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.

[Сухоруков Сергей]

Важна всё-же конечная цель- получения максимально достойного звука.

Согласен с Вами.

ЭТО не значит надо сразу начинать на другого наскакивать и хамить.

Кто же кого обхамил? (Вы, часом, не ставили 1к на выход 1541? Уж больно близко к сердцу восприняли оценку такого схемотехнического решения.)

И потом, Вы же сами говорите: главное качество звука, а с таким сопротивлением нагрузки для 1541 оно, это качество, так себе.

[AS79]

И не в последнюю очередь - импульсные характеристики каскада I/U. А они не самые хорошие у каскада на ОУ, который традиционно используется для обеспечения предельно малого сопротивления нагрузки ЦАПа. Тут я согласен с коллегой belka.

Вы поняли меня совершенно верно, коллега.

А что такое "не самые хорошие". Вот эти по Вашему хорошие или плохие?
Хотя в этой теме это лишнее, удалю позднее.

[Сухоруков Сергей]

А что такое "не самые хорошие". Вот эти по Вашему хорошие или плохие?

Не блестящие. Видите, в течение где-то 20 нс идет переходный процесс, выражающийся в том, что уровень выходного напряжения колеблется примерно на 20%. Это значит, что в течение этих 20 нс входное сопротивление каскада I/U будет заметно (на порядки) отличаться от десятых-сотых долей ома для входного сопротивления преобразователя на идеальном в плане быстродействия ОУ. Это "привет" от ООС.

[AS79]

Не блестящие. Видите, в течение где-то 20 нс идет переходный процесс, выражающийся в том, что уровень выходного напряжения колеблется примерно на 20%. Это значит, что в течение этих 20 нс входное сопротивление каскада I/U будет заметно (на порядки) отличаться от десятых-сотых долей ома для входного сопротивления преобразователя на идеальном в плане быстродействия ОУ. Это "привет" от ООС.

А Вас не смущает тот факт, что в показанном примере входной фронт 300 пикосекунд? Это примерно в 1000 раз короче чем с выхода ЦАПа.
Вот другой пример, видимо уже без "привета".

[belka]

AS79, мне неудобно Вам об этом говорить, извините, но я взял себе за правило, показывать картинки полученные в результате собственных лабораторных упражнений и вам рекомендую поступать аналогично. Тогда многие сомнения уйдут сами собой.

Если у вас нет перестраиваемого генератора с длительностями фронта-спада до 2-3 нан, то таковой надо завести на хозяйстве. У меня таковой имеется в Одессе и он доступен моим друзьям (И.Г., Ж.Б.) без проблем. Если необходима приблуда формирующая фронты с пикосекундной крутизной, то таковую вполне можно собрать за 15 минут в домашних условиях. Ознакомьтесь с работами Джима Вильямса, LT., в свою бытность *** он описывал как такое сделать.
Это необходимо для получения картинок как вы показали. В реальном цапе всё будет выглядеть несколько иначе. Или обрастёт кучей ненужных подробностей и звуку (конечному продукту) придёт кирдык. Привет всем любителям ОУ.

Offтопик:

*** уже прошло более года, как Джим Вильямс присоединился к Вечности...очень жаль.

[AS79]

В реальном цапе всё будет выглядеть несколько иначе.

Ну да, фронт выходного импульса, по даташиту, 200ns.

Или обрастёт кучей ненужных подробностей

Это о чем?

[belka]

Ну да, фронт выходного импульса, по даташиту, 200ns.

Почему Вы не думаете о всяком ВЧ мусоре, который присутствует на выходе микросхемки цап в изобилии ?

Это о чем?

Да всё о том же. см. выше.

[AS79]

Почему Вы не думаете о всяком ВЧ мусоре, который присутствует на выходе микросхемки цап в изобилии ?

А его уровень, где бы глянуть? Ну нет у меня генератора с 1ns фронтами и спектроанализатора ВЧ

[dortonyan]

Ну да, фронт выходного импульса, по даташиту, 200ns.

Может имели ввиду settling time?

А его уровень, где бы глянуть?

У аудио цапов его можно только измерить самостоятельно, или оценивать устойчивость ОУ по уровню интермод. Для индустриальных параллельных цапов иногда приводят графики глитча помех, но это все равно очень скудная инфа, т.к. и глитч и помехи кодозависимы.

[AS79]

Может имели ввиду settling time?

Да, время установления. Фронт примерно в тех же порядках.

У аудио цапов его можно только измерить самостоятельно, или оценивать устойчивость ОУ по уровню интермод.

Кто то проводил такие измерения?

По приведенным выше картинкам (из даташита ) до 500МГц можно как бы и не беспокоиться, вот и интересует уровень и диапазон ВЧ помех.

[Lexus]

не в последнюю очередь - импульсные характеристики каскада I/U. А они не самые хорошие у каскада на ОУ, который традиционно используется для обеспечения предельно малого сопротивления нагрузки ЦАПа

Вы это серьезно? Вот выход I/V на так многими нелюбимом AD811:



Выход ЦАП PCM1701 ничем не шунтировался (по личным соображениям). Для получения частоты 176400 Гц на вход ЦАП подавалась последовательность отсчетов от ПЛИС.

Вот ступеньки синуса 20 кГц на выходе I/V AD811 (шунтов также нет, но ЦАП другой - PCM58):



Осциллограф рабочий, проходит поверку, если возникают сомнения в его исправности. Да я и сам на работе его характеристики могу проверить.

А его уровень, где бы глянуть? Ну нет у меня генератора с 1ns фронтами и спектроанализатора ВЧ

Современные цифровые осциллографы имеют функцию FFT. Конечно, их разрешения 8 бит АЦП мало, поэтому приходится переходить на бОльшую чувствительность и использовать усреднение. У меня, к сожалению, не осталось спектров с выхода I/V, но по памяти там присутствуют следы от входных сигналов с достаточно большой амплитудой. На неудачно трассированной плате амплитуды доходили до -20 dBV rms. Могу спектр с выхода платы DAC показать: https://forum.vegalab.ru/attachment....4&d=1337669560 Но это, понятно, уже после LPF (Саллен-Кей 3-го порядка) и выходного Т-фильтра.

[Audiomaniac]

Offтопик:

Вы это серьезно? Вот выход I/V на так многими нелюбимом AD811:

Алексей, "ОУ убивает звукъ!(тм)" - это лозунг, философия, мировоззрение, навязчивая идея, маркетинговый слоган.. что угодно, но не объективный факт, основанный на реальных физических явлениях, поэтому опровергнуть никакими объективными осциллограммами его невозможно в принципе.. вопрос веры..

[Lexus]

Да, Илья, очень на это похоже. Вот еще о чем вспомнил. Выше говорилось о возможности снижения входного сопротивления дискретного преобразователя I/V на порядок относительно единиц Ом. Простой расчет для AD811 при заявленных в даташите параметрах транссопротивления Z=1.5 МОм, R_in= 14 Ом для инвертирующего входа и R_f=3.01k (это для моего случая) дает R_in[-IN] около 0.028 Ом с замкнутой петлей ОС. При этом ТОС ОУ весьма широкополосны даже с R_f=3.01k.

[Сухоруков Сергей]

Вы это серьезно?

Вполне серьёзно, коллега. Почему, кстати, Вы подаёте 176,4 кГц? Подайте побольше. Вы что же, думаете, что этой частотой ограничивается набор артефактов на выходе ЦАПа?

Кстати, имел опыт общения с 811-м. Воспоминания не самые радужные. Очень капризная в плане топологии вещица, склонная к самовозбужению.

И потом, никто не утверждал, что каскад I/V нельзя делать на ОУ. Можно. Только надо давать себе отчёт в отличии свойств реальных ОУ от идеальных. У каскада I/V на идеальном ОУ с переходной характеристикой всё в порядке. А вот у реальных похуже.

Что касается Ваших картинок (я нисколько не сомневаюсь в Вашей добросовестности), то для убедительности им не хватает схемы проведения измерений.

[belka]

и весь набор артефактов, которые могут там иметь место, там был.

Это не так.

[Сухоруков Сергей]

Потому, что это эмуляция 4-кратной передискретизации ЦАПа (насколько я понял)

Это получается по принципу: подаю то, что мне удобней.
Впрочем, подождём, когда автор поста сам ответит.

Как и всякий ВЧ ОУ. Что не умаляет достоинств этой прекрасной микросхемы

Я не собираюсь умалять "достоинств этой прекрасной микросхемы". ОУ, действительно, незаурядный (чего стоят нормированные НЧ-шумы для широкополосного ОУ!). Но он тоже далёк от идеала, несмотря на свои достоинства. Вот о чём нужно помнить.

---------- Добавлено в 12:24 ---------- Предыдущее сообщение в 12:22 ----------

Какая разница, откуда на ЦАП приходят цифровые данные, с ЦФ или с ПЛИС

Разница хотя бы в том, что с ЦФ приходит в общем случае случайный, непериодический сигнал, каковым является реальный звуковой сигнал.

[Сухоруков Сергей]

Как периодичность сигнала влияет на

Ну, если Вы знакомы с теоремой Фурье, то должны понимать разницу между периодическим сигналом и непериодическим. Если в двух словах, разница в спектрах.

Не могу сказать, что ОУ в данном узле ущербны

Я и не утверждаю, что ОУ в данном узле - провальный вариант. Нет. Но свои сложности есть и у него.

[Lexus]

Почему, кстати, Вы подаёте 176,4 кГц? Подайте побольше. Вы что же, думаете, что этой частотой ограничивается набор артефактов на выходе ЦАПа?

176400 Гц подано потому, что такова максимальная частота на выходе ЦАП при WCLK=352800 Гц. Могу подать любую частоту до того, пока не превышу возможности ЦАП. Только не в этом дело. Набор артефактов на выходе ЦАП связан в основном с проникновением на выход входных цифровых сигналов, а они что от ЦФ, что от генератора на ПЛИС идентичны.

У каскада I/V на идеальном ОУ с переходной характеристикой всё в порядке. А вот у реальных похуже.

Я же выше привел пример работы реального ОУ. Что Вы увидели плохого в переходной характеристике?

для убедительности им не хватает схемы проведения измерений.

Вас интересует схема аналоговой части DAC?

Разница хотя бы в том, что с ЦФ приходит в общем случае случайный, непериодический сигнал, каковым является реальный звуковой сигнал.

Сергей, я обеспечиваю для теста изменение сигнала +/-FS. Сигнал одновременно обеспечивает все необходимое для теста переходной характеристики и переключения всех ключей матрицы. Звуковой сигнал по сложности и рядом с таким не был.

[Сухоруков Сергей]

Вас интересует схема аналоговой части DAC?

Меня интересует схема (пусть упрощённая), в которой получены конкретные осциллограммы. Неплохо при этом понимать, каковы характеристики осциллографа (полоса, частота дискретизации).

Что Вы увидели плохого в переходной характеристике?

Характеристика хороша (если закрыть глаза на непонятные пульсации "наверху"), особенно по сравнению с тем, что приводилось ранее.

[Lexus]

Сергей, схема аналоговой части в приложении. В случае с PCM1701 была немного другая "обвязка" ЦАП и отсутствовала подстройка двух разрядов. Все, что после ЦАП, одинаково для обоих случаев. Осциллограф - Rigol DS1102E (истинный, не "перешитый" из 1052).

Характеристика хороша (если закрыть глаза на непонятные пульсации "наверху")

Это по причине того, что первые две осциллограммы сняты с PCM1701, а там не было возможности подключить к щупу пружину. Вместо нее использовался зажим, подключенный к плате. С PCM58 уже использовал пружину, что, как видно по ступеням, отразилось на качестве измерений.