Znajdź zawartość

Wstęp: W ramach budowy testowej płytki TDA1541 konieczne było zbudowanie konwerterów prąd - napięcie. Przytoczone tu wskazówki są uniwersalne i dotyczą wszystkich przetworników dac z wyjściem prądowym. Jedną z metod konwersji prądu na napięcie jest ta dokonywana na rezystorze i taką konwersją się zajmiemy. Rozważane będą 3 układy: 1. Bezpośrednia konwersja na rezystorze. 2. Konwersja na wzmacniaczu transimpedancyjnym. 3. Konwersja na rezystorze buforowanym od wyjścia kostki dac. Rozwiązania Poniżej rysunki uproszczone tych rozwiązań: 1. Konwersja bezpośrednia na rezystorze. Najprostsze rozwiązań. TDA1541 jest dostosowany do takiego sposobu pracy. Jego ostatnie stopnie konwersji na prąd są zasilane z napięcia -15V. To powoduje, że rezystor konwersji jest połączony bezpośrednio do masy. Napięcie jest proporcjonalne do wartości prądu czyli wartości próbki. Jeżeli następny stopień ma bardzo dużą rezystancję wejściową to następuje tu zupełna konwersja, całkowita prądu z kostki dac na napięcie. Układy źródeł prądowych, a takimi są wyjścia kostek dac, najlepiej pracują kiedy potencjał ich wyjść jest stały. Niestety w tym układzie tak nie jest. Sygnał napięciowy powstający na rezystorze konwersji moduluje tym napięciem wyjścia prądowe kostek dac. Wprowadza to ograniczenie na wielkość stosowanego rezystora. Wynosi ona około 50 omów. Daje to maksymalny sygnał poniżej 200 mV. Zmniejszenie R poprawi warunki pracy wyjść kostki dac ale zmniejsza stosunek sygnału do szumu. Zwiększenie rezystora zwiększa sygnał ale pogarsza warunki pracy wyjść zwiększając znacznie zniekształcenia. 2. Konwersja na wzmacniaczu transimpedancyjnym. Tradycyjna konwersja. Układ wzmacniacza operacyjnego z zasady swego działania w tej konfiguracji (to tzw. wzmacniacz transimpedancyjny) przy wejściu nieodwracającym połączonym do masy zapewnie na wejściu odwracającym stały równy masie potencjał na wyjściach prądowych kostki dac. To idealne rozwiązanie. Warunki jakie należy spełnić to jak najmniejsze prądy polaryzacji wejść wzmacniacza operacyjnego. Wystarczy aby były one mniejsze od prądu odpowiadającego pojedynczemu bitowi; dla kostki TDA1541 jest to około 15nA. Dla kostek o większej rozdzielczości będzie to znacznie niżej. W praktyce powinno to wykluczać stosowanie tu WO o wejściach bipolarnych. Te maja prądy polaryzacji na poziomach kilkudziesięciu nA. Tu powinny się znaleźć WO o wejściach unipolarnych z prądami na poziomie najwyżej kilku pA. Pod uwagę bierze się tu również szumy wzmacniacza uwzględniając szumy prądowe. Jak widać wartość rezystora konwersji może być w tym rozwiązaniu niemal dowolna ograniczona jedynie parametrami napięciowymi kostki WO. Z reguły taki stopień jest uzupełniony drugim realizującym dolnoprzepustowy filtr 2 rzędu: Filtracja jest realizowana powyżej pasma akustycznego. Powyżej parametry elementów dla maks. płaskiej charakterystyki w paśmie przepustowym. Dokładnie ten układ będzie poddany badaniom. 3. Konwersja na rezystorze buforowanym od wyjścia kostki dac. Układ mający eliminować użycie wzmacniaczy operacyjnych w torze sygnałowym a jednocześnie pozwalać zwiększać wartość rezystora konwersji. Narzuca się tu jakiś bufor separujący wyjście prądowe kostki dac od rezystora konwersji. Poszukiwania skupiły się głównie na tranzystorach polowych, choć w Internecie są i rozwiązania oparte na tranzystorach bipolarnych i lampach. Na rysunku powyżej podłączono hipotetyczny tranzystor polowy. Bramka jest izolowana od kanału i cały prąd wyjścia kostki dac płynie przez rezystor. Rezystor jest buforowany od wyjścia kostki dac. Na takim układzie opartych jest wiele rozwiązań. Byłoby fajnie, gdyby nie zależność napięcia bramka źródło od prądu w kanale (drenie-źródle). Omówmy układ na podstawie rozwiązania znanego jako Red Baron: Dla sygnału bramka jest uziemiona. Niestety z pewnych względów w tych rozwiązaniach polaryzuje się tranzystor określonym prądem wstępnym. Widać, że na rezystorze konwersji występuje również sygnał od tego prądu co stanowi wadę. Charakterystyka tranzystora 2SK216: Na zielono oznaczyłem obszar pracy we współpracy z TDA1541. W zakresie prądów wyjściowych tej kostki dac napięcie na wyjściach prądowych kostki zmienia się o 0,2V. To taka sama zmiana jak na rezystorze bezpośredniej konwersji 50 omów. Wartością dodaną jest 10 krotnie większa wartość rezystora konwersji w drenie tranzystora i tyleż razy większy sygnał. Niestety odstępu od zakłóceń nie będzie większego bo wzmacniane są również artefakty wynikające z fluktuującego napięcia na wyjściach kostki dac (wejściu tranzystora buforującego). Powyższe rozwiązanie to jedno z lepszych w tym zakresie. Raz ze względu na charakterystykę tranzystora (inne są gorsze) dwa, autor wiedział o co chodzi. Rozwiązania pojawiające się w sieci najczęściej świadczą o nieznajomości zagadnienia. Znajdziecie propozycje jednego z guru w zakresie wykorzystania tranzystorów polowych. Częstokroć prądy wstępne są ustalane na tysiące razy większe od prądu wyjściowego kostki dac dla pojedynczego bitu. To tak jakby sikać do wartkiego strumienia i oczekiwać, że zmieni barwę... Przeglądając Internet nie znalazłem rozwiązania jakie zaprezentuję poniżej. Na początek jeszcze raz jakie są wymagania: A) Zapewnić aby prąd wyjściowy kostki dac i tylko ten przepływał przez rezystor konwersji. B) Zapewnić aby na wyjściach prądowych kostki dac nie było fluktuacji napięcia. Zapewnić aby było ono stałe. Realizuje to następujący układ: Układ prosty jak budowa cepa. Prąd wyjścia kostki dac płynie przez kanał tranzystora FET i rezystor konwersji. W warunkach normalnej pracy nie płynie prąd bramki. Należy tu stosować OpAmp`y z wejściem FET, wówczas pomijalny jest również wpływ prądu wejściowego OpAmp`a. Mamy więc idealne spełnienie warunku A) Poprzez połączenie z masą wejścia nieodwracającego OpAmp`a układ sprzężenia zwrotnego utrzymuje również potencjał masy na wyjściu prądowym kostki dac. Jest tu jeszcze pewien myk. Otóż wyjście na następny układ jest pobierany z wejścia na rezystor i +Vcc, które staje się masa dla następnego układu. Podobnie zresztą zrobił Red Baron. Zachowujemy więc idealne warunki dla pracy kostki dac. Rezystor konwersji można zwiększyć wielokrotnie ponad tę dozwoloną dla bezpośredniej konwersji uzyskując większy sygnał oraz stosunek sygnału do szumu. Puchar temu, kto napisze w komentarzu dlaczego nie ma tu rezystora wymuszającego prąd początkowy... Jeszcze o parametrach tranzystora buforującego; ma mieć prąd dreny powyżej tego co wyjdzie z kostki dac. Oczywiście niskoszumny. Musi wytrzymać napięcia istniejące w układzie. Będziemy badać układ o schemacie doświadczalnym nieco bardziej złożonym: Robiłem tu eksperymenty zmieniając napięcie na wyjściach kostki dac (nie róbcie tego w domu!), eksperymenty z masą oraz możliwością wysłania prądu do lampy... Pomiary: Wszystkie pomiary FFT były wykonane w tych samych warunkach. 1. Bezpośrednia konwersja na rezystorze. Niskie tło jest wynikiem połączenia sond analizatora bezpośrednio do rezystora konwersji 50 omów. Wszystkie EMI zbierane z otoczenia są zwarte niską impedancją tego rezystora. Tyle celem wytłumaczenia. Sam sygnał jest niski (około 30 razy niższy niż w 2.). Porównanie należy przeprowadzić w oparciu o wartości THD i THD+N (odpowiednio 0,008% i 0,009%). 2. Konwersja na wzmacniaczu transimpedancyjnym. Wzmocnienie tego układu wynosi około 1 (0dB). Tło podniosło się albowiem wzmacniacze wzmacniają wszelkie brudy EMI. Niemniej widać jak niskie są wnoszone zakłócenia. THD=0,0013%, THD+N=0,002%. 3. Konwersja na rezystorze buforowanym od wyjścia kostki dac. Tu niższe są oba parametry. Ale uwaga rezystor konwersji to 500 omów czyli sygnał około 3 krotnie (-10dB) niższy niż w 2. Po wlutowaniu rezystora 1k5 otrzymujemy: Widać zdecydowaną poprawę zniekształceń oraz odstępu od szumów (odpowiednio 0,001% i 0,0016%). Oznacza to potencjał odnośnie zwiększania sygnału poprzez wzrost rezystancji. Zmalenie prążka 50Hz w tym wypadku to wynik nieco innego ułożenia przewodów pomiarowych a nie skutek zmiany rezystorów. ... Podsumowanie: Spośród układów konwersji zdecydowanie niewystarczająca jest prosta konwersja tylko na rezystorze. Daje ona kilka razy gorsze parametry zniekształceń i szumów. Klasyczny układ transimpedancyjny ma parametry bardzo dobre. To klasyka stopni analogowych wysokiej klasy. Konwersja z buforem to nieco ośmieszona na forach międzynarodowych idea. Tamte rozwiązania są zwyczajnie słabe. Testowałem kilka z nich. Nędza. Zresztą charakterystyki można znaleźć choćby: [Ukryta Zawartość] Autorzy tamtych rozwiązań kombinują jakby nie rozumieli jakie warunki ( A) i B) ) trzeba spełnić wobec kostki dac. Zaproponowany przeze mnie układ jest pozbawiony wad i ma największy potencjał. Co do układu pomiarowego należy pamiętać na jak niskich poziomach one się odbywały. Zastosowano sondy różnicowe stąd tak niskie poziomy tła. W układzie z asymetrycznym wejściem (dźwiękowa karta komputerowa) są niemożliwe do realizacji na takim poziomie a więc uzyskane różnice mogłyby być wątpliwe. Ale o tym napiszę coś w wątku "Warsztat elektronika". Potem wrzucę tu PCB z pewnymi wyjaśnieniami.