ОУ для канала АЦП WT192X

Свинтенок В. А.

Ниже представлены результаты исследования работы канала АЦП (первого каскада) звуковой карты WT192X с наиболее популярными и лучшими на сегодняшний день микросхемами. Данные приведены с учетом симметричного так и не симметричного включения карты и при напряжении входного сигнала близком к максимальному уровню сигнала для карты в обоих включениях.

Рассматривались три возможных пути (варианта) реализации апгрейта:
- полная замена микросхем (ОУ), с резисторами в цепи обратной связи;
- с заменой микросхем (ОУ);
- с использованием микросхем с симметричной структурой.

В связи, с чем и материал представлен в виде трех частей:
- в первой части приведены данные экспериментов на «стандартных» ОУ, с качественными резисторами и имеющие наилучшие характеристики по линейности;
- во второй на «стандартных» ОУ с чип резисторами;
- в третьей - на OPA1632.

Доработка звуковой карты WT192X изложены в статьях (). В статье ("Доработка входных цепей WT 192X") приведена и схема канала АЦП. Тракт канала АЦП представляет собой два последовательно включенных преобразователя. Один из преобразователей преобразует симметричный сигнал в не симметричный, а  другой – несимметричный в симметричный (выполнен на  двух инверторах). Коэффициент передачи преобразователя меньше единицы, а инверторов равен единице.
    Как показывает опыт работы со звуковой картой, она довольно часто используется и в несимметричном включении, в связи с чем, коэффициент гармоник преобразователя измерялся во всех трех режимах работы – инвертирующем, не инвертирующем и дифференциальном.
     Кроме того, для тех, кого интересует качество согласования (симметрией) входного каскада приводимых здесь ОУ, привожу еще и такой параметр как коэффициент гармоник по синфазному  сигналу Кгс. Он измеряется при подаче сигнала (синфазного) на оба входа преобразователя и рассчитывается как отношение среднеквадратичного значения гармоник на выходе микросхемы к первой гармонике синфазного сигнала, действующего на входах ОУ. Этот параметр дает возможность оценить предельное значение искажений в не инвертирующем включении, его взаимодействие с  искажениями возникающих в иных каскадах, а по спектру оценить дифференциальную нелинейность согласования (симметричность) входного каскада и объяснить волнистость и не монотонность характера спектра ОУ в целом.
    Схема преобразователя, которая исследовалась, была несколько упрощена – были исключены резисторы по 100кОм, стоящие на входе преобразователя, а номиналы резисторов цепи обратной связи попарно составили соответственно 15кОм и 3,3кОм. На вход исследуемого каскада подавалось напряжение такой амплитуды, которое примерно соответствует максимальному входному напряжению карты в симметричном (2 вольта, здесь и далее подразумевается среднеквадратичное значение) или несимметричном (4 вольта) включении (близкое к 0 дБ). Сопротивление нагрузки каскада 5кОм и равно входному сопротивлению инверторов. Напряжение питания 12 вольт. При симметричном включении по входу использовался дополнительный инвертор на микросхеме LME49710 с резисторами в цепи обратной связи по 5кОм.

Канал на «стандартных» ОУ

В эксперименте, приведенной в этой части, во всех каскадах использовались резисторы С2-29. Характеристики по линейности в этом варианте очень высоки. Они существенно превосходят, для ряда ОУ, возможности современных АЦП. И даны они здесь в основном для того, чтобы показать предельную возможность и различие тестируемых здесь микросхем. Результаты приведенных тестов с успехом могут быть использованы и в иных устройствах различного назначения.
    В данном разделе статьи анализируется в основном работа первого каскада канала АЦП – преобразователя симметричного сигнала в несимметричный сигнал и приводятся некоторые рекомендации по выбору микросхем для инверторов.
    Что представлено в таблицах. В таблицах 1 – 3 представлены коэффициенты гармоник для инвертирующего, не инвертирующего и синфазного включений (в нижней части таблицы), а так же спектры регистрируемых гармоник нормированных относительно первой. В таблицах 4 – 5 представлены коэффициенты гармоник и спектры регистрируемых гармоник нормированных относительно первой при симметричном включении.

Несимметричное включение.

Таблица 1.

В первой таблице представлены «ветераны», хорошо зарекомендовавшие себя в различных конструкциях. Хорошее впечатление оставляет микросхема OP275 – небольшой и достаточно ровный коэффициент гармоник во всех включениях, короткий спектр гармоник и хорошая симметрия входного каскада. А вот микросхема OPA134 имеет практически одинаковый коэффициент гармоник во всех включениях. У микросхемы NE5532 самый большой коэффициент гармоник по синфазному сигналу - симметрия входного каскада не на высоте, ее лучше не использовать в не инвертирующем включении. Различия собственных шумов микросхем слабо влияют на общий шум каскада.

Таблица 2.

Во второй таблице лучшая микросхема – AD8066. Она имеет во всех включениях коэффициент гармоник меньше стотысячной процента. Однако у нее уровень шума на низкой частоте (измерялось на частоте 130 Гц) на 3дБ – 4дБ выше, чем у остальных микросхем (избыточный шум). Следует отметить и микросхему AD826, у нее самый лучший коэффициент гармоник по синфазному сигналу из всех тестируемых здесь микросхем. Ее слабое место – повышенный уровень шума.

Таблица 3.

В третьей таблице представлены, пожалуй, лучшие микросхемы на сегодняшний день. Из таблицы видно, что при пониженном напряжении питания лучше использовать LME49710/20. Кроме того, было замечено, что у микросхемы LME49860 с понижением напряжения питания несколько возрастают низкочастотные шумы. В последнем столбце таблицы приведены данные, полученные при использовании чип резисторов (для сопоставления). Более подробно об этом во втором разделе.

Симметричное включение

Как было сказано выше, в симметричном включении на входе использовался дополнительный инвертор (смотри схему в третьем разделе). Входное напряжение было снижено до двух вольт (с целью получения того же выходного напряжения).

Таблица 4.

Таблица 5.

В четвертой и пятой таблицах представлены коэффициенты гармоник указанных микросхем в симметричном включении, а в последнем столбце пятой таблицы коэффициент гармоник инвертора. В коэффициент гармоник для микросхем LME49710 и LME49860 входят и пересчитанные на коэффициент передачи преобразователя гармоники инвертора (где-то того же порядка). Поэтому реальное значение коэффициента гармоник у этих микросхем несколько иное. Уровень шума определяется в основном уровнем шума инвертора и установки (за исключением для AD826). В третьем столбце таблицы 5 приведены данные, полученные при использовании чип резисторов (для сопоставления). Более подробно об этом во втором разделе.

Выбирая микросхемы ОУ для инверторов канала АЦП можно ориентироваться на данные преобразователя, приведенные в таблицах 1 – 5 для инвертирующего включения.

Выбирая тип микросхемы для преобразователя канала АЦП необходимо учесть и искажения, вносимые последующими инверторами. При приблизительно одинаковых искажениях преобразователя и инверторов и с целью исключения влияния «обвязки»  на общий коэффициент гармоник, необходимо чтобы коэффициент гармоник преобразователя и инверторов были в несколько раз меньше коэффициента гармоник АЦП.

Чип резисторы.

В эксперименте, приведенной в этой части, во всех каскадах использовались чип резисторы, что мы и имеем в реальной звуковой карте. Резисторы использовались YAGEO (что было под рукой) и подбирались в пары с точностью примерно 0,1%. В остальном условия эксперимента те же что и в первой части. Этот вариант апгрейда более простой в реализации, но и результаты совершенно иные…

Что представлено в таблицах. В таблице 6 представлены коэффициенты гармоник для инвертирующего, не инвертирующего и синфазного включений (в нижней части таблицы), а так же спектры регистрируемых гармоник нормированных относительно первой. В таблице 7 представлены коэффициенты гармоник и спектры регистрируемых гармоник нормированных относительно первой при симметричном включении.

В таблице 8 приведены данные, показывающие как можно уменьшить влияние чип резисторов на коэффициент гармоник преобразователя, а в таблице 9 – на инверторы.

 Несимметричное включение.

Таблица 6.

Данные в таблице 6 приведены только для четырех типов микросхем, в виду того, что коэффициент гармоник не зависит от типа микросхем, а определяются типом применяемых резисторов. Как видно из таблицы коэффициент гармоник в не инвертирующем включении несколько ниже (на входном резисторе падает меньшее напряжение). Коэффициент гармоник по синфазному сигналу так же полностью определяется резисторами и имеет одинаковое значение.

Симметричное включение 

Данные в таблице 7 приведены так же только для четырех типов микросхем, в виду того, что коэффициент гармоник не зависит от типа микросхем, а определяются типом применяемых резисторов. Как видно из таблицы коэффициент гармоник в дифференциальном включении ниже, чем в несимметричном включении (входное  напряжение в два раза ниже).

Таблица 7.

Если не менять резисторы итог получается довольно неутешительный – что не ставь результат один. Поэтому, видимо, больше всего при таком апгрейте следует обратить внимание на «чистоту» питания и наводки (в том числе и высокочастотные – где коэффициент гармоник микросхем может быть весьма значительным). А вот что «гадит» больше спектр резисторы или ОУ надо исследовать – мне неизвестно. Хотя интуиция подсказывает, чем меньше коэффициент гармоник, тем меньше должны быть и интермодуляционные искажения и замена ОУ может, что-то и дать.

Однако ситуацию и в этом случае можно значительно улучшить. Для этого необходимо два чип резистора 15кОм, стоящие на входе преобразователя, заменить  более качественными, например С2-29. При этом искажения снижаются более чем на порядок (последний столбец таблицы 7 и таблица 8).

Таблица 8.

В таблице 9 продемонстрировано поведение чип резисторов в инверторах.

В первых двух столбцах таблицы для двух типов микросхем приведены коэффициент гармоник при выходном напряжении 0,9в, что соответствует реальному максимальному напряжению звуковой карты. Как видно из таблицы влияние чип резисторов на коэффициент гармоник здесь значительно ниже и менять их, добиваясь лучших результатов, не имеет особого смысла.

Наблюдаемое здесь снижение коэффициента гармоник инвертора объясняется частичной взаимной компенсацией нелинейностей двух чип резисторов одного номинала.

Таблица 9.

Для тех, кто захочет поэкспериментировать с взаимной компенсацией искажений чип резисторов, укажу два пути. В инверторе поменять полярность включения одного из резисторов. В этом случае возможны два исхода: коэффициент гармоник может возрасти, а может и уменьшится. В таблице это отражено в 3 и 4 столбцах. Как видно из таблицы искажения уменьшились (увеличились) в два раза (компенсация по второй гармонике). Второй путь представлен в последних двух столбцах. В этом случае каждый из резисторов цепи обратной связи инвертора представлен в виде двух последовательно включенных резисторов (в данном случае по 3,3кОм). Результат такого включения очевиден.

OPA1632

Для доработки карты (внешнее исполнение) интересным решением является так же использование в канале АЦП микросхемы OPA1632, ввиду ее полной внутренней симметрии. Одна из задач использования на входе преобразователя при стандартном решении канала АЦП на «обычных» ОУ, является необходимость подавления синфазных помех поступающих на вход карты. Микросхема OPA1632 обладает достаточно хорошим коэффициентом подавления синфазных сигналов и если требования на входное сопротивление тракта не велики, то можно обойтись одной микросхемой на канал. У нее к тому же достаточно хорошие характеристики и по шуму и по нелинейным искажениям. Однако у микросхемы сравнительно большой входной ток, что вызывает необходимость использования низкоомных резисторов в цепи обратной связи (с целью получения низкого значения уровня шума). Что в свою очередь ведет к увеличению искажений и уменьшению входного сопротивления. Повысить входное сопротивление можно, включив на входах канала по буферному каскаду, это желательно иметь и в ряде случаях  использования подобных каскадов в иных приложениях, что связано со спецификой работы OPA1632 (о чем будет сказано ниже).

Схема измерительной установки (фрагмент) приведен на рисунке 1.

На микросхеме 1 (LME49710) собран инвертор, с резисторами 5кОм в цепи обратной связи. Собственно исследуемая часть каскада обведена пунктирной линией. Номиналы резисторов цепи обратной связи указаны в таблицах. Резисторы R2 подключаются к схеме только в косвенном режиме измерения. На микросхеме 3 (LME49710) собран преобразователь  симметричного сигнала в несимметричный сигнал. Все резисторы преобразователя имеют номинал 1,5кОм.

Измерения проводились в трех режимах, с тремя значениями резисторов в цепи обратной связи (в каждом режиме)  и при двух значениях выходного напряжения (близкими к уровням сигнала 0дБ и -6дБ). Измерения проводились, как и в предыдущем случае при напряжении питания +/-12в.

В четвертой строке таблиц 10, 11, 12 (Uвх/Uвых) приведены действующие напряжения, подаваемые на входы микросхемы и выходные напряжения, действующие на выходах испытуемой микросхемы. А в пятой строке таблиц 10, 11, 12 (Uвх/Uсинф) приведены действующие напряжения, подаваемые на входы микросхемы и синфазные напряжения, действующие на входах испытуемой микросхемы.

В таблице 10 приведены результаты измерений для резисторов цепи обратной связи R3=1кОм и R4=470Ом, а в «косвенном» режиме и R2=4,7Ом. При измерении коэффициента гармоник по синфазному  сигналу Вх2 отключался от инвертора и соединялся с Вх1. В режиме с несимметричным входом (Однофазный вход) Вх2 отключался от инвертора и заземлялся. В режиме с несимметричным выходом (Однофазный выход), сигнал снимался с Вых2. Режим несимметричный Вх/Вых приводится только в этой таблице.

Таблица 10.

Анализ данных таблицы 10 показывает:
- В режиме «Однофазный Вх/Вых» как нелинейные искажения, так и уровень шума имеют повышенные значения. В этом режиме микросхему использовать не желательно.
- Коэффициент гармоник в режимах с симметричными и несимметричными входами отличаются не сильно.
- Спектр гармоник с этими номиналами резисторов цепи обратной связи достаточно «жесткий», значение коэффициента гармоник умеренное.
- Микросхема не «любит» большие синфазные напряжения.
- Уровень шума определяется шумами установки (кроме режима «Однофазный Вх/Вых»).

В таблице 11 приведены результаты измерений для резисторов цепи обратной связи R3=3,3кОм и R4=1,5кОм, а в «косвенном» режиме и R2=15Ом. При измерении коэффициента гармоник по синфазному  сигналу Вх2 отключался от инвертора и соединялся с Вх1. В режиме с несимметричным входом (Однофазный вход) Вх2 отключался от инвертора и заземлялся.

Таблица 11.

Анализ данных таблицы 11 показывает:
- Во всех режимах, кроме «косвенный» на  нелинейные искажения оказывают влияние  преобразователь 3  и инвертор 1.
- Коэффициент гармоник в режимах с симметричными и несимметричными входами, хотя отличаются и не сильно, но точно оценить невозможно.
- Спектр гармоник с этими номиналами резисторов цепи обратной связи менее «жесткий», значение коэффициента гармоник отличное.
- Уровень шума определяется шумами установки. 

В таблице 12 приведены результаты измерений для резисторов цепи обратной связи R3=15кОм и R4=3,3кОм, а в «косвенном» режиме и R2=33Ом. Все остальные особенности описания таблицы 12 те же, что и для таблицы 11.

Таблица 12.

Анализ данных таблицы 12 показывает:
- Во всех режимах, кроме «косвенный» на  нелинейные искажения оказывают влияние  преобразователь 3  и инвертор 1.
- Коэффициент гармоник в режимах с симметричными и несимметричными входами, хотя отличаются и не сильно, но точно оценить невозможно.
- Спектр гармоник с этими номиналами резисторов цепи обратной связи менее «жесткий», значение коэффициента гармоник отличное.
- На уровень шума начинает оказывать влияние шум микросхемы.

Ниже приведу некоторые особенности, замеченные в работе микросхемы OPA1632. Часть из них проявляется в редких (специфических) случаях и их знание будет полезно тем, кто разрабатывает устройства на этой микросхеме.
     Вот эти особенности:
1. Микросхема чувствительна к шумам источника питания, при использовании ее в режиме с несимметричным выходом и имеют существенно больший коэффициент гармоник.
2. Вторые гармоники (они самые большие), действующие на выходах (входах) микросхемы - синфазные. Что необходимо учитывать, разрабатывая некоторые схемы.
3. Во входные цепи (источник сигнала) втекает достаточно большой ток второй гармоники (через резисторы каскада). В случае, когда к источнику подключены и другие потребители и выходное сопротивление источника сигнала не равно нулю, на нем выделится напряжение второй гармоники, которое может ухудшить характеристики иных потребителей. Для предотвращения этого явления необходимо либо увеличивать номиналы резисторов каскада, либо использовать на каждом входе буферный каскад.
4. Спектр гармоник на каскаде с микросхемой OPA1632 «жестче», спектра гармоник выполненных на обычных микросхемах ОУ. Несколько настораживает и тот факт, что у OPA1632 уровень интермодуляционных искажений выше гармонических (смотри DS на микросхему).
5. Подводя итог можно сказать, что микросхема OPA1632 по своим характеристикам может удовлетворить практически любой АЦП.
6. Ориентировочное оптимальное отношение шум/искажения будет соответствовать номиналам резисторов цепи обратной связи взятой из таблицы 11.

Свинтенок В. А. <svaleks @ rambler . ru>

____________________________________