LYN
X AU
DIO
Модуль ЦАП Lynx D29. Дорога к спектральной чистоте.
Стремительно развивающиеся сетевые способы передачи данных, в том числе и звуковых,
постоянный рост полезного объема систем памяти и вычислительной мощности компьютерных систем, упрощение доступа к интересующему контенту звуковых данных, существенно ослабили позиции оптических дисковых носителей и средств их считывания в области звуковоспроизведения. И, если наиболее высококачественные системы и по сей день представлены всё-таки именно специализированными устройствами считывания и воспроизведения звуковых данных с оптических носителей, то уже в следующей за ними качественной «нише» значительное место занимают системы компьютерного воспроизведения, позволяющие работать с контентом самых разнообразных форматов, в том числе и высокого разрешения с частотой дискретизации 96 кГц и более и разрядностью данных в 20 и более бит.
Для воспроизведения записей в таких форматах есть несколько способов. Первый и наиболее распространенный – это программный пересчет данных под пониженную частоту дискретизации и разрядность (программный ресемплинг) и выдача уже пересчитанного потока для преобразования в типовом ЦАП с частотой дискретизации 44.1/48 кГц и разрядностью данных 16 или 24 бита.
Второй – это аппаратный ресемплинг с помощью специализированных микросхем или DSP общего применения, работающих с соответствующей программой. Данный способ более универсален, не связан с конкретными ОС и ПО компьютеров и помимо пересчета параметров потока данных, обеспечивает дополнительную защиту от джиттера канала передачи. К сожалению, такой способ тоже не лишен недостатков, в списке которых как глобальные и неустранимые (например, потеря количества информации по сравнению с исходным потоком вследствие уменьшения частоты дискретизации), так и технические ситуационные (ошибки при округлениях в процессе вычислений).
Самым правильным и точным, теоретически позволяющим сохранить всю информацию, содержащуюся в исходном контенте, является третий способ – прямое преобразование данных формата высокого разрешения в аналоговый сигнал. На сегодняшний день для выполнения такой задачи с той или иной степенью точности существует достаточно обширный выбор аппаратных средств, выпускаемых многими фирмами – производителями. Однако внимательное изучение справочных и информационных материалов приводит к весьма неутешительным выводам – подавляющее большинство микросхем, способных осуществлять преобразование данных в форматах высокого разрешения, к сожалению не могут делать это с требуемой точностью. Уровень искажений и ЭДД 90% микросхем ЦАП, работающих с форматами 24 или 32 разряда и частотами дискретизации до 200 кГц, соответствует в лучшем случае 13…15-разрядному разрешению. И только весьма немногочисленные микросхемы ЦАП способны обеспечить более чем 18….19 разрядное разрешение по искажениям. Наиболее известны приборы AD1852, AD1853, AD1955 (Analog Devices), PCM1738, PCM1792, PCM1794 (Texas Instruments), SM5865+SM5847, SM5866 (NPC), CS43122, CS4398 (Cirrus Logic), WM8740, WM8741 (Wolfson Microelectronics), AK4395, AK4399 (Asahi Kasei)
В течение последней пары лет мне удалось реализовать в том или ином виде ЦАП практически на всех перечисленных микросхемах (кроме WM8740, CS43122 и AK4399) и на основании сравнения полученных результатов, сделать ряд интересных выводов. Поскольку технические параметры всех приборов очень высоки и некоторые из них весьма сложно измерить с достаточной степенью достоверности, то основным критерием качества прибора было принято субъективное восприятие звучания ЦАП на его основе, выполненного по типовой схеме с оптимизацией применяемых типов элементов по отношению к параметрам выходного сигнала микросхем ЦАП.
Хуже всех с субъективной стороны проявили себя ЦАП со встроенными преобразователями ток-напряжение и ФНЧ на переключаемых конденсаторах – CS4398, AD1852 и AK4395. Несмотря на значительные различия в технологии производства и параметрах собственных ЦФ, устройства на основе этих микросхем имели характерный яркий, звонкий звук, однообразный и очень быстро надоедающий. При этом такой характер звучания сохранялся неизменным при различных вариантах построения буферных каскадов и аналоговых ФНЧ.
Все приборы с токовым выходом и внешними аналоговыми цепями оказались существенно лучше «полных ЦАП на кристалле», но и у них не наблюдается однородности. Линейка ЦАП РСМ179х, на которую еще несколько лет назад я возлагал определенные надежды, оказалась весьма неудачной по звучанию. Практически все приборы этой серии, несмотря на великолепные (по техническим характеристикам) цифровые фильтры, обладают характерным «пластмассовым» звуком, причем по своему характеру одинаковым даже в различных аппаратах и при разной схемотехника и топологии аналоговых каскадов. Разочарование в этих микросхемах ЦАП привело к тому, что устройство Lynx 25 на основе РСМ1792 (РСМ1794) после изготовления и испытаний опытного образца было демонтировано, а его описание осталось неопубликованным.
LYN
X AU
DIO
Из оставшихся микросхем наилучшие субъективные результаты показали SM5865+SM5847 и AD1853. На основе первых были разработаны и изготовлены опытный модуль ЦАП Lynx 23 и серийный Lynx 28, показавшие прекрасные объективные параметры и обладающие очень хорошим, приятным и естественным звучанием, а на основе второй – опытный ЦАП Lynx 15. К сожалению, ряд ошибок в исходных условиях при разработке этого ЦАП 8-летней давности не позволили полностью реализовать потенциал микросхем AD1853, и проект Lynx15 не был завершен.
Эта «незавершенка» вместе с великолепным звучанием аппаратов фирм Accuphase и НЭМ, созданных на основе AD1853 и стали побудительным мотивом для разработки нового ЦАП Lynx D29. При проектировании устройства основное внимание было уделено обеспечению максимальной помехозащищенности и снижению всех видов искажений преобразованного сигнала. Изучение свойств ЦАП AD1853 показывает, что в сравнении с другими ДС ЦАП верхнего качественного сегмента, эти приборы обладают очень низким значением выходного тока. Данное свойство AD1853 крайне благоприятно сказывается на работе ОУ преобразователей ток – напряжение, выходы которых не нагружены большим током питания модуляторов ЦАП, протекающим через низкоомные резисторы обратной связи. К сожалению, в большинстве более - менее качественных ДС ЦАП с токовым выходом, выходной ток очень велик, что зачастую является существенным фактором, определяющим посредственное качество звучания устройств на их основе, поскольку многие разработчики, особенно начинающие, не придают значения такой «мелочи». Микросхемы AD1853 позволяют использовать в преобразователях I/U ОУ с небольшим выходным током, в частности ОР42, обладающие великолепным входным каскадом, весьма устойчивым к воздействию ВЧ – составляющих высокого уровня. Более того, использование подобных ОУ оказалось целесообразным даже при включении ЦАП в монорежиме, при котором выходной ток увеличивается в два раза. Ряд экспериментов, проведенных с различным построением преобразователей ток - напряжение (традиционный на ОУ по схеме приемника тока, схема Хоксфорда на основе OTA, схема с интегрирующей ООС) показали, что при соблюдении ряда конструктивных и схемотехнических условий, наиболее универсальна, нейтральна и «жанронезависима» именно классическая схема приемника тока на ОУ. Более того, выяснился еще один интересный и неочевидный момент. Потенциал на выходе преобразователя I/U, обеспечивающий ток середины шкалы выходов ЦАП, который часто стараются свести к нулю путем питания выхода ЦАП через дополнительный резистор (как это рекомендовано, например, в справочных материалах на AD1955), обеспечивает работу выходного каскада ОУ преобразователя ток - напряжение в режиме класса А, исключая тем самым наиболее неприятные коммутационные искажения и снижая общий уровень гармоник. Небольшая постоянная синфазная составляющая на входе разностного каскада, присутствующая в таком режиме, практически не сказывается на качестве его работы, особенно при выборе напряжения питания ОУ выше ± 10…12 В.
В довершение ко всему, непосредственное задание начального тока выходов через резисторы с шины питания способствует проникновению всех шумов и помех, присутствующих на этой шине в цепь полезного сигнала, что негативно отражается на общем качестве работы ЦАП. Поэтому, учитывая опыт работы с ЦАП Lynx D37 и Lynx15, при реализации нового устройства было решено отказаться от дополнительных питающих выходы ЦАП резисторов.
Для нового ЦАП было решено применить моновключение микросхем AD1853 – по одной на канал. Такое включение позволяет снизить искажения и шум самих ЦАП (примерно в 1.5 раза по сравнению с типовым включением) и, одновременно, за счёт использования отдельных цепей питания, повысить разделение каналов. Формирование необходимых для работы микросхем ЦАП в монорежиме сигналов осуществляется в ПЛИС. Кроме того, проект ПЛИС предусматривает:
а) формирование сигналов последовательного порта управления режимами ЦАП при включении устройства, отличные от установок по умолчанию и позволяющих работать с форматом CDDA и 16-разрядными входными данными,
б) преобразование 48-клокового формата синхронизации входных данных (свойственный многим сервопроцессорам CDDA) в 64-клоковый, воспринимаемый AD1853
в) коммутацию входных шин и возможность подключения внешнего микроконтроллера для конфигурации AD1853
г) сквозную синхронизацию всех процессов с частотой основного тактирования (мастерклока) - либо внешнего при работе устройства в ведомом режиме от внешнего источника данных и такта, либо внутреннего, при работе устройства в мастер – режиме и тактировании предшествующих средств считывания и обработки данных от ЦАП.
Коммутация тактового сигнала, поступающего на микросхемы ЦАП, с целью снижения джиттера осуществляется внешними логическими элементами, управляемыми сигналами с выхода ПЛИС, причем само переключение происходит не за счет логического мультиплексирования, а за счет разрешения работы выхода соответствующего элемента.
Преобразование выходного тока в напряжение, разностная обработка и дальнейшая фильтрация ВЧ – составляющих производится каскадами на основе хорошо известных ОУ OP42, отличающихся как
LYN
X AU
DIO
высокими объективными параметрами и рядом весьма важных для послеЦАПовой работы свойств, так и субъективной «музыкальностью» и «воздушностью».
Каждая функционально - целостная часть устройства питается от собственного стабилизатора напряжения, что позволило существенно снизить перекрестные помехи и обеспечить высокой разделение каналов в аналоговой части.
При проектировании печатной платы особое внимание было уделено обеспечению максимальной помехозащищенности и минимизации влияния сигналов цифровой части на аналоговую. Плата выполнена в четырех слоях, все токоведущие дорожки выполнены без резких изгибов, наиболее высокочастотные сигналы подводятся посредством квазиволноводных линий, используется многосекторный слой «земли», исключающий протекание токов сигналов с широким спектром в районе микросхем ЦАП и тактового генератора и в то же время обеспечивающий сплошной слой нулевого потенциала под всеми компонентами. Применение одно- и двухслойных печатных плат в устройствах, работающих с широкополосными сигналами, не позволяет реализовать подобные топологические приемы борьбы с помехами и является на сегодняшний день анахронизмом, позволяющим лишь несколько снизить себестоимость изделия, правда, в ущерб конечному результату – качеству звука.
Помимо конструктивных мер снижения помех, в устройстве реализованы и известные схемотехнические меры, применяемые в измерительной аппаратуре - развязка питания цифровых микросхем индивидуальными LC-фильтрами, раздельные источники питания для функционально законченных участков схемы, применение защитных резисторов во всех цепях передачи цифровых сигналов, ограничение быстродействия применяемой дискретной логики и работа ПЛИС с малой скоростью нарастания напряжения выходных буферов. В аналоговых цепях особое внимание уделено устойчивости, как усилительных каскадов, так и источников питания в любых рабочих условиях, а также помехозащищенности цепей, в том числе и по отношению к помехам, проникающим через соединительный кабель на выход устройства. Для этого стабилизаторы питания рассчитаны из условий гарантированной устойчивости в любых условиях работы, а цепи выходного аналогового сигнала снабжены защитными Т-фильтрами и выполнены в виде квазиволноводных структур, направляющие плоскости которых выполняют функцию сплошного электростатического экрана.
При выборе элементной базы основополагающим является принцип разумной достаточности в широком смысле этого понятия. В цифровых цепях применены плоскостные SMD – резисторы, обладающие минимальной собственной емкостью и индуктивностью и многослойные SMD керамические конденсаторы. В наиболее ответственных точках (питание генератора и цифровое питание ЦАП) осуществляется комбинированное шунтирование питаний. Для аналоговых цепей выбраны более удачные резисторы типа MELF, обладающие минимальными собственными шумами и нелинейностью, но и бОльшей собственной индуктивностью по сравнению с плоскостными резисторами.
Во всех цепях питания применены низкоимпедансные электролитические конденсаторы Panasonic FK, кроме отличных частотных параметров обладающие к тому же и низким «емкостным» шумом.
Питание тактового генератора, коммутатора тактового сигнала и аналоговых частей микросхем ЦАП осуществляется от собственных малошумящих стабилизаторов. Стабилизаторы аналогового питания раздельные для каждого канала и выполнены по схеме ИОН - ФШ - ОУ, что гарантирует крайне низкий шум, гладкую переходную характеристику (при правильном выборе коррекции ОУ) и высокую линейность выходного сопротивления стабилизаторов. Поскольку для повышения «энерговооруженности» аналоговых цепей, выходные конденсаторы стабилизаторов выбраны необычно большой величины – по 3000 мкФ на каждое плечо каждого из питаний, то для гарантированной устойчивости стабилизаторов в их силовых цепях установлены низкоомные защитные резисторы.
Принципиальная схема ЦАП Lynx D29 приведена на рис. 1. При работе в мастер – режиме входные данные подаются на колодку XS4 «IIS MASTER», с неё же
снимается сигнал частотой 16.9344 МГц (384FS) для тактирования источника данных. При работе в ведомом режиме входные данные и основная тактовая частота 22.5792 МГц (512FS) подаются на колодку XS3 «IIS SLAVE». Выбор входа осуществляется соответствующей перемычкой или подачей сигнала ТТЛ уровней на колодке XS2 «HW CONTROL». Аналогичным образом с помощью колодки XS2 выбирается разрядность входных данных (16 или 24), формат входных данных (I2S или RJ), количество клоков на периоде LRCK (64 или 48) и возможность внешнего управления конфигурацией AD1853. Сигналы SPI от внешнего контроллера управления режимами AD1853 подаются на колодку XS1 «CONFIG AD1853»
Предварительная обработка входных данных, преобразование их вида, формирование протокола работы микросхем ЦАП в монорежиме и сигналов SPI загрузки начальных установок производиться в ПЛИС DD5. При написании проекта ПЛИС (как и во всех предыдущих проектах) были приняты меры по минимализации помех от её работы. В результате общий уровень помех по питанию от ПЛИС находится на одном уровне с таковым от 5…8 корпусов дискретной логики серии ALS. Данная информация может быть полезна в общеобразовательных целях для разработчиков, малознакомых с программируемой логикой и пребывающих в заблуждении относительно реального уровня помех, ею создаваемых
LYN
X AU
DIO
1 1
2 2
3 3
4 4
5 5
6 6
7 7
8 8
9 9
10 10
AA
BB
CC
DD
EE
FF
GG
HH
II
JJ
Lynx
Aud
io E
ngin
eeri
ng D
epar
tmen
t
+22VA OUT ROUT L
JTAG
-22VA
CONF
IG A
D185
3
HW C
ONT
ROL
IIS M
ASTE
R
IIS S
LAVE
+9V
DA
C+1
2VO
SC
+9V
CN
V
997
3
DA
C L
ynx
D29
11
Wed
nesd
ay, J
uly
22, 2
009
Title
Size
Doc
umen
t Num
ber
Rev
Dat
e:S
heet
of
B2
-15V
R
+5VD2
B4B3B1
+15V
R
+5VD2
+15V
L
+5V
D1
+5V
DI
+3.3
VD
D+5
VD
2
tdo
tck
tdi
512F
s
tdo
tms
+3.3
VC
P
tms
MC
LKIE
N
tdi
768F
sEN
tck
+3.3VCP
SLR
CK
IS
SD
I
SDEE
MP
CLA
TCH
CD
ATA
16/2
4B
SM
CLK
I
SS
DI
SDEE
MP
SB
CK
I
MLR
CK
IM
SD
I
SLR
CK
I
MB
CK
I
MM
CLK
O
SB
CK
I
SM
CLK
I
+5V
DI4
MAS
TER
16/2
4B
RJ
CN
F_E
N
48C
LK
MB
CK
IM
SD
IM
LRC
KI
48C
LK
RJ
CC
LK
MAS
TER
CN
F_E
N
cli
cdi
cki
rji 16/2
4
cnfi
48i
msi
sdm
p
mbc
i
slrc
i
smci
sbci
sxdi
mxd
im
lrci
mm
ci
cli
cdi
cki
rji 16/2
4
msi
int1
sbci
sxdi
MM
CLK
O
mbc
i
mxd
i
cnfi
48i
int1
sdm
psm
ci
slrc
i
int2
int2
mlrc
i
+5V
DI
+5V
DI
+5V
DI
+5V
DI
+5V
DI2
+5V
DI3
+5V
DI4
DG
ND
+5V
DI3
mm
ci
+3.3VDD
768F
s
rese
t
+5V
DI1
CC
LK
CLA
TCH
CD
ATA
+5V
DI1
B1
B2
B4
B3
-15V
L
s2s1 s3 s4
AG
ND
s5 s6 s7 s8
s1s2 s4
s3
s6
s7s5
s8
C23680pF
C19
10nF
X1
ED
350V
02
1
2
R14
210
k
R82
51
R25
1k
R496.2k
C75
10uF
50v
R99
1k R11
110
0
R13
910
k
C10
310
0uF
16v
R21
1k
R15
610
k
R87
2k
R164100
R10
51
C58
10uF
25v
DA
19M
C79
L05
1
32
C52
220p
FC
5710
nF
R11
100
R85
51
R46
51
R10
910
k
C12
10uF
25v
C621500uF
25v
R59
22
C72
0.1u
F
R13
510
k
DA
17M
C79
L05
1
32
R2012k
XS
3P
LD2-
10
1 3 5 7 9
2 4 6 8 10
X4
ED
350V
02
1 2
C83
220p
F
C8
0.1u
F
R66
51
C85
10nF
R15
2k
R13
068
0
X2
ED
350V
02
1
2
C33
10uF
25v
DA
12N
E55
34
23
7
6
4
L447nH
R12
21.
5k
C30
0.1u
F
R1
1.5
R291k
VT52SC4793
R33
51
R16
110
0
C49
330p
F
C92
0.1u
F
R43
1.5k
R79
51
R51
20k
C14
0.1u
F
R62
1.5
C10
612
pF
L847nH
R24
4.3k
C2
100u
F16
v
R15
34.
7
R95
51
R10
215
0k
R35
100
R16
310
0
C251500uF25v
C10
510
nF
R86
3.9k
C56
330p
F
C86
10nF
R341.5
XS
4P
LD2-
101 3 5 7 9
2 4 6 8 10
C13
10uF
25v
R14
910
k
R12
51
VD3BAS32
R84
51
C43
10nF
DA
21LM
317E
MP
321
L10
47nH
DA
16M
C78
L05
13
2R
143.
9k
L5 47nH
L247nH
DA
5A
D58
6JR
62
48
R110100
C401500uF25v
C15
10nF
R45
1.5
R37
15k
R39
680
R31100
R68
51
R12
151
C10
210
uF25
v
C21
220p
F
C3110nF
C41
220p
F
R6
51
CPL
D
DD
5EP
M32
56AT
C14
4-10 3
4
13172024
2633
50 51
5257
58
5964
122
113
105
104
72
139
13295
94 66
127
138
70
89
7185
136
41 40 39 3877
76
37 29
73 144
135
130
129
128
126
124
123
115
114
133
131
69 44 4265
134
120
436768
121
116
119
118
117
31 28 2513
712
5
gnd
tdi
gnd
gnd
tms
vcc
gnd
gnd
vcc
vcc
gnd
gnd
vcc
gnd
gnd
I/OI/O
gnd
tdo
I/O
I/OI/Ovcc
gnd
I/O
I/O I/O
I/O
tck
I/Ognd
I/O
I/O I/O I/O I/Ognd
vcc
I/O I/O
vcc
vcc
gnd
vcc
gnd
dinp
goe
gnd
vcc
vcc
gnd
I/OI/O
I/O I/O I/OI/O
I/OI/OI/OI/OI/O
I/OI/O I/O I/OI/O
I/O I/O I/OI/O I/O
C78
10uF
50v
DA
9O
P42
FJ
236
7 4
VT82SA1837
R16
04.
7
R70
51
R12
051
C89
10nF
R14
668
0
R57
51
R83
51
C53
10uF
25v
DA
13N
E55
34
2 3
7
6
4
C201500uF
25v
C27
10uF
50v
R58
22
R10
610
k
R23
100
C63
220p
F
DA
22A
D58
6JR
62
48
R38
51
R14
14.
7
R5
15k
R1131.5
R13
168
0
R92
150k
C10
0.1u
F
DA
8O
P42
FJ
2 36
7 4
R10
73.
9k
R12
31.
5k
C1
0.1u
F
C73
10uF
25v
C10
712
pF
R13
810
k
R15
422
0
C68
10uF
50v
R11
715
k
C48
330p
F
R40
1kR
441.
5k
X7
ED
350V
02
1 2
R27
150k
R9
51
C7
0.1u
F XS
5P
LD2-
101 3 5 7 9
2 4 6 8 10
C1010.1uF
R56
51
C18
10nF
R13
310
k
R11
551
C35
100u
F35
v
C3447uF10v
R881k
C60
10nF
R14
410
k
C29
10nF
R91
51
R12
56.
2k
R15
510
k
R10
510
k
R94
1kR
964.
3k
R71.5
C44
10nF
R161k
C28
10uF
50v
C24
220p
F
C61 10
nF
R2
1k
C36
10uF
50v
R77
100
R78
51
VT2
KTC
3206
R1041k
R98
4.3k
C96
100u
F16
v
R13
622
0
DA
1M
AX
809S
TR
1
3
2
R12
920
k
DA
7O
P42
FJ
236
7 4
R12
61.
5
DA
23LM
317E
MP
321
R15
74.
7
R3
1.5k
R41
51
C59
10nF
R15
124
0
L1 47nH
DA
2A
D18
53JR
S
1
2
345
67
89
10
11
1213
14
28
272625
2423
22
2120
19
18
1716
15
0vd
mclk
wrwckwdi
int4xint2x
zrrdem
I ref
0va
OL+OL-
Uref
vcd
sdibcklrck
resmut
zrl
id0id1
filtb
vca
OR+OR-
fcr
VD1BAS32
DA
11O
P42
FJ2 3
6
7 415
R55
51
R64
1.5k
C65680pF
VD
4B
AS
32
R13
210
k
C3
0.1u
F
C7410nF
R72
15k
R15
010
k
R53
22
R42
51
R60
51
C4
0.1u
F
C99100uF16v
VT4
KTC
3206
R19
150k
VT72SC4793
C88
1500
uF25
v
R80
100
R74
51
C671500uF25v
C32
10uF
50v
C7747uF10v
C64
10nF
R14
539
0
R22
4.3k
R12
71.
5k
C10
44.
7uF
16v
R54
51
R12
44.
7k
R484.7k
R11
868
0
R162100
C70
100u
F35
v
R47
1.5k
X5
ED
350V
021 2
X3
ED
350V
02
1
2
R18
51
C9
0.1u
FC
50.
1uF
R52
22
C69
10uF
50v
R14
810
k
XS
2P
LD2-
10
1 3 5 7 9
2 4 6 8 10
DA
14N
E55
34
23
7
6
4
R14
010
k
C95
4.7u
F16
v
DD
174
HC
14
1 3 5 13 11 914
2 4 6 12 10 87
d0 d1 d2 d3 d4 d5+u
q0 q1 q2 q3 q4 q50v
L7 47nH
DD
774
AH
C1G
125
58
488
out
vcc
gnd
inoe
C87
10nF
DD
374
HC
14
1 3 5 13 11 914
2 4 6 12 10 87
d0 d1 d2 d3 d4 d5+u
q0 q1 q2 q3 q4 q50v
R9312k
L6 47nH
R15
810
k
R11
251
R32
100
C38680pF
R10
32k
R65
51
C10
912
pF
R17
3.9k
C42
10uF
25v
DA
3A
D18
53JR
S1
2
345
67
89
10
11
1213
14
28
272625
2423
22
2120
19
18
1716
15
0vd
mclk
wrwckwdi
int4xint2x
zrrdem
I ref
0va
OL+OL-
Uref
vcd
sdibcklrck
resmut
zrl
id0id1
filtb
vca
OR+OR-
fcr
R90
3.9k
C46
1500
uF25
v
R761.5
R14
310
k
VT1KTC3206
R71
4.7
R73
51
C10
010
0uF
16v
R10
03.
9k
C93
10uF
25v
XS
1P
LD2-
101 3 5 7 9
2 4 6 8 10
C84
10uF
25v
R67
1k
DA
4A
D58
6JR
62
48
R28
2k
R10151
VD2BAS32
C26
10uF
50v
C39
220p
F
C94
100u
F16
vR
134
10k
C50
220p
F
R8
100
R81
51
C22
10nF
R63
51
L9 47nH
C80680pF
R97
100
R26
3.9k
DD
474
HC
14
1 3 5 13 11 914
2 4 6 12 10 87
d0 d1 d2 d3 d4 d5+u
q0 q1 q2 q3 q4 q50v
VT3KTC3206
R36
51
R89
51
L3 47nH
R11
610
k
R12
851
C16
10uF
25v
DD
274
HC
14
1 3 5 13 11 914
2 4 6 12 10 87
d0 d1 d2 d3 d4 d5+u
q0 q1 q2 q3 q4 q50v
R15
94.
7
DA
15N
E55
34
2 3
7
6
4
C91
0.1u
F
DA
6O
P42
FJ
2 36
7 4
C47
10nF
DA
10O
P42
FJ2 3
6
7 415
DA
24LM
317E
MP
321
VT62SA1837
R50
51
C6
0.1u
F
C11
0.1u
F
R75
51
R11
91k
R13
51
C76
10nF
C17
10nF
R11
410
0
C90
330p
F
C821500uF25v
C54
100u
F16
v
C81
220p
F
R13
722
0
DD
674
AH
C1G
125
58
488
out
vcc
gnd
inoe
R69
51
R4
4.7
C37
10uF
50v
R30
3.9k
DA
20LM
317E
MP
321
C51
0.1u
F
R10
851
R15
251
C79
10uF
50v
C45
10nF
C71
10uF
50v
R14
710
k
C66
220p
F
R61
51
C10
812
pF
C98100uF16v
GG1
33.8
688M
Hz 5
84
out
vcc
gnd
DA
18M
C78
L05
13
2
C55
10uF
25v
X6
ED
350V
02
1 2
C97
100u
F16
v
Рис
. 1
LYN
X AU
DIO
(разумеется, при правильном написании проекта и задании его свойств). Кроме того, применение ПЛИС позволяет существенно упростить и оптимизировать трассировку относительно большого количества разнородных сигналов, подаваемых на микросхемы ЦАП.
Тактовый генератор мастер – режима выполнен на основе интегрального кварцевого генератора G1 с малым джиттером и низким потребляемым током. Последнее свойство позволяет использовать в качестве малошумящего стабилизатора его питания замечательные микросхемы ИОН AD586, позволяющие простыми средствами реализовать структуру ИОН – ФШ – ОУ, характеризуемую исключительно низким уровнем шумов в выходном напряжении и высокой стабильностью. Коммутацию тактового сигнала микросхем ЦАП (либо от собственного генератора, либо от генератора источника данных в ведомом режиме) осуществляют одноэлементные буферы DD6 и DD7. Выход буфера, не используемой в текущей конфигурации устройства частоты переводится в высокоимпедансное состояние. Такое построение коммутатора обеспечивает несколько меньший собственный джиттер, чем цифровой мультиплексор.
Для обеспечения совместимости с 5-вольтовыми уровнями входных сигналов, входные буферные триггеры Шмитта питаются от собственного стабилизатора +5 В на DA20 типа LM317, а ПЛИС – от стабилизатора +3.3 В на DA21 такого же типа.
Цифровая часть AD1853 питается от собственных стабилизаторов на микросхемах DA23 и DA24 типа LM317, а аналоговая, с целью снижения помех и шумов питания модуляторов – от стабилизаторов на микросхемах DA4 и DA5 типа AD586. Собственно микросхемы ЦАП включены в одноканальной конфигурации, подробно рассмотренной в справочных материалах на AD1852. При этом выходные токи каналов каждой AD1853 суммируются непосредственно на входах преобразователей ток – напряжение. Последние, как было отмечено выше, выполнены на основе ОУ DA6 – DA9 типа ОР42. С целью обеспечения благоприятных условий работы ОУ, в схемах преобразователей использована как фильтрация помех непосредственно на выходах ЦАП, так и в цепи ООС усилителей. В схеме не используются дополнительные резисторы питания модуляторов ЦАП, подключаемые к положительному источнику питания. Это позволило одновременно снизить уровень помех за счет отсутствия их прямого проникания с шины питания и повысить линейность ОУ, поскольку их выходной каскад работает в классе А с начальным током, определяемым током середины шкалы ЦАП, при этом верхний транзистор выходного повторителя ОУ никогда не закрывается, что исключает возникновение коммутационных искажений и очень благоприятно сказывается на общем спектре искажений, вносимых ОУ. Противофазные сигналы с выходов преобразователей вычитаются в каскадах на ОУ DA10 и DA11. На этих же ОУ выполнен и восстанавливающий ФНЧ. Выход фильтра – вычитателя является выходом всего устройства в целом. Для реализации «комфортных» условий работы выходных каскадов DA10 и DA11, они умощнены внешним однотактным эмиттерным повторителем, работающим в классе А с током покоя 10…15 мА. В фильтре – вычитателе предусмотрена возможность точной балансировки ОУ по постоянному току, что позволяет устранить возможное постоянное смещение из-за разности выходных токов середины шкалы AD1853, неодинаковости величин сопротивлений цепей ООС и собственных напряжений смещения ОУ.
Питание аналоговых цепей осуществляется от компенсационных стабилизаторов, раздельных для каждого канала. Стабилизаторы выполнены по стандартной схеме ИОН – ФШ – ОУ, причем в качестве ИОН используются интегральные стабилизаторы типов 78L05 и 79L05, что, учитывая их относительно малый уровень шума и его дальнейшую фильтрацию, очень удобно. Как было отмечено выше, в цепях аналогового питания применены шунтирующие конденсаторы довольно большой емкости – по 3000 мкФ на каждое плечо каждого канала. Для того чтобы обеспечить гарантированную устойчивость стабилизаторов, их выходы отделены от этих конденсаторов защитными резисторами небольшого сопротивления (1…1.5 Ом). ОУ стабилизаторов DA12 – DA15 типа NE5534 дополнительно скорректированы внешними конденсаторами.
Схема источника питания и первичных стабилизаторов приведена на рис. 2. Все выпрямители выполнены на диодах Шоттки, питания цифровой части и генератора
формируются первичными стабилизаторами на микросхемах DA1 – DA3, питания аналоговой части – нестабилизированные. Между выпрямителями и конденсаторами фильтра включены защитные резисторы, которые ограничивают импульсы тока заряда конденсаторов по величине и снижают скорость нарастания этого тока. Подобное решение позволяет уменьшить уровень помех от заряда конденсаторов фильтра, но при этом несколько снижает величину выпрямленного напряжения на выходе. Емкость конденсаторов фильтра аналогового питания выбрана весьма значительной величины – около 30000 мкФ на каждое плечо, поэтому для исключения перегрузки питающих трансформаторов при включении желательно (но не обязательно) использовать какую - либо систему плавного запуска. Плата источников питания имеет и второй вариант – не с набором параллельных конденсаторов относительно невысокой емкости, а с единичными конденсаторами емкостью 10000…22000 мкФ диаметром до 35мм.
LYN
X AU
DIO
1 1
2 2
3 3
4 4
5 5
6 6
7 7
8 8
9 9
10 10
AA
BB
CC
DD
EE
FF
GG
HH
II
JJ
16VAC2 14VAC1 12VAC1 12VAC2
22VA1 22VA2 +12VOSC
+9VCNV +9VDAC
Lynx
Aud
io E
ngin
eeri
ng D
epar
tmen
t
16VAC1
994
5
Lynx
PW
R29
Pow
er S
uppl
yA4
11
Mon
day,
Jul
y 06
, 200
9
Title
Siz
eD
ocum
ent N
umbe
rR
ev
Dat
e:S
heet
of
C8
3300
uF35
v
C23
3300
uF35
v
R1
1
R6
1
VD
21E
S1F
VD
22E
S1F
XS
3E
D35
0V02 1 2
C2
3300
uF35
v
R8
1
C11
0.47
uF25
0v
C27
100u
F35
v
C21
0.47
uF25
0v
VD
18M
BR
S11
00
C25
0.33
uF25
0v
C12
3300
uF35
v
R9
1
C18
3300
uF35
v
VD
8M
BR
S11
00
VD
20M
BR
S11
00
R4
1
C9
3300
uF35
vC
1333
00uF
35v
C14
3300
uF35
v
XS
5E
D35
0V02 1 2
VD
14M
BR
S11
00
C10
0.47
uF25
0v
VD
2M
BR
S11
00
XS
10E
D35
0V02
1 2
C16
3300
uF35
v
C19
3300
uF35
v
R7
1R5
1
XS
9E
D35
0V02 1 2
DA
3K
IA78
09A
PI
13
2
C3
3300
uF35
v
XS
6E
D35
0V02
1 2C
2410
0uF
35v
C4
3300
uF35
v
VD
16M
BR
S11
00
C6
3300
uF35
v
R2
1
VD
5M
BR
S11
00
C20
3300
uF35
v
VD
1M
BR
S11
00
VD
17M
BR
S11
00
VD
4M
BR
S11
00
VD
6M
BR
S11
00
XS
8E
D35
0V02
1 2
XS
7E
D35
0V02 1 2
VD
10M
BR
S11
00
DA
2K
IA78
09A
PI
13
2
VD
7M
BR
S11
00
C22
0.47
uF25
0v
C15
3300
uF35
v
C28
3300
uF35
vV
D19
MB
RS
1100
C7
3300
uF35
v
DA
1K
IA78
12A
PI
13
2V
D11
MB
RS
1100
VD
13M
BR
S11
00
XS
4E
D35
0V02
1 2
VD
23E
S1F
R10
1C1
3300
uF35
v
C29
100u
F35
v
R3
1
XS
1E
D35
0V02 1 2
VD
3M
BR
S11
00
XS
2E
D35
0V02
1 2
VD
9M
BR
S11
00
VD
12M
BR
S11
00
C17
3300
uF35
v
C26
3300
uF35
vV
D15
MB
RS
1100
C5
3300
uF35
v
LYN
X AU
DIO
Конструктивно ЦАП выполнен на четырехслойной печатной плате размерами 100 х 200 мм с покрытием иммерсионным золотом, а источник питания – на двухсторонней печатной плате размерами 80 х 180 мм (с набором конденсаторов) или 80 х 140 мм с единичными конденсаторами.
Внешний вид собранных плат ЦАП и источника питания первого варианта приведен на рис. 3 и рис. 4 соответственно:
Рис. 3. Плата ЦАП Lynx D29
Рис. 4. Плата источника питания Lynx PWR29V1
В устройствах применены плоскостные SMD резисторы типоразмера 0805 Yageo, резисторы MELF
типоразмеров 0204 и 0207 BC Components и Vishay Draloric, керамические SMD конденсаторы типоразмеров 0805 и 1206 Murata, электролитические SMD конденсаторы Panasonic FK, Sanyo OsCon SVP, электролитические выводные конденсаторы Panasonic FC и Vishay (серия 037), пленочные конденсаторы Vima FKP2 и Rifa PHE426. На плате ЦАП в аналоговом питании предусмотрена
LYN
X AU
DIO
возможность установки как SMD конденсаторов Panasonic FK, так и выводных диаметром 16 мм и расстоянием между выводами 7.5 мм.
В таблицах 1…4 приведено назначение выводов колодок XS1 – XS4:
Таблица 1. назначение выводов колодки XS1 «AD1853 CONFIG» № вывода Назначение
1 Сигнал CCLK последовательного порта AD1853 2 общий 3 Сигнал CDATA последовательного порта AD1853 4 общий 5 свободный 6 общий 7 Сигнал CLATCH последовательного порта AD1853 8 общий 9 Выход питания +5В (нагрузка до 50мА)
10 общий Таблица 2. назначение выводов колодки XS2 «HW CONTROL»
№ вывода Назначение 1 Выбор разрядности входных данных (лог. 0 = 16бит, лог.1 = 24 бит) 2 общий 3 Выбор режима ЦАП (лог. 0 = мастер, лог.1 = ведомый) 4 общий 5 Разрешение внешней конфигурации AD1853 (лог.1 = разрешена) 6 общий 7 Выбор формата входных данных (лог. 0 = RJ, лог.1 = I2S) 8 общий 9 Выбор количества входных синхроимпульсов (лог. 0 = 48, лог.1 = 64)
10 общий Состоянию "лог.1" соответствует отсутствие джампера между выводом с указанным в таблице
номером и оппозитного ему вывода в соседнем ряду, состоянию "лог.0" - установленный джампер Таблица 3. назначение выводов колодки XS3 «IIS SLAVE»
№ вывода Назначение 1 BCKI 2 DEEMPHASIS (лог. 0 – отключен) 3 SDI 4 общий 5 LRCKI 6 общий 7 MCLKI (вход 512 FS) 8 общий 9 Выход питания +5В (нагрузка до 50мА)
10 общий Таблица 4. назначение выводов колодки XS4 «IIS MASTER»
№ вывода Назначение 1 BCKI 2 общий 3 SDI 4 общий 5 LRCKI 6 общий 7 MCLKO (выход 384 FS) 8 общий 9 Выход питания +5В (нагрузка до 50мА)
10 общий Сигналы, подаваемые на входы устройства должны иметь ТТЛ совместимые уровни. Выходной
сигнал MCLKO выдается в ТТЛ уровнях. Ориентировочное максимальное потребление тока от источников питания следующее:
1. +9 VCNV 200…250 мА 2. +9 VDAC 25…30 мА 3. +12 VOSC 15…20 мА 4. +22VA 50…70 мА 5. -22VA 50…70 мА
Последние 2 источника первичного питания соединяются вместе и образуют в точке соединения «аналоговую» землю на самой плате ЦАП на «земляном» слое.
LYN
X AU
DIO
Спектры выходного сигнала для уровней 0 дБ, -3 дБ, -6 дБ, -20 дБ, -40 дБ, -60 дБ и -80 дБ (при 24 –
разрядных входных данных) снятые с помощью измерительного PCI АЦП с дополнительной калибровкой и программной компенсацией искажений АЦП, а также спектр интермодуляционных (суммарных и разностных) составляющих при преобразовании двухчастотного сигнала с основными частотами 19/20 кГц и пиковым уровнем -1 дБ приведены ниже:
Спектр выходного сигнала ЦАП Lynx D29 для уровня 0dB
Спектр выходного сигнала ЦАП Lynx D29 для уровня -3dB
LYN
X AU
DIO
Спектр выходного сигнала ЦАП Lynx D29 для уровня -6dB
Спектр выходного сигнала ЦАП Lynx D29 для уровня -20dB
LYN
X AU
DIO
Спектр выходного сигнала ЦАП Lynx D29 для уровня -40dB
Спектр выходного сигнала ЦАП Lynx D29 для уровня -60dB
LYN
X AU
DIO
Спектр выходного сигнала ЦАП Lynx D29 для уровня -80dB
Спектр суммарно-разностных составляющих для двухчастотного сигнала.
LYN
X AU
DIO
Авторский экземпляр ЦАП Lynx D29 обладает следующими техническими характеристиками (уровни искажений измерялись с помощью селективного микровольтметра): 1) номинальное выходное напряжение, соответствующее полной шкале преобразования, В (RMS) 2,12 2) относительный уровень шумов на выходе (при нулевом входном сигнале), дБ ниже -125 3) относительный уровень гармонических искажений и помех в полосе частот 48кГц для тестового отсчетно – коррелированного 24 - разрядного сигнала частотой 918.75гц полной шкалы, дБ ниже -116 4) относительный уровень интермодуляционных составляющих, дБ ниже -114 5) Уровень помех в полосе 100МГц на аналоговых выходах, дБ ниже -82 6) Динамический диапазон преобразования, дБ более 125 Особо следует отметить, что данное изделие обладает самым низким измеренным уровнем
искажений из всех ЦАП, для которых мне доводилось производить такие измерения. Субъективно звучание ЦАП Lynx D29 можно охарактеризовать, как спокойное, плавное, без
малейшего намёка на «визгливость» и «пластмассовость», свойственные большинству ДС ЦАП. Устройство отлично справляется как с воспроизведением камерной музыкой и малых составов, так и с масштабными произведениями, при этом не теряя способности точно воспроизводить послезвучия и паузы и сохраняя ритм и последовательность музыкальных событий. При прослушивании различных музыкальных произведений отмечена также исключительно хорошая передача статической и динамической глубины сцены. Кроме того, ЦАП отличается нейтральностью в отношении музыки различных жанров и направлений и великолепной передачей эмоциональной стороны музыкальных произведений.
В заключение мы хотим искренне поблагодарить за помощь и поддержку всех тех, кто прямо или
косвенно, физически или морально имеет отношение к созданию данного устройства: Андрея Попцова (г. С.- Петербург) и Александра Медведева (г. Казань), компании «Платан», «Вест-Эл», «Мега-Электроника», «Элкомаг», «Электроконнект», «Элтех».
Дмитрий Андроников (Lynx Audio)
Сергей Жуков (Lynx Audio)
М. Вишера - С.-Петербург, май - июль 2009 г.