ЦАП для усилителя

Характеристики

Для описания цифро-аналоговых преобразователей в общем случае используют следующие характеристики.

Статические характеристики:

  • Разрядность. Определяет количество уровней аналогового сигнала, которое может воспроизводить ЦАП. Для N разрядного ЦАП число уровней аналогового сигнала равно 2N (включая значение для нулевого кода);
  • Статическая характеристика преобразования. Это график, у которого по оси абсцисс отложены значения кода, а по оси ординат значения выходного сигнала ЦАП.
  • Статическая нелинейность. Для описания статической нелинейности используют две величины: дифференциальная нелинейность (DNL) и интегральная нелинейность (INL);
  • Монотонность. Одна из важнейших характеристик ЦАП, которая говорит о том, что при увеличении кода, значение аналогового сигнала так же увеличивается. Унарная архитектура гарантирует монотонность. Для бинарной архитектуры монотонность не гарантируется;
  • Напряжение питания;
  • Потребляемая мощность;
  • Смещение нуля;
  • Ошибка усиления;

Динамические характеристики:

  • Максимальная частота смены входного кода. Это максимальная частота, с которой можно изменять входной код ЦАП, получая при этом корректный результат на выходе;
  • SNR (отношение сигнал/шум). Считается как отношение амплитуды восстанавливаемого гармонического сигнала к сумме амплитуд всех остальных гармоник в спектре выходного сигнала, кроме кратных, и выражается в децибелах;
  • SFDR (динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих). Считается как отношение амплитуды восстанавливаемого гармонического сигнала к амплитуде наибольшей гармоники в спектре выходного сигнала, также выражается в децибелах. Эту характеристику так же ещё называют «динамической линейностью».

Архитектуры ЦАП

Архитектура ЦАП — это способ формирования выходного сигнала на функциональном уровне. Иначе говоря, это описание того, на сумму из каких чисел будет раскладываться значение выходного сигнала. Выходной сигнал формируется с помощью взвешивающих элементов, каждый из которых отвечает за свою «порцию» выходного сигнала. Различают следующие архитектуры по набору значений взвешивающих элементов:

  • Бинарная архитектура;

Соотношение двух соседних взвешивающих элементов равно 2. То есть выходной сигнал формируется так же, как это происходит в двоичной системе счисления. Соответственно, веса элементов, формирующих выходной сигнал, в нормированном виде, будут равны 1, 2, 4, 8, 16 и т. д. Управление взвешивающими элементами осуществляется бинарным кодом.

  • Унарная архитектура;

Соотношение двух соседних взвешивающих элементов равно 1. То есть выходной сигнал формируется так же, как это происходит в унарной системе счисления. Соответственно, веса всех элементов, в нормированном виде, равны 1. Управление осуществляется унарным или унитарным кодом.

  • Архитектура Фибоначчи;

Веса элементов представляют собой последовательность чисел Фибоначчи. Выходной сигнал формируется так же, как это происходит в Фибоначчиевой системе счисления.

Кроме того, существует понятие сегментной архитектуры, которая предполагает разделение входного кода на несколько групп. Как правило, две. Каждая группа обрабатывается независимо своим сегментом. Выходные сигналы всех сегментов комбинируются, образуя выходной сигнал ЦАП. Наиболее часто встречается следующая конфигурация сегментной архитектуры: младшие разряды обрабатываются сегментом, построенном по бинарной архитектуре, старшие разряды — сегментом, построенном по унарной архитектуре.

Типы взвешивающих элементов и способы формирования веса

Цифро-аналоговые преобразователи независимо от архитектуры могут использовать в качестве элемента, взвешивающего аналоговый сигнал, следующие типы компонентов: конденсаторы, резисторы и источники тока.

  • Конденсаторы. Данный тип взвешивающих элементов в случае применения в бинарной архитектуре может либо иметь номиналы, отличающиеся у соседних элементов в 2 раза, либо иметь номиналы 1 и 2 и формировать лестничную цепь C-2C.
  • Резисторы. Данный тип взвешивающих элементов имеет те же принципы построения, что конденсаторы. Кроме того, существуют реализации подобных структур на основе не резисторов, а транзисторов, выступающих в роли резисторов. Такие цепи называются M-2M.
  • Источники тока. Это, как правило, транзистор в режиме насыщения. Использование данных типов взвешивающих элементов позволяет обойтись без буферов, которые необходимы для других типов взвешивающих элементов.

Для формирования веса взвешивающего элемента есть следующие способы:

  1. Масштабирование номиналов. С точки зрения полупроводниковой технологии это всегда эквивалентно масштабированию размеров элементов;
  2. Использование лестничной структуры. Применимо только к ёмкостным и резистивным взвешивающих элементам. В зависимости от типа взвешивающего элемента такие структуры получают названия R-2R, C-2C или M-2M (вместо резисторов используются транзисторы);
  3. Инжекция заряда на плавающий затвор. Применимо лишь для специальных технологий, предусматривающих формирование плавающего затвора у транзистора. Как правило, это технологии предназначенные для изготовления энергонезависимой памяти.

Последовательные и параллельные ЦАП

В зависимости от способа обработки разрядов входного кода ЦАП разделяют на два вида: последовательные и параллельные. К последовательным ЦАП можно отнести следующие виды:

  • Широтно-импульсный модулятор — простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром нижних частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi-аудиотехнике;
  • ЦАП передискретизации, такие, как дельта-сигма-ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра верхних частот для шума квантования.

Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчётов в секунду, разрядность — до 24 бит. Для генерации сигнала с модулированной плотностью импульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка как MASH (англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному фильтру низких частот, и улучшается подавление шума квантования;

К параллельным ЦАП относятся:

  • ЦАП взвешивающего типа, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключённый на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных источников или резисторов и непостоянного импеданса. По этой причине взвешивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит;
  • ЦАП лестничного типа (цепная R-2R-схема). В R-2R-ЦАП значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R, называемой матрицей постоянного импеданса, которая имеет два вида включения: прямое — матрица токов и инверсное — матрица напряжений. Применение одинаковых резисторов позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, так как сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. ЦАП типа R-2R позволяют отодвинуть ограничения по разрядности. С лазерной подгонкой плёночных резисторов, расположенных на одной подложке гибридной микросхемы, достигается точность 20—22 бита. Основное время на преобразование тратится в операционном усилителе, поэтому он должен иметь максимальное быстродействие. Быстродействие ЦАП единицы микросекунд и ниже (то есть наносекунды). В троичных ЦАП матрица постоянного импеданса состоит из резисторов 3R-4R с терминатором 2R.

> См. также

  • Квантование (обработка сигналов)
  • Дискретизация
  • Covox
  • Модем
  • Цифровой вычислительный синтезатор

ЦАП — что за штука и что он преобразует??

Приветствую ценителей качественной музыки, интересующихся модными техническими новинками. Этот обзор посвящен ЦАПу – устройству, позволяющие максимально раскрыть звуковые возможности ваших гаджетов.

Что такое ЦАП? Начнём с расшифровки аббревиатуры и тут все просто: цифровой аналоговый преобразователь. Это сложное электронное устройство, на вход которого подаются кодированные сигналы в двоичной системе, а на выходе мы имеем соответствующе им динамическое изменение напряжения и силы тока. Сфера использования данных приспособлений достаточно обширна, однако в нашей статье речь пойдёт о его применении для обработки звука.

Стоит признать тот факт, что оптимальной формой записи и хранения музыки или другой звуковой информации являются аудио файлы, закодированные различными способами. Благодаря популярным форматам и программам для их воспроизведения прослушать песню в таком виде можно и на компьютере, и на смартфоне, и на телевизоре, работающем с флеш-накопителями. Инструментом воспроизведения являются уже аналоговые устройства. Это могут быть как встроенные динамики, так и наушники, подключаемые через аудио выход.

Секрет качественного звучания

Фактически в гаджетах уже имеется некое подобие цифро-аналогового преобразователя. Однако качество его работы может сильно отличаться в разных устройствах, что чувствуется по слышимому звуку. Чтобы достичь в этом направлении более-менее приличных результатов производители интегрируют отдельные ЧИПы и даже дискретные звуковые карты, которые как раз и созданы для этих целей.

Специальные процессоры для обработки кодированной цифры и трансляции ее в аналоговом формате стоят и в ЦАПах, но здесь они работают намного эффективней. Достигается это за счёт дополнительных электронных компонентов и своего блока питания, что позволяет выделить преобразователь в отдельное внешнее устройство. Но главным достоинством такого ЦАПа является минимизация влияния помех, исходящих от сопряжённого аппарата. Именно этот принцип работы позволят на выходе получить кристально чистый аналоговый звук. Чего невозможно добиться с обычной звуковой картой (не имеющей его).

Итак, мы плавно подошли к главному предназначению ЦАПа: не просто преобразовать содержимое файла в аналоговый сигнал, а сделать это наиболее качественно, обеспечив

  • качественное воспроизведение при существенном повышении громкости;
  • насыщенный динамический частотный диапазон;
  • минимизацию возможных помех;
  • усиление мощности звучания;
  • широкие возможности для точной настройки.

Я уже представляю себе, как загорелись глаза истинных меломанов и почитателей качественной музыки, сейчас впервые узнавших об этом необычайно полезном устройстве для преобразования звука.

Разновидности аудио ЦАПов

Но что это за чудо, спросите вы? И какое оно? И как его вообще можно использовать?

Начнём отвечать в обратном порядке. Условно, интересующие нас ЦАПы можно разделить на две категории: компактные (переносные) для работы с плеерами, смартфонами и стационарные, для подключения к компьютерам и телевизорам.

Первые подключаются к гаджету на IOS или Android через USB с помощью OTG и короткого экранированного кабелей. Возможно, понадобится установка сопутствующего приложения. Часто такие устройства имеют встроенный усилитель и аккумулятор, что позволяет использовать их и как пауэр-банк.

Стационарные ЦАПы это солидные устройства выполненные, обычно, в алюминиевом корпусе, эффективно отводящем тепло. Многие оснащаются собственным дисплеем, аналоговыми регуляторами громкости и тембра. Главное их отличие, помимо высокой мощности, это наличие разнообразных разъемов для подключения всевозможных устройств:

  • Оптический (Toslink);
  • USB-B, позволяющий обходить звуковую карту и читать музыкальные файлы прямо с жёсткого диска;
  • Электрический (AES/EBU и SPDIF);
  • В некоторых устройствах имеется картридер и стандартный USB для флешек.

В обоих типах преобразователей используется вывод аналогового аудиосигнала через линейный RCA выход (под «тюльпаны»), mini-jack или jack для профессиональной акустики и высокоомных наушников.

Как получить полный кайф от звучания?

Важный момент, на который стоит уделить внимание: чтобы ЦАП полностью раскрыл свои возможности, стоит позаботиться о том, чтобы подключаемая к нему акустика позволяла воспроизводить весь частотный диапазон. Лучше, если она будет Hi-Fi класса. Ещё лучше для стационарных устройств, если вы добавите в систему и усилитель такого же уровня. В этом случае от преобразователя вы получите максимум удовольствия.

Выбор ЦАПа дело не сложное. Просто определитесь, для какого устройства он будет предназначен. А дальше изучите бренды производителей самих устройств и используемых в них чипов и выберете только проверенных. Так же обратите внимание на разрядность обработки сигнала, которая бывает 16, 24 или 32-х битной. Однако здесь есть спорные вопросы. Одни логично полагают что больше – значит лучше. А для других реально слышимая разница в качестве звука настолько трудно различима, что не стоит внимания. Здесь уже решать вам.

Надеюсь, после прочтения этой статьи вы сразу приступите к изучению ассортимента ЦАПа в интернет-магазинах. И не исключено, что, расширив возможности своей техники, у вас появится несколько интересных вопросов. Задавайте их мне, и вы обязательно получите на них ответы в новых обзорах и статьях.

Желаю новых ощущений от приятного прослушивания любимой музыки, пока!