше чем у электростатов, магнепанов и пр.

Offтопик:
Это на чём же система собрана?

[Вячеслав_М]

Offтопик:
Это на чём же система собрана?

Динамики делаю по своей разработке, система - пирамиды, - все остальное в личку, - здесь речь о другом