Резистор для ЦАП с токовым выходом

Качество звука на выходе аудиоустройства определяется качеством всего аудиотракта. Но первостепенное значение имеет качество ЦАП и реализация его выхлопа. Для цап с токовым выходом непременно требуется преобразователь ток напряжение. Его реализация определяет насколько хорош или плох будет звук, идущий на следующие каскады

Классическая схема

Стандартным решением для преобразования выходного тока ЦАП в напряжение является классическая схема на операционном усилителе. В общем виде она выглядит следующим образом:

аналоговый выход цап, цап с токовым выходом схема

Эта схема была подробно описана в статье: Преобразователь ток-напряжение на ОУ

На практике в цепь обратной связи всегда добавляется конденсатор. Такая RC цепочка работает как ФНЧ и необходима чтобы урезать полосу пропускания и исключить возможность самовозбуждения операционного усилителя.

аналоговый выход цап, цап с токовым выходом схема

Для примера давайте взглянем на приводимую в даташите для TDA1387 схему преобразователя. С этим ЦАПом все и проделывалось.

аналоговый выход цап, цап с токовым выходом схема

Указанные номиналы RC цепи дают частоту среза около 40кГц.

Схема полностью рабочая. Правда разработчики поленились нарисовать в даташите проходной конденсатор на выходе ОУ, необходимый для этого ЦАПа. Yо речь сейчас не об этом, а к конденсатору мы еще вернемся .

Минусы классической схемы для звука

А теперь рассмотрим обратную сторону простоты и удобства этой схемы. Она не так радужна как нам бы этого хотелось.

Быстродействие ОУ

При использовании такой схемы даже с не самыми быстрыми ЦАП-ами следует использовать как можно более быстродействующие ОУ. Для музыкальных ЦАП, с частотой дискретизации(ссылка) 44.1 кГц лучше использовать ОУ, скоростью нарастания сигнала которых более 10-20В/мкс.

Скорость нарастания сигнала всегда приводится в даташитах на ОУ. Зачастую даже на первой странице документации. Вот для примера кусок документации на AD8066, имеющего скорость нарастания сигнала 180В/мкс. Этот ОУ часто мелькает на аудиофорумах и рекомендуется для выхлопа ЦАПа.

аналоговый выход цап, цап с токовым выходом схема

Прецизионность ОУ

Выходной ток ЦАПов обычно составляет единицы, реже десятки миллиампер. По этой причине используемый ОУ должен быть еще и прецизионными.

Это означает, что он должен иметь минимальный ток сдвига по входу. Желательно чтобы ток сдвина был на уровне пикоампер. Для показанного выше AD8066 ток сдвига составляет 1пА.

При этом выбранный операционник должен еще и нормально «звучать».

Проблемы схемотехники пребразователя

Для действительно качественного звука в любом случае не обойтись без использование качественных микросхем с озвученными выше параметрами.

Но даже использовании прецизионного быстродействующего ОУ не решает главную проблему этой схемы. ЦАП обладает определенной выходной емкостью. Она складывается из емкостей транзисторов токовых ключей.

аналоговый выход цап, цап с токовым выходом схема

Вместе с RC цепочкой в обратной связи ОУ, выходная емкость ЦАП образует фазосдвигающую цепь, приводящую к запаздыванию более низких частот, т.е. фазовым искажениям. А фазовые искажения это смерть для звука.

Резистор для ЦАП с токовым выходом

В высококачественной аудио аппаратуре все чаще в качестве преобразователя ток-напряжение для ЦАП используют просто резистор.

Конечно есть разные мнения на этот счет. Но, несмотря на кажущиеся проблемы, обычный резистор является куда более лучшим приближением к идеальному преобразователю ток-напряжение.

аналоговый выход цап, цап с токовым выходом схема

Главным его плюсом является полное отсутствие вносимых фазовых искажений. Однако при использовании резистора следует учитываеть некоторые обстоятельства.

Номинал резистора

При непосредственном подключении резистора к токовому выходу цап, возникающее на резисторе напряжение оказывается приложенным к выходным ключам ЦАПа.

Даже при небольших величинах прикладываемого напряжения оно увеличивает вероятность возникновению ошибок преобразования ЦАП. В идеале, конечно, резистор должен обладать нулевым сопротивлением.

С другой стороны чем меньше сопротивление резистора, тем меньше будет падение напряжения на нем, и тем больше сигнал придется усиливать.

Если величина напряжения будет слишком мала, то шум резистора начнет оказывать заметное влияние на качечтво сигнала. Шум усиливается точно так же, как и сигнал.

Больше конкретики

Статья писалась на основании разработки аудиотракта для плеера HiFiMan HM-601 с ЦАПом TDA1387. Но все сказанное относится к любым ЦАПам с несимметричным токовым выходом.

На практике величина резистора выбирается достаточно маленькой, обычно в пределах 50-100 ом. В таком случае при максимальном выходном токе в 1 мА для TDA1387 на выходе резистора будет получено напряжение полезного сигнала 50-100 мВ.

В сети встречаются схемы в которых используются резисторы номиналом до 1кОма. При этом часто прибегают к параллельному (каскадному) включению ЦАПов.

Я же считаю что такой номинал резистора просто неприемлем. Выше уже говорилось об возможных ошибках преобразования. Напряжение в 1 вольт может вызывать ошибки преобразования ЦАП не только в младших, но уже и в старших разрядах.

Разумеется, что резистор, применяемый для преобразования должен обладать качеством, на несколько порядков превосходящее качества любого другого резистора. Ибо всё дальнейшее качество напрямую зависит от него.

Не стоит забывать и про точность этого резистора. Желательно использовать резистор точностью не хуже 0.5%. Помимо соответствия реального сопротивлению надписи, сопротивление такихе резисторов намного меньше зависит от температуры.

Усиление полученного сигнала

Разумеется одного резистора после ЦАП не достаточно. После резистора, получаемое напряжение следует усилить. Для этого удобно воспользоваться неинвертирующим усилителем на ОУ.

аналоговый выход цап, цап с токовым выходом схема

Такой усилитель имеет очень большое (более 1012-1014ом) входное сопротивление, определяемое входным сопротивлением ОУ. При этом выходное сопротивление близко к 0. Это идеально подходит для согласования каскадов по сопротивлению.

Коэффициент усиления задается соотношением резисторов и равен K=1+(R2/R1). Номиналы резисторов выбирают из ряда 1…100 кОм.

аналоговый выход цап, цап с токовым выходом схема

Главное преимущество такого включения состоит в том, что неинвертирующий усилитель не содержит в цепи ОС конденсатора, приводящего к фазовым искажениям.

В целом такой подход далеко не новый и, как оказалось предлагался еще в «Исскустве схемотехники» Хорвица и Хилла 1976 года. Так что всё новое — это хорошо забытое старое….

Еще одним плюсом применения предлагаемой схемы выхлопа для ЦАПа является то, что резистор отвечающий за преобразование привязывает неинвертирующий вход ОУ к земле.

Отсечение постояной составляющей

Многие ЦАПы с токовым выходом (TDA1541, TDA1543) имеют такую особенность, что выходной ток, помимо полезного сигнала содержит постоянную составляющую Ibias.

В случае TDA1387 этот ток Ibias составляет около 1 мА. Соответственно полезный аналоговый сигнал на выходе ЦАПа лежит в интервале от 1 до 2 мА. На графике зависимости выходного тока от времени это можно отобразить следующим образом:

аналоговый выход цап, цап с токовым выходом схема

Усилитель на ОУ одинаково хорошо усиливает как переменный, так и постоянный ток. Но можно очень просто превратить его в усилитель переменного напряжения, отсекающий постоянную составляющую.

Для этого, правда все же придется добавить конденсатор в цепь ОС операционного усилителя. Однако теперь этот конденсатор включается последовательно с резистором идущим на землю с инвертирующего входа.

Образованная конденсатором и резистором цепь является Фильтром Высокой частоты. Она уже не вносит фазовых искажений в слышимый диапазон частот, зато отсекает постоянную состовляющую и инфранизкие звуки.

аналоговый выход цап, цап с токовым выходом схема

Величина конденсатора выбирается так, чтобы частота среза лежала ниже 20Гц. Для показанных номиналов частота среза составляет чуть меньше 10 Гц, а коэффициент усиления сигнала по напряжению равен 11.

Конденсатор можно установить и на 2 мкФ. Тогда частота среза будет не 9.65Гц, а 10.6Гц. Что совершенно не критично. Само собой конденсатор стоит брать неполярный, лучше пленку. Лучше Виму…

Проходной конденсатор

Можно долго разводить халивары на тему проходных конденсаторов и того как они влияют на звук. Но в данном случае без него просто не обойтись.

ЦАП питается однополярным напряжением. Соответсвенно выходной сигнал на выходе ОУ будет между 0 и положительным напряжением питания. Нам же нужно, чтобы сигнал строился относительно земли.

Для того, чтобы сигнал строился относительно 0, на выходе усилителя следует установить проходной конденсатор, емкостью в 2-3 мкФ. Этот конденсатор так же следует взять пленочным. Лучше такую же Виму.

аналоговый выход цап, цап с токовым выходом схема

Заключение

Вот собственно и все. Надеюсь, что мне удалось, разъяснить назначение каждой детали и Вам не составит труда в случае необходимости переделать схему под свои задачи.

Если остались вопрсы — не стесняйтесь задавать их в комментариях. Отвечу всем)

Что дальше?

С преобразователем ток напряжение покончено. Теперь займемся другим вопросом.

Выходной сигнал любого ЦАП содержит частоты лежащие выше слышимиго диапазона. Это различные цифровые шумы. Они оказывают очень плохое влияние на слышимый диапазон.

Чтобы избавить от этих шумов и соблюсти теорему Котельникова для преобразования цифрового сигнала в аналоговый, необходим хороший Фильтр Низких частот.