Дилетантский вопрос про sigma-delta

[tomtit]

Вот наскоро сочинил примитивную модель однобитного сигма-дельта модулятора 4-го порядка,
подал на вход синус 20-бит проапсэмпленный до 256*Fs.
Смотрите что получилось ...
Почему никто не использует столь простой подход ?
Ищем грабли ..., учим теорию.

[krulfa]

А поподробнее, что нового и интересного получилось? ИМХО все по теории.

[Nikolay_Po]

tomtit, покажите модельку.
Частота переключения выходного бита какая? Те же 256fs?
Есть ли учёт паразитных параметров выхода модулятора? Ну, например, если сделать его на моделях реальных транзисторов?

[IVX]

ага и что именно не делают, много что-ли 4й ордер? Помнится читал статью путзейса про дискретный adc ds 6 порядка.

[krulfa]

tomtit,
раз уж это модель, можно к ней на выход прикрутить какой-нибудь аналоговый выхлоп, какие в ЦАПах ставят, и посмотреть, как спектр преобразится, наложением на первоначальный?
Суть вопроса, как связан перенос спектра шума из ультразвуковой области в звуковую с нелинейностью тракта, через который проходит данный сигнал. Хотя бы качественно, на уровне порядка величин.

[yan]

tomtit, Вполне хорошо.
И делают же, Chord/dCS.

Вообще, когда нужен аналоговый выход с плисины бит на 10-12, дельтасигма низкого порядка требует ресурсов не намного больше, чем ШИМ, а работает заметно лучше.

Я макетил модулятор третьего порядка, очень даже хорошо. А если аналогово просуммировать выходы внешнего сдвигового регистра а-ля корд/дцс, то ещё лучше.

[tomtit]

Да я вообше не о новизне и оригинальности, а просто о том, что
тупо доведя частоту модулятора до десятков мегагерц можно
опустить искажения и шумы до пренебрежимо малого уровня,
используя самые примитивные средства. Каждое удвоение
частоты дискретизации опускает THD+N в данном случае более 10 раз.
Ниже 160-170дБ можно уже забыть о дизеринге, модуляции шума,
искажениях, ошибках квантования и.т.д. Единственное,
что апсэмплить надо до частоты модулятора и >20 бит, но это, извините, сушие пустяки.
Но чего-то никто такoго не делает (см. ESS, AD1853, PCM179x),
и теорий наворотили, будь здоров.
А мы его по-буденновски шашкой, да с наскока раз, два ...

З.Ы. Шумами и ВЧ запугивать тоже нет смысла. Один 200МГц АРМ+SDRAM в медиаплеере или ДСП на звуковой карточке - гораздо страшнее.
Выходной фильтр можно на катушках, как в радио, сделать.
В чем грабли ????

[yan]

tomtit, А как же защита окружающей среды?
sm5842/pmd100 рассеивали по 0,5 ватта,
а df1700 - всего четверть, об этом в первых строках описания гордо упомянуто. Что чаще ставили в итоге?

Потом, устоявшаяся методика измерения качества это THD+N. "Искажения маскируются шумами" же.
Кому нужны -160дБ искажений при шумах аналога около минус сотни? Поставят подешевле и на 10миливатт холоднее.

Выходной фильтр можно на катушках, как в радио, сделать.

Можно и по взрослому, вы как-то разбирали схему одного аркама, там катушки тоже присутствовали.
dCS, кстати, схема эта же, вплоть до номиналов.

[krulfa]

Каждое удвоение частоты дискретизации опускает THD+N в данном случае более 10 раз. Ниже 160-170дБ можно уже забыть о дизеринге, модуляции шума, искажениях, ошибках квантования и.т.д.

Сигма будет точная, если дельта строго одинаковая от отсчета к отсчету. А с ростом частоты это соблюдать становится сложнее, соседние импульсы влияют друг на друга. Модулятор должен иметь ровнейшую АЧХ и ФЧХ в широкой полосе частот, и после ~10 МГц становится сложно и дорого.

tomtit,
прикрепите к выходной переменной формулу выходного напряжения, например, эмиттерного повторителя с глубиной девиации тока, скажем, 1% и постройте спектр для сравнения.

[tomtit]

Федор, эта проблема давно решена. Нужно не склеивать импульсы а выдавать их как отдельностояшие калиброванные импульсы,
со скважностью 50-75%, тогда в паузе все успевает устаканиться и они независимы.
Даже у мультибитов 1853,1955, например, это используется.
См. старье DSD1700, как пример хорошей реализации однобитного выхода.

[sia_2]

Да я вообше не о новизне и оригинальности, а просто о том, что
тупо доведя частоту модулятора до десятков мегагерц можно
опустить искажения и шумы до пренебрежимо малого уровня,
используя самые примитивные средства. Каждое удвоение
частоты дискретизации опускает THD+N в данном случае более 10 раз.
Ниже 160-170дБ можно уже забыть о дизеринге, модуляции шума,
искажениях, ошибках квантования и.т.д. _{Единственное,
что апсэмплить надо до частоты модулятора и >20 бит, но это, извините, сушие пустяки.}
Но чего-то никто такoго не делает (см. ESS, AD1853, PCM179x),

Эту ситуацию я хорошо знаю "изнутри", и проблема вот в чем. Это вовсе НЕ "сущие пустяки" для изготовителей ЦАП.

Корректный высокоразрядный апсемплер до частоты работы SDM в сочетании с высоким коэффициентом передискретизации - требует значительно (на порядки!) бОльшее количество выполняемых операций в единицу времени, чем то, что стоит в выпускаемых микросхемах.
Потребители же (не мы с вами, а производители бытовой электроники) требуют от полупроводниковой промышленности умеренных цен и _минимальной_ потребляемой мощности в массовых продуктах. Ибо "портатив рулит", "зеленость" и все такое.
Но даже в таком усеченном типовом варианте реализации сигма-дельта ЦАП (с "привычными" 8fs, со ступеньками, "долбящими" по сигма-дельта модулятору), основную мощность потребляет именно цифровая часть, особенно если у ЦАП нет встроенного аналогового буфера.
Соответственно, основные усилия при разработке серийных ЦАП - и направлены на всемерную "оптимизацию" алгоритмов работы апсемплера и модулятора. В ход идут все ухищрения по сокращению вычислительных затрат - полуполосность, однородные фильтры, минимизация разрядности коэффициентов и числа единиц в них и т.п.
Все это связано с тем, что эти микросхемы ЦАП делаются, как правило, на процессах с довольно большими рабочими напряжениями (обычно 5В, редко 3) и, соответственно, "грубыми" проектными нормами, 0,8...0,35 мкм.
Как по экономическим причинам (очень высокая стоимость запуска в производство по более "мелким" процессам), так и по техническим - "аналоговые" характеристики элементов в "цифровых" техпроцессах резко ухудшаются по мере снижения проектных норм.
Сделать же предлагаемый Вами (совершенно очевидный) "корректный апсемплер" приемлемо малопотребляющим, не используя экзотических сегодня конструктивных решений типа динамической логики, можно только при использовании чисто цифровых технологий с жесткими проектными нормами, от 0,13 мкм и меньше. Но тогда "аналоговую" часть - нужно делать отдельно, на другом кристалле с другими не только проектными нормами, а самой структурой слоев.
То есть, потребуется двухкристальная конструкция внутри корпуса микросхемы ЦАП или пара микросхем в духе SAA7350-TDA1547. Плюс очень высокие затраты на комплект фотошаблонов "цифрового" кристалла с мелкими проектными нормами и размещение заказа - не один миллион долларов. В то же время рынка "действительно качественных" ЦАП в таком объеме просто нет, т.е. нет возможности отбить затраты - такой ЦАП все равно будет довольно "прожорливым", и соответственно, миллионными тиражами никем покупаться не будет.

Offтопик:
Последний, сделанный "строго по теории" серийный сигмадельта АЦП - AD1879. Но он получился слишком дорогой, и к тому же так и не окупился за все время выпуска. Потом пошло "улучшение характеристик", особенно наглядно заметное в сравнении PCM1804 и PCM4202 - у последнего уже банально и не хватает глубины ООС в модуляторе, и не хватает "аналогового" шума для гарантированного разбития idle tones..

[IVX]

Плюс очень высокие затраты на комплект фотошаблонов "цифрового" кристалла и размещение заказа - не один миллион долларов.

ой чо-то дороговато, я узнавал, вафер стоил 70000, разные девелоперы бьют его на личные области, в итоге можно заплатить за несколько тысяч твоих собственных чипов, пару тысяч $. Затраты на дизайн сюда не включены и речь шла не про самые модные нормы, но и прошло уже 5 лет. Хотя полностью согласен, в наше время, при наличии цапаов -105дб с/ш по цене операционника tl074, выпуск монстра за $50 - некоммерческая затея (для SSE, например, сайбер скорее статус).

[pokos]

tomtit, а можно на модельку подать не просто синус, а штуки три вместе, типа 1кГц, 3кГц и 5кГц? Было б интерсно глянуть на результат.

---------- Добавлено в 10:47 ---------- Предыдущее сообщение в 10:44 ----------

...я узнавал, вафер стоил 70000,....

Думается, это сама пластина, и не 300мм явно. Шаблоны - за совершенно отдельный прайс. Если заходишь с готовой топологией на недорогую фабрику, то 300мм шаблоны под ЧМОС-130нм и первая пластина (без отбраковки) будут стоить в районе $5M.

[sia_2]

ой чо-то дороговато, я узнавал, вафер стоил 70000, разные девелоперы бьют его на личные области, в итоге можно заплатить за несколько тысяч твоих собственных чипов, пару тысяч $. Затраты на дизайн сюда не включены и речь шла не про самые модные нормы

Это "shuttle" маршруты, для недорогого тестирования проектов - когда стоимость фотошаблонов делится между 8...40 заказчиками, там действительно можно получить несколько десятков прототипов, уложившись в $8...10К. Я сам этим пользуюсь. Но надо иметь в виду, что выбор процессов, доступных на таких льготных условиях, не особо широк, к примеру, прототип цифровой части такого ЦАП впихнуть без очень трудоемкой ручной разработки топологии просто не получится.

[Sanny]

Да я вообше не о новизне и оригинальности, а просто о том, что
тупо доведя частоту модулятора до десятков мегагерц можно
опустить искажения и шумы до пренебрежимо малого уровня,
используя самые примитивные средства. Каждое удвоение
частоты дискретизации опускает THD+N в данном случае более 10 раз.
Ниже 160-170дБ можно уже забыть о дизеринге, модуляции шума,
искажениях, ошибках квантования и.т.д. Единственное,
что апсэмплить надо до частоты модулятора и >20 бит, но это, извините, сушие пустяки.
Но чего-то никто такoго не делает (см. ESS, AD1853, PCM179x),
и теорий наворотили, будь здоров.
А мы его по-буденновски шашкой, да с наскока раз, два ...

З.Ы. Шумами и ВЧ запугивать тоже нет смысла. Один 200МГц АРМ+SDRAM в медиаплеере или ДСП на звуковой карточке - гораздо страшнее.
Выходной фильтр можно на катушках, как в радио, сделать.
В чем грабли ????

А реально модулятор сделать на дискрете,а обработку на ПЛИСине? ПЛИСина конечно потребуется дорогая,но это не килобаксы...TDA1547,наверное, уже не найдешь.... А AD1977 сильно хуже 1979?

[sia_2]

А реально модулятор сделать на дискрете,а обработку на ПЛИСине? ПЛИСина конечно потребуется дорогая,но это не килобаксы...

Совершенно реально, только не собственно модулятор (он в ПЛИС), а его выходные ключи - взять обычный хороший КМОП регистр. ПЛИС потребуется не очень дорогая, оптом несколько десятков долларов, более критично наличие соответствующих знаний.
Это вторая из причин, почему готовых серийных "честных" сигмадельт в обозримом будущем скорее всего в продаже не будет - кому очень надо, чтобы все было без "упрощений" - сделают свой на ПЛИС. Собственно, DCs так и сделан.

[Sanny]

Совершенно реально, только не собственно модулятор (он в ПЛИС), а его выходные ключи - взять обычный хороший КМОП регистр. ПЛИС потребуется не очень дорогая, оптом несколько десятков долларов.
Это вторая из причин, почему готовых серийных "честных" сигмадельт в обозримом будущем скорее всего в продаже не будет - кому очень надо, чтобы все было без "упрощений" - сделают на ПЛИС. Собственно, DCs так и сделан.

А на чем лучше всего будут выходные ключи?

[sia_2]

А на чем лучше всего будут выходные ключи?

Их можно сделать практически на любых КМОП триггерах/регистрах с достаточно мощными выходами, например, семейства AC(ACT).

Offтопик:
Сорри, но уровень вопросов показывает, что Вам тратить время на такой проект не стоит.

[Sanny]

Спасибо! И не боги горшки обжигают - с ЦОСовской частью разберусь,благо есть и источники(в бумажном виде) и базис-просто до этого большой необходимости въезжать небыло,а я ленивый...
P.S. К тому же по настоящему интересные вопросы не всегда имеют явные ответы в теории (в смысле даже непонятно в какой части копать)-например я так и не понял,как цифровой фильтр может влиять на басовый регистр - но судя по некоторым сообщениям влияет...

[steel_monkey]

TDA1547,наверное, уже не найдешь....

Ну почему же? Могу точно сказать, что сейчас есть большой интерес к 1547. Микросхемки вполне покупаются в Китае.