Прямо з аркуша: Це справді розумна схема фільтра?

Cirrus Logic CS42426-CQZ - це аудіосигнал CODEC, який я хочу використовувати на спеціальній звуковій карті USB. Ви можете завантажити таблицю даних звідти.

На сторінці 61, у таблиці є рекомендована схема для кожного каналу A / D та D / A, але я не бачу мети такої складності. Звичайно, вони перетворюються між диференційованими та однобічними, але є й більш прості способи зробити це.

Я скопіював їх схему в деяке програмне забезпечення для моделювання з відкритим кодом ( http://qucs.sourceforge.net/ ), і частотна характеристика навіть не відповідає заявленій меті. Але принаймні чутна реакція дещо рівномірна:

ADC In: (Гаразд, значить, вони покладаються на CMRR самого АЦП як частину фільтра для згладжування. Не подобається така ідея.)

DAC Out:

Я припускаю, що вони насправді серйозно ставляться до використання цих мікросхем у реальному додатку, але щось не здається правильним. Як я вже говорив, звуковий відгук досить рівний, тому, ймовірно, це буде звучати нормально без мобільних телефонів чи іншого радіочастоти, але я думаю, що я можу краще зістарити зі старою класикою від OpAmps 101. Ви, з вами, згодні?

Чи дійсно є вагома причина, щоб аудіо АЦП піднявся від номінального коефіцієнта посилення на 20 кГц до піку на 300 кГц? Або для ЦАП зробити те ж саме від 20 Гц до приблизно 0,5 Гц?

Для повноти ось файли моделювання. Скопіюйте їх у звичайні текстові файли, змініть розширення на .sch, якщо ваша система піклується, та відкрийте їх у Qucs:

ADC в:

<Qucs Schematic 0.0.18>
<Properties>
  <View=785,329,2079,1333,0.883466,0,0>
  <Grid=10,10,1>
  <DataSet=DiffAmpIn.dat>
  <DataDisplay=DiffAmpIn.dpl>
  <OpenDisplay=1>
  <Script=DiffAmpIn.m>
  <RunScript=0>
  <showFrame=0>
  <FrameText0=Title>
  <FrameText1=Drawn By:>
  <FrameText2=Date:>
  <FrameText3=Revision:>
</Properties>
<Symbol>
</Symbol>
<Components>
  <GND * 1 1120 480 0 0 0 0>
  <VProbe In 1 1110 460 28 -31 0 0>
  <GND * 1 940 640 0 0 0 0>
  <C C4 5 1010 520 -26 17 0 0 "100 uF" 1 "" 0 "neutral" 0>
  <GND * 1 1080 640 0 0 0 0>
  <R R18 5 1080 590 16 -10 0 3 "10 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <.DC DC1 5 930 700 0 41 0 0 "26.85" 0 "0.001" 0 "1 pA" 0 "1 uV" 0 "no" 0 "150" 0 "no" 0 "none" 0 "CroutLU" 0>
  <C C6 5 1230 420 -26 17 0 0 "470 pF" 1 "" 0 "neutral" 0>
  <R R23 5 1310 380 -9 10 0 2 "634 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <R R22 5 1350 500 -9 10 0 2 "91 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <OpAmp OP3 5 1230 500 -26 -42 1 0 "1e6" 0 "15 V" 0>
  <R R27 5 1300 570 16 -10 0 3 "634 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <C C8 5 1600 610 17 -26 0 1 "2700 pF" 1 "" 0 "neutral" 0>
  <Vac V1 5 940 590 18 -26 0 1 "1 V" 1 "1 kHz" 1 "0" 0 "0" 0>
  <C C7 5 1390 660 -26 17 0 0 "470 pF" 1 "" 0 "neutral" 0>
  <R R24 5 1470 620 -9 10 0 2 "634 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <R R25 5 1510 740 -9 10 0 2 "91 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <OpAmp OP4 5 1390 740 -26 -42 1 0 "1e6" 0 "15 V" 0>
  <GND * 1 1260 780 0 0 0 0>
  <R R26 5 1310 760 -9 10 0 2 "332 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <.AC AC1 5 930 750 0 41 0 0 "log" 1 "0.1 Hz" 1 "100 MHz" 1 "901" 1 "no" 0>
  <VProbe Diff 1 1820 610 -16 28 0 3>
  <GND * 1 1760 740 0 0 0 0>
  <VProbe Neg 1 1750 720 28 -31 0 0>
  <GND * 1 1760 500 0 0 0 0>
  <VProbe Pos 1 1750 480 28 -31 0 0>
</Components>
<Wires>
  <1080 480 1100 480 "" 0 0 0 "">
  <1080 480 1080 520 "" 0 0 0 "">
  <1040 520 1080 520 "" 0 0 0 "">
  <940 520 980 520 "" 0 0 0 "">
  <940 520 940 560 "" 0 0 0 "">
  <940 620 940 640 "" 0 0 0 "">
  <1080 620 1080 640 "" 0 0 0 "">
  <1080 520 1080 560 "" 0 0 0 "">
  <1080 520 1200 520 "" 0 0 0 "">
  <1300 420 1300 500 "" 0 0 0 "">
  <1260 420 1300 420 "" 0 0 0 "">
  <1180 420 1200 420 "" 0 0 0 "">
  <1300 500 1320 500 "" 0 0 0 "">
  <1380 500 1400 500 "" 0 0 0 "">
  <1180 380 1180 420 "" 0 0 0 "">
  <1180 380 1280 380 "" 0 0 0 "">
  <1400 380 1400 500 "" 0 0 0 "">
  <1340 380 1400 380 "" 0 0 0 "">
  <1270 500 1300 500 "" 0 0 0 "">
  <1180 420 1180 480 "" 0 0 0 "">
  <1180 480 1200 480 "" 0 0 0 "">
  <1300 500 1300 540 "" 0 0 0 "">
  <1400 500 1600 500 "" 0 0 0 "">
  <1600 500 1600 580 "" 0 0 0 "">
  <1600 640 1600 740 "" 0 0 0 "">
  <1300 600 1300 720 "" 0 0 0 "">
  <1460 660 1460 740 "" 0 0 0 "">
  <1420 660 1460 660 "" 0 0 0 "">
  <1340 660 1360 660 "" 0 0 0 "">
  <1460 740 1480 740 "" 0 0 0 "">
  <1340 620 1340 660 "" 0 0 0 "">
  <1340 620 1440 620 "" 0 0 0 "">
  <1500 620 1560 620 "" 0 0 0 "">
  <1540 740 1560 740 "" 0 0 0 "">
  <1560 740 1600 740 "" 0 0 0 "">
  <1560 620 1560 740 "" 0 0 0 "">
  <1430 740 1460 740 "" 0 0 0 "">
  <1340 660 1340 720 "" 0 0 0 "">
  <1340 720 1360 720 "" 0 0 0 "">
  <1260 760 1260 780 "" 0 0 0 "">
  <1260 760 1280 760 "" 0 0 0 "">
  <1340 760 1360 760 "" 0 0 0 "">
  <1300 720 1340 720 "" 0 0 0 "">
  <1600 740 1710 740 "" 0 0 0 "">
  <1710 740 1740 740 "" 0 0 0 "">
  <1710 620 1710 740 "" 0 0 0 "">
  <1710 620 1800 620 "" 0 0 0 "">
  <1600 500 1710 500 "" 0 0 0 "">
  <1710 500 1740 500 "" 0 0 0 "">
  <1710 500 1710 600 "" 0 0 0 "">
  <1710 600 1800 600 "" 0 0 0 "">
</Wires>
<Diagrams>
  <Rect 880 1239 498 359 3 #c0c0c0 1 10 1 0.1 1 1e+08 1 -0.540919 1 6 1 -1 0.5 1 315 0 225 "" "" "">
    <"In.v" #0000ff 0 3 0 0 0>
    <"Diff.v" #ff0000 0 3 0 0 0>
  </Rect>
  <Rect 1480 1239 498 359 3 #c0c0c0 1 10 1 0.1 1 1e+08 1 -1 0.5 1 1 -0.100118 1 4.34333 315 0 225 "" "" "">
    <"Pos.v" #0000ff 0 3 0 0 0>
    <"Neg.v" #ff0000 0 3 0 0 0>
  </Rect>
</Diagrams>
<Paintings>
</Paintings>

DAC Out:

<Qucs Schematic 0.0.18>
<Properties>
  <View=-56,169,1878,1394,0.909091,0,88>
  <Grid=10,10,1>
  <DataSet=DiffAmpOut.dat>
  <DataDisplay=DiffAmpOut.dpl>
  <OpenDisplay=1>
  <Script=DiffAmpOut.m>
  <RunScript=0>
  <showFrame=0>
  <FrameText0=Title>
  <FrameText1=Drawn By:>
  <FrameText2=Date:>
  <FrameText3=Revision:>
</Properties>
<Symbol>
</Symbol>
<Components>
  <GND * 1 40 660 0 0 0 0>
  <IProbe Neg 1 370 500 -26 16 0 0>
  <IProbe Pos 1 370 620 -26 16 0 0>
  <R R16 5 250 620 -9 10 0 2 "0 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <R R17 5 250 500 -9 10 0 2 "0 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <GND * 1 460 560 0 0 0 0>
  <R R19 5 550 680 -9 10 0 2 "1.65 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <C C2 5 550 620 -26 17 0 0 "5800 pF" 1 "" 0 "neutral" 0>
  <R R21 5 730 680 -9 10 0 2 "1.87 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <R R23 5 730 620 -9 10 0 2 "887 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <R R18 5 550 440 -9 10 0 2 "5.49 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <C C1 5 550 500 -26 17 0 0 "1800 pF" 1 "" 0 "neutral" 0>
  <R R20 5 730 440 -9 10 0 2 "6.19 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <R R22 5 730 500 -9 10 0 2 "2.94 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <C C5 5 890 680 -26 17 0 0 "22 uF" 1 "" 0 "neutral" 0>
  <OpAmp OP1 5 870 560 -26 -42 1 0 "1e6" 0 "15 V" 0>
  <C C3 5 890 620 -26 17 0 0 "1200 pF" 1 "" 0 "neutral" 0>
  <C C4 5 890 500 -26 17 0 0 "390 pF" 1 "" 0 "neutral" 0>
  <GND * 1 960 700 0 0 0 0>
  <GND * 1 1320 560 0 0 0 0>
  <VProbe Out 1 1310 540 28 -31 0 0>
  <C C6 5 1090 560 -26 17 0 0 "22 uF" 1 "" 0 "neutral" 0>
  <R R24 5 1170 560 -9 10 0 2 "1 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <R R25 5 1260 630 19 -8 0 3 "47.5 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <GND * 1 1260 680 0 0 0 0>
  <GND * 1 1040 520 0 0 0 0>
  <VProbe Amp 1 1030 500 28 -31 0 0>
  <.DC DC1 5 30 730 0 39 0 0 "26.85" 0 "0.001" 0 "1 pA" 0 "1 uV" 0 "no" 0 "150" 0 "no" 0 "none" 0 "CroutLU" 0>
  <.AC AC1 5 30 780 0 39 0 0 "log" 1 "0.1 Hz" 1 "10 MHz" 1 "801" 1 "no" 0>
  <Vac V1 5 40 610 18 -26 0 1 "0 V" 1 "1 kHz" 1 "0" 0 "0" 0>
  <Vac V3 5 190 620 -26 18 0 0 "1 V" 1 "1 kHz" 1 "0" 0 "0" 0>
  <Vac V2 5 190 500 -26 -50 0 2 "1 V" 1 "1 kHz" 1 "0" 0 "0" 0>
</Components>
<Wires>
  <280 620 340 620 "" 0 0 0 "">
  <40 640 40 660 "" 0 0 0 "">
  <40 560 40 580 "" 0 0 0 "">
  <40 560 140 560 "" 0 0 0 "">
  <140 500 160 500 "" 0 0 0 "">
  <140 620 160 620 "" 0 0 0 "">
  <140 500 140 560 "" 0 0 0 "">
  <140 560 140 620 "" 0 0 0 "">
  <280 500 340 500 "" 0 0 0 "">
  <400 500 420 500 "" 0 0 0 "">
  <400 620 420 620 "" 0 0 0 "">
  <420 440 420 500 "" 0 0 0 "">
  <420 440 520 440 "" 0 0 0 "">
  <420 620 420 680 "" 0 0 0 "">
  <420 680 520 680 "" 0 0 0 "">
  <460 560 500 560 "" 0 0 0 "">
  <500 560 500 620 "" 0 0 0 "">
  <500 620 520 620 "" 0 0 0 "">
  <580 620 660 620 "" 0 0 0 "">
  <580 680 660 680 "" 0 0 0 "">
  <660 680 700 680 "" 0 0 0 "">
  <660 620 660 680 "" 0 0 0 "">
  <660 620 700 620 "" 0 0 0 "">
  <500 500 500 560 "" 0 0 0 "">
  <500 500 520 500 "" 0 0 0 "">
  <580 500 660 500 "" 0 0 0 "">
  <580 440 660 440 "" 0 0 0 "">
  <660 440 700 440 "" 0 0 0 "">
  <660 440 660 500 "" 0 0 0 "">
  <660 500 700 500 "" 0 0 0 "">
  <760 680 860 680 "" 0 0 0 "">
  <920 680 960 680 "" 0 0 0 "">
  <760 440 960 440 "" 0 0 0 "">
  <760 500 840 500 "" 0 0 0 "">
  <760 620 840 620 "" 0 0 0 "">
  <840 580 840 620 "" 0 0 0 "">
  <840 500 840 540 "" 0 0 0 "">
  <840 620 860 620 "" 0 0 0 "">
  <840 500 860 500 "" 0 0 0 "">
  <910 560 960 560 "" 0 0 0 "">
  <960 500 960 560 "" 0 0 0 "">
  <920 500 960 500 "" 0 0 0 "">
  <960 440 960 500 "" 0 0 0 "">
  <920 620 960 620 "" 0 0 0 "">
  <960 620 960 680 "" 0 0 0 "">
  <960 680 960 700 "" 0 0 0 "">
  <1120 560 1140 560 "" 0 0 0 "">
  <1200 560 1260 560 "" 0 0 0 "">
  <1260 560 1300 560 "" 0 0 0 "">
  <1260 560 1260 600 "" 0 0 0 "">
  <1260 660 1260 680 "" 0 0 0 "">
  <1000 520 1020 520 "" 0 0 0 "">
  <960 560 1000 560 "" 0 0 0 "">
  <1000 560 1060 560 "" 0 0 0 "">
  <1000 520 1000 560 "" 0 0 0 "">
</Wires>
<Diagrams>
  <Rect 300 1119 498 359 3 #c0c0c0 1 10 1 0.1 1 3e+06 1 -0.422698 1 4.66459 1 -1 0.5 1 315 0 225 "" "" "">
    <"Pos.i" #0000ff 0 3 0 0 0>
    <"Neg.i" #ff0000 0 3 0 0 0>
  </Rect>
  <Rect 880 1119 498 359 3 #c0c0c0 1 10 1 0.1 1 3e+06 1 -0.00012118 0.0002 0.00133304 1 -1 0.5 1 315 0 225 "" "" "">
    <"Amp.v" #0000ff 0 3 0 0 0>
    <"Out.v" #ff0000 0 3 0 0 0>
  </Rect>
</Diagrams>
<Paintings>
</Paintings>

Мені подобається це питання. Це настільки хороший приклад того, як схеми даних даних чудово підходять для показу концепцій, але не просто використовуються як є.

Дивлячись на опис фільтра, здається, що основними поняттями є: плоска реакція в діапазоні звукового проходу, низький опір джерела на входи АЦП, робота, орієнтована на VQ 2,7 В, і ослаблення 20 дБ є адекватним для антизбудження. .

Кришка 2700pF означає, що АЦП перемикається на вхід конденсатора, без будь-якого буфера. На 6 МГц це близько 10 Ом вихідного опору фільтра. Хоча було б легко використовувати щось на кшталт втратного інтегратора, щоб отримати загасання та центрування навколо VQ, вихідний опір був би більшим.

Розташування підсилювача, яке іноді називають "компенсацією навантаження в циклі", справляється з ємнісним навантаженням на OpAmps. Така компенсація має регульований Q, так що перехід у згортання може бути набагато різкішим, ніж простий RC. Часто потрібна певна кількість настройки, щоб отримати бажану рівність. У цьому випадку, схоже, є помилка в схемі, яка спричинила максимум значень частини.

Ось схема з посилальними позначеннями:

Ви можете бачити, де я думаю, що схема йде не так, з підключенням R4. Але, перш ніж займатись цим, давайте розберемося, як схема повинна працювати.

При ємнісному завантаженні OpAmp втратить запас фази. Хороший OpAmp, як правило, має близько 60 градусів запасу фази. Але навіть навантаження в 100 пФ може призвести до зниження фазової межі до 40 або 45 градусів, що призводить до пікової реакції. Додавання R2, ​​C2 і R3 дозволяє підсилювачу підтримувати фазовий запас з навантаженням. C2 відкидає пропускну здатність назад, збільшуючи запас фази. R3 допомагає мінімізувати втрати запасу фази за допомогою додавання С4. R2 забезпечує зворотний зв'язок низької частоти для виправлення будь-якої помилки пропускання, спричиненої R3.

Відповідь ланцюга можна настроїти, регулюючи значення С2. Збільшення С2 зменшить Q фільтра. На низьких частотах домінує цикл R2, але цикл С2 домінує на більш високих частотах, де опір С2 нижче, ніж R2 + R3. Тоді падіння через R3 не компенсується, і сигнал послаблюється за допомогою R3 C4 та можливого перекидання підсилювача.

Розглянемо лише неінвертуючу секцію з ідеальним підсилювачем. Передавальною функцією, залишаючи без нуля C1 R1, було б:

C2s(R2+R3)+$\frac{\text{Vo}}{\text{Vin}}$ =$\frac{\text{C2} s (\text{R2}+\text{R3})+1}{\text{C2} \text{C4} \text{R2} \text{R3} s^2+s (\text{C2} \text{R2}+\text{C2} \text{R3})+1}$

Знаменник підозріло виглядає як класична квадратична форма, що містить Q і , тому їх.$\omega _o$

Q =$\frac{\text{R2} \text{R3} \sqrt{\text{C4} \left(\frac{1}{\text{R2}}+\frac{1}{\text{R3}}\right)}}{\sqrt{\text{C2}} (\text{R2}+\text{R3})^{3/2}}$

$\omega _o$ =$\frac{\sqrt{\frac{1}{\text{R2}}+\frac{1}{\text{R3}}}}{\sqrt{\text{C2} \text{C4} (\text{R2}+\text{R3})}}$

Оскільки ідеальний підсилювач використовувався для того, щоб зробити керованими речі, Q переходить до нескінченності, а C2 до нуля. Це не буде проблемою, оскільки ми дбаємо лише про частоти нижче пропускної здатності підсилювача. З реальним підсилювачем Q відвалився б із посиленням підсилювача. Підключаючи значення для R2, ​​R3 та C4, ми можемо побудувати Q як функцію C2.

Q зменшується зі збільшенням значення С2. Якщо підсилювач занадто піковий, просто збільшуйте С2, занадто вирівнюйте реакцію.

Тепер, дивлячись на криву, схоже, що C2 470pF матиме Q ~ 0,8. Це було б досить однозначною відповіддю. Що сталося?

У таблиці даних схематично відображається R4, підключений до виходу U1. Це робить 2 погані речі. По-перше, після труднощів компенсувати низькочастотні ефекти R3 і R6, підключення R4 до U1 вимикає додавання R3. Якщо ви подивитесь на вихідний опір фільтра, ви побачите, що це правда. По-друге, це спричиняє максимуму при C2 та C3 470pF (пік Q становить приблизно 300pF, більше або менше, ніж Q зменшується). Якщо R4 підключений до вузла з R2 R3 і C4, Q діє так, як очікувалося. Крім того, вихідний імпеданс фільтра залишатиметься дуже низьким через звукову смугу, доки не повертається, а потім не йде імпеданс С4.

Cirrus насправді має додаток, що описує наміри схем: http://www.cirrus.com/en/pubs/appNote/an241-1.pdf

З описів у цьому документі ви праві, що вершин там не повинно бути.

Взагалі модель може помилятися в двох місцях:

1. Характеристики вводу АЦП та виходу ЦАП не моделюються. Схеми можуть очікувати певного джерела / навантаження.

2. Використовувана модель підсилювача може бути недостатньою для цієї схеми. Я виявив, що деякі схеми, які виходять за межі 1 МГц, потребують продукту з більшим коефіцієнтом посилення, ніж типові загальні моделі. Документація дошки оцінювання для цього АЦП показує їх за допомогою цього ланцюга з 20-ти підсилювальним пристроєм, який має потужність від 27 МГц від BW.

EDIT: Після глибшого вивчення, точні значення використовуються на їх оцінній дошці для цієї частини. Тому моя рекомендація спочатку моделювати її з тією ж частиною, яку вони використовують, 2068. Це, мабуть, сподівається показати правильну роботу.

EDIT2: Я запустив ланцюг АЦП через QUCS, і у них немає належних моделей спецій для реальних підсилювачів. LT-пряність LTE Linear Technology - це дуже хороший симулятор безкоштовних спецій. Запуск ланцюга туди дає хороший рівний відгук, як і передбачалося. (Якщо ви відкриєте це зображення на новій вкладці, воно підірветься, щоб ви могли побачити деталі).