ЦАП с питанием от USB

[maxssau]

Хочу рассказать об одной плате ЦАП, которая явилась результатом некой "лабораторной работы".

Начало здесь: https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=84956

Учитывая, что это всего лишь хобби, то работа в этом направлении ведется крайне медленно.

Цели создания платы:

- качественный ЦАП, с питанием от USB + опционально аккумулятор (в планах 18650 одна или 2 банки, в зависимости от получившихся габаритов и времени непрерывной работы, так же необходимо учесть время зарядки)
- по возможности наименьший габарит
- минимум редкоземельных компонентов
- USB UAC 1, отсутствие специфических драйверов, в идеале 16/44 - 24/96.
- обязательно качественный выход на наушники.

Что рассматривалось в качестве кандидатов:

CS43L22 и ему подобные чипы (от AKM в том числе) - всё прекрасно, кроме характеристик аналогового выхода.
CS43131 и аналоги - не совсем понятно, есть ли LPF внутри чипа, т.к. производитель в даташите рисует непосредственное подключение к наушникам, а так же питание логики фиксировано и равно 1.8В, что крайне не удобно.

Т.к. палата по сути дела отработка идей и схемотехнических решений было решено взять старенький CS4398. В качестве транспорта - плата Чип И Дип USB Prime на STM32F042F6P6. Формат вывода фиксированный 24 бита 48 кГц Кстати большинство минусов получившейся платы именно по прошивке контроллера.

LPF фильтр по схеме от AK4490 для DSD режима, за исключением первого конденсатора между дифф. линиями (С49 и С55), т.к. выход ЦАПы оказался очень нежным и искажения подскочили до 0.002%, поэтому фильтр получился скорее 2 порядка, чем 3 как заявлено в даташите. ОУ в фильтре - полюбившийся мне LM4562.

Усилитель для наушников - собственная схема, начало здесь: https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post2693677
ОУ - TPA6120A2 паре с LM4562. Номиналы обвязки ОУ подобраны таким образом, что бы Ку усилителя был 1, по сути дела это просто повторитель. Есть определенные "грешки" у данной схемы, но первое прослушивание показало что звук хороший, на замерах мелкий шум и нет роста Кг, это скорее от разводки ПП.

Питание. Здесь всё не однозначно, поэтому было решено попробовать DC-DC преобразователи. Для формирования 5В и 3.3В питания ИМС ЦАП использован AM1LS-0509S-NZ, для двухполярного питания LPF и усилителя для наушников AM2DM-0509DH60-NZ. Сразу на выходе DC-DC стоит простейший LC фильтр. Питание аналоговых цепей от малошумящих LDO стабилизаторов TPS7A4901 и TPS7A3001.
В широкой полосе шума от DC-DC замечено не было, стабилизаторы отлично подавляют пульсации. Напряжение аналоговых цепей +-7В.
Так же на плате есть второй разъем USB для подключения питания, в итоге он не пригодился и не установлен.

Общий потребляемый ток от USB порта составил 330мА при подключенных наушниках 32 Ом и комфортном уровне громкости. В теории можно уменьшить, например заменив ADUM1400 на что то менее прожорливое.

Стабилизаторы для DVDD - LP2985-3V3, для AVDD LP2985-5V0. Для VREF решено было использовать опробованный метод - REF195 и НЧ фильтр.

Применяемая элементная база - в большинстве случает SMD, резисторы, конденсаторы - 0603, что не так удобно при пайке.

Для экономия питания, на плате нет реле MUTE.

Что получилось в итоге:



Замеры:

Скрытый текст

Линейный выход:



Пара картинок с RMAA:



Выход для наушников мало чем отличается от линейного, поэтому приведу только несколько штук, где есть небольшая разница:

[свернуть]

Результат хороший, немного страдает взаимное проникновение, а так же растёт THD+N на ВЧ ( дополнения: после не хитрых манипуляций с номиналами выхлопа, выяснилось, что растет именно шум, а Кг остаётся на том же самом уровне, не зависимо от частоты, скорее всего проблема с какой то из линий питания), но мне разбираться лень, т.к. плата отладочная и будет скорее всего кататься вместе с ноутбуком по командировкам. SNR получился 110 дБ, что не так плохо, но конечно можно было бы и лучше. По идее можно поиграться с фильтрами питания, по крайней мере в LPF.



Из минусов - тонна косяков в прошивке контроллера, так же необходимость убрать поддержку HID, т.к. кнопок нет. Есть проблемы с перезагрузкой. Будет время и желание переделаю, если транспорт перекачует куда то еще. Так же есть проблемы с разъемом наушников, коротит на землю, при вставке в него штекера, нужно искать что то лучше.

Есть проблемы со стартом CS4398 - питание AVDD должно подаваться гораздо раньше DVDD, для этого был установлен супервизор и "замедлен" старт стабилизатора на 3.3В, но этого оказалось не достаточно, поэтому вместо супервизора в итоге прижилась RC цепочка.

По звуку. Звучит ярче чем AKM, без особых акцентов, так же показалось что детализация немного выше чем у 4493. Пару месяцев на отслушку и поиск косяков.

В конечном варианте будет всё таки CS43198, обещают меньший ток потребления, меньшие искажения, но будут определенные неудобства с преобразователями уровней на 1.8В.

[maxssau]

Сергей, спасибо за отзыв!

"Скромный" бас скорее связан с голодным питанием от usb. Dc-dc преобразователь выдаёт всего по 100 мА на + и - шину,что наверное всё таки мало.
Если брать транспорт на xmos с dc-dc питанием, получается 80 мА в активном режиме.

Сейчас рисую схему и ПП платы на CS43198, похоже не получится уложиться в 2.5 Вт и нужно будет запитываться от внешнего источника питания.

По поводу разного звучания с АКМ, тоже хотел бы отметить. Схема LPF почти полностью повторяет схему предыдущей платы на 4493, за исключением типа конденсаторов, на этой плате керамика NP0, так что сравнение по сути дела самих ИМС ЦАП. Звучание цирруса всё таки детальнее, можно на досуге попробовать собрать с фильтром 5 порядка на дифф. ОУ и погонять еще DSD

[VladimirV]

и нужно будет запитываться от внешнего источника питания.

А не хотите вариант полуавтономного попробовать? Встроенный литиевый аккумулятор с зарядкой от этого же USB? Слушаем - получаем питание и от USB и от него, а в паузах прослушивания он подзаряжается.
Просто у нынешней молодежи, судя по моему пацану - как раз Вам ровесник, часто компы не отключаются совсем. Мне это не понять - но у него именно так.

[Alex]

Offтопик:

Просто у нынешней молодежи, судя по моему пацану - как раз Вам ровесник, часто компы не отключаются совсем. Мне это не понять - но у него именно так.

А звчем их выключать?
У меня тоже не выключаются, и не "часто" а всегда - сами в слип уходят, когда ими не пользуются....

USB-порты при этом, остаются включеннми.

[maxssau]

Я заказал несколько плат со всем известного али экспресс на тестирование, но в связи с эпидемией отправка заморожена. Мне нужно будет для начала оценить такой вариант питания, что бы понять сколько нужно аккумуляторов, время зарядки и общий габарит, после чего буду рисовать плату питания от аккумулятора. Я даже в этой плате сделал доп. разъем для внешенго питания, так что опытный образец для отладки уже есть

[VladimirV]

сами в слип уходят,

Не люблю я "слип".
Китайский слип бывает пожароопасен.

[Walter]

скорее связан с голодным питанием от usb. Dc-dc преобразователь выдаёт всего по 100 мА на + и - шину

сильно зависит от целевой аудитории.
Для мобильного применения - да, 500мА здравое ограничение.

Если это ноут\пк, то там, не смотря на стандарт, лет 10 как не делают портов на 500мА.
Да и 500мА был более связан с нагрузочной способностью дежурки по АТХ версии до 2-й.
Стандартом де факто является 1А.
Но и ставить на плату нужно USB type B - шансов, что какой-то гуманитарий надыбает переходник микро\мини-ЮЗБ на тип В и всунет в смарфон меньше.

Так что ДС\ДС типа того же амтековского АМ3 вполне подошел бы, даже и более мощный.
Учитывая, что басы обычно в фазе, и на них приходится основная часть энергии, то можно ставить и более мощный, ведь когда одно плечо УМ\ОУ открыто, второе шарится на токе ХХ.
Т.е. нужно или два отдельных ДС\ДС с токами ограничения при 9В под 300мА, или сдвоенный, но что бы небыло ограничения на половину мощности на каждое плечо.

[maxssau]

В любом случае место под разъем внешнего адаптера оставлю, потом можно будет просто не распаивать, если по мощности будет проходить. Про usb type b мысль здравая, в новой схеме он и заложен

[Walter]

Про usb type b мысль здравая

Подкину еще одну здравую мысль.
ЮЗБ +5В завести на АЦП микроконтроллера или супервизор питания и поставить двуцетный светодиод.
зеленый - слушаем
Питание меньше 4.7В - все тушим и зажигаем красный "недостаток питания".
И пусть пользователь сам сексуется с некачественными проводами, разъемами, переходниками. маломощными портами и т.д.

[maxssau]

Можно подумать над супервизор + ключ (полевик) - если всё нормально, открылся, если нет то красный светодиод

[maxssau]

Т.е. нужно или два отдельных ДС\ДС с токами ограничения при 9В под 300мА, или сдвоенный, но что бы небыло ограничения на половину мощности на каждое плечо.

Walter, подскажи пожалуйста, какие есть стабы на + и -, по характеристикам схожие с TPS7A4901 и TPS7A3001? они по 150 мА, думаю мало будет, если нет, попробовать умощить транзистором? будет ли толк? или делать на ИОН+ФШ+УН (аля линкс?), может просто на 317/337, но тогда на выходе наушников не будет заветных 120-130 дБ SNR точно

[Alex]

не будет заветных 120-130 дБ SNR точно

их и так не будет...

[Walter]

Walter, подскажи пожалуйста, какие есть стабы на + и -

Честно скажу - не знаю, это нужно шерстить сайты AD в части приобретенного LT.
ВРоде у них было что-то приличное, но скорее всего только на +.

[maxssau]

их и так не будет...

С чем будет связано? С наушниками соглашусь.

А с линейным выходом? Обещают номинальные характеристики на нагрузке 600 ом, поэтому lpf можно попробовать рассчитать так, что бы вносимый шум был на уровне близком к snr 120 дб, с трассировкой конечно придется попотеть

[Alex]

С чем будет связано?

А чем ты собрался измерять SND 120-130dB?
115-120 - это предел для самых лучших АЦП.

[maxssau]

В описании Evolution Board CS43198 есть метод измерения: усилить сигнал и измерить, далее путем не хитрой математики оценить получившийся уровень.

Лично мне будет достаточно, если я достигну потолка имеющегося АЦП (есть ЗК на АК5385, удавалось получить 115 дБ SNR, есть плата на CS5381, но с ней есть определенные проблемы, надо до ума довести) .

[Walter]

если я достигну потолка имеющегося АЦП .

PCM4222
С шумом у РСМ-ов все хорошо, в отличие от искажений (тогда моду искажения/шум качнуло в другую сторону)

Насчет стабилизатора.
А зачем большой ток?
У ОУ PSRR будет за 60дБ (или за 100 у модных ТИ) до 20кГц, , главное что-бы пульсаций небыло.
У ЦАПы - 40дБ, так и потребляет он ничего, какраз ТПС-ов хватит

Проблема у ЦАПов с выходом по напряжению в немощности самого выхода.
Быстро наступают качели шум/искажения.
Уменьшаешь сопротивление, растут искажения и наоборот.

[VladimirV]

Проблема у ЦАПов с выходом по напряжению

Делать токовый выход.

[maxssau]

А зачем большой ток?

наушники прокачать, пошарюсь по каталогам, если не найду наверное придется 317/337 делать

Уменьшаешь сопротивление, растут искажения и наоборот.

у 43198 номинальная нагрузка 600, можно попробовать повыжимать

[Walter]

наушники прокачать,

ad8397 PSRR на 20кГц -60дБ
TPA6120A -60дБ
В композите еще уменьшится за счет первого ОУ.
LM3х7 -50дБ подавления.
Т.е. для -120дБ на входе LM должно быть пудьсаций меньше 0,3-0,5В.
Экстенсивный путь RC цепочками с ломовыми конденсаторами.
Ну как ломовыми, 2(3-4)*4700мкФ не выглядят монстрообразно, чай не к50-6.

[Alex]

Т.е. для -120дБ на входе LM должно быть пудьсаций меньше 0,3-0,5В.

А откуда там так много возьмется?