Cyfrowe aplikacje audio-wideo nadają przyspieszenia układom analogowo-cyfrowym

Sprecyzowanie wysokiej jakości układu analogowego kilkoma danymi technicznymi, jak szerokość pasma, czy rozdzielczość przetwarzania, jest niemal niemożliwe. Kryteria oceny rozszerzają się i kurczą w zależności od aplikacji, i obejmują czynniki także mniej oczywiste, jak pobór energii, rozmiary obudowy, a nawet cenę. Jednym ze sposobów porządkowania spraw jakości jest posortowanie układów analogowych według aplikacji, aby się zorientować jak się grupują i które ich dane się uwydatniają. Wtedy na rynku układów multimedialnych wyraźnie najsilniejszym znaczeniem wyróżniają się innowacyjność i współzawodnictwo. W rzeczywistości, liczne nowe układy analogowe nie pasują do tradycyjnych kategorii wzmacniaczy i przetworników danych. Są także nowi współzawodnicy na tym rynku. Fairchild Semiconductors ma teraz swoją fabrykę w Korei, gdzie produkuje wzmacniacze monolityczne do cyfrowego wideo. Cirrus Logic inwestuje w rozwój układów high-end audio i dla cyfrowej TV. Równocześnie renomowani dostawcy układów analogowych, jak ADI, National Semiconductor, Linear Technology, Maxim i Texas Instruments co chwilę zaskakują rynek nowymi propozycjami.

Układy dla systemów wideo

Na początek można przejrzeć nowe układy wideo, przeznaczone dla producentów OEM, od telefonów komórkowych poczynając, na odbiornikach HDTV kończąc. Do takich zastosowań przeznaczone są serie wzmacniaczy operacyjnych HD o paśmie 210MHz FHP3x50 (potrójnych i poczwórnych) i układów SD 50MHz FHP3x30 (pojedynczych, podwójnych i poczwórnych)

Rys. 1. W analogowej dziedzinie obiecującego rynku wideo firma Fairchild skierowała swoją uwagę na wzmacniacze monolityczne. W przejętej przez tę firmę koreańskiej fabryce jest stosowany komplementarny proces bipolarny o ultra niskiej pojemności, z wykorzystaniem technologii krzemu na izolatorze i izolacji głębokorowkowej.

Układy HD mają pasmo -3dB 210MHz i szybkość narastania sygnału na wyjściu 1100V/μs przy błędach wzmocnienia różnicowego 0,07% i 0,03º fazy. Płaskość ich charakterystyk na poziomie 0,1dB wzmocnienia rozciąga się aż do 50MHz. Każdy ze wzmacniaczy obu serii pobiera 3,6mA prądu zasilania, dostarczając do obciążenia wideo znamionowo ±55mA.
Układy SD charakteryzuje płaskość charakterystyk 0,1dB wzmocnienia do 16MHz, większe od 100dB wzmocnienie w otwartej pętli, dobre współczynniki tłumienia wpływu zasilania (PSRR) i tłumienia sygnału wspólnego(CMRR). Każdy ze wzmacniaczy pobiera 2,5mA prądu zasilania, i dostarcza ±100mA prądu wyjściowego, co wystarcza dla czterech obciążeń wideo.

Potrójny wzmacniacz wideo LT6557 o pojedynczym zasilaniu firmy Linear Technology jest przystosowany do projektorów LCD wysokiej rozdzielczości i do wyświetlaczy samochodowych. Zasięg jego napięcia wejściowego dochodzi do Vcc-0,8V, co przy pojedynczym zasilaniu 5V pozwala wzmacniać pełny sygnał wideo. Jego pasmo -3dB sięga do 500MHz, szybkość narastania do 2200V/μV, a czas ustalania wynosi 4ns. Natomiast płaskość charakterystyki 0,1dB rozciąga się do 120MHz. Obwód wewnętrznej polaryzacji pozwala ustalać stałe napięcie wejściowe wszystkich trzech wzmacniaczy za pomocą jednego rezystora. Również do projektorów i monitorów są przeznaczone analogowe przełączniki krzyżowe 16 x 8 LMH6582 (wzmocnienie = 1) i LM6583 (wzmocnienie = 2) firmy National Semiconductor. Mają one podobne pasmo -3dB 500MHz, płaskość 0,1dB 100MHz, a szybkość narastania 3000V/μs. Przesłuch międzykanałowy nie przekracza -50dB przy 100MHz. Każde z buforowanych wyjść może wysterować do dwóch zakończonych połowicznych obciążeń wideo 75Ω. Bardzo sprytną cechą tych układów jest przekątnie symetryczne rozmieszczenie ich wyprowadzeń. Ułatwia to zastosowanie bezpośrednich przejść przez płytkę, gdy układy te są montowane na jej przeciwległych stronach. W rezultacie para tych układów tworzy przełącznik krzyżowy albo 16x16 albo 32x8.

National Semoconductor proponuje również układ scalony separatora synchronizacji o małym drżeniu zboczy sygnału (jitter) dla formatów wideo HD, LMH1981, eliminującym potrzebę stosowania stopni dodatkowej filtracji i usuwających jitter. Układ ten współdziała z interfejsami sygnałów wideo composite (CVBS), S-video (Y/C), komponentowych (YPbPr) i komputerowych oraz dostarcza sygnałów synchronizacji poziomej, pionowej i złożonej, pól parzystości i nieparzystości oraz stabilizacji poziomu burst/back porch. Układ akceptuje dwu- i trójpoziomowy sygnał synchronizacji wideo. Właściwe, 50-procentowe, odcinanie zapewnia dokładną separację sygnałów o zmiennej amplitudzie, polaryzacji i szumach. Zgodne z państwowymi wymaganiami testy, odniesionego do wejścia, drżenia (jitter) sygnałów wejściowych wideo wysokiej rozdzielczości wykazują, że drżenie sygnału synchronizacji poziomej może być nawet o 30% mniejsze niż z zastosowaniem, po odseparowaniu synchronizacji, do wyczyszczenia układu i odfiltrowania drżenia wielu stopni lub FPGA.
Do informowania kolejnych elementów systemu o zmianie formatu może być używana automatyczna detekcja formatu wideo, aby system mógł dynamicznie dostosowywać parametry systemowe, jak przestrzeń koloru, czy konwersje skalarne. Z wyprowadzenia wyjściowego chipu za pośrednictwem 11-bitowego strumienia danych są dostarczane informacje o całkowitej rozdzielczości pionowej lub liczbie linii.

Układy do torów audio

Rys. 2. Układ LT6557 firmy Linear Technology, przeznaczony do projektorów wideo wysokiej definicji, dostarcza sygnału wideo o pełnej amplitudzie przy zasilaniu pojedynczym standardowym napięciem 5V.

Dla wymagających użytkowników i do profesjonalnych aplikacji audio Cirrus Logic oferuje ośmiokanałowe scalone układy regulacji głośności audio systemów dookólnych 7.1, CS3318 i CS3308. Napięcie zasilania pierwszego wynosi 9V, a drugiego 5V. Umożliwiają one ustawianie nominalnych poziomów głośności pomiędzy +96 a +22dB co 0,25dB przy zakresie dynamiki 127dB w CS3318 i 123dB w CS3308. Dotychczas najdrobniejsza realizowana cyfrowo zmiana głośności wynosiła 0,5dB. Układy te umożliwiają ponadto dynamiczne przyporządkowywanie adresów oraz równoczesną ogólną regulację głośności za pośrednictwem jednej magistrali szeregowej, jak I2C, czy SPI.

Innym układem do regulacji głośności, pozwalającym pozbyć się regulatorów potencjometrycznych, jest MAX5440 firmy Maxim. Wbudowany w jego strukturę interfejs enkodera obrotowego eliminuje potrzebę zewnętrznego mikrokontrolera, portu GPIO jak również obwodów eliminujących odskakiwanie styków. Dostępna jest funkcja wyciszania (mute) i wyłączania (shutdown). Układy wzmacniaczy audio do monitorów multimedialnych i notebooków, MAX9777 i MAX9778 firmy Maxim, są połączeniem 3-watowych stereofonicznych wzmacniaczy audio z obciążeniem w układzie mostkowym, słuchawkowych wzmacniaczy stereo, czujnika słuchawkowego i multipleksera wejściowego 2:1. Całkowite zniekształcenia nieliniowe z szumami (THD+N) dla tych wzmacniaczy tych nie przekraczają 0,002%. Przy 100-decybelowym współczynniku PSRR mogą działać z tanim zasilaczem bez stabilizatora. Układy standardowo pobierają 13mA prądu zasilania, a 10μA w trybie wyłączenia. Wejście z czujnikiem słuchawkowym automatycznie wykrywa w gniazdku ich obecność. MAX 9777 jest wyposażony w interfejs I2C do sterowania, a MAX9778 w magistralę równoległą. Ceny tych układów zaczynają się od 1,25 dolara.

Rys. 3. Eliminacja potencjometrów do regulacji sygnałów audio stwarza projektantom chipów nowe możliwości. W układzie MAX5440 firmy Maxim do ustawiania pozycji suwaka na wewnętrznym łańcuchu rezystorów o drobnym stopniowaniu zastosowano wejście z enkodera obrotowego.

Rys. 4. Telefony komórkowe z dziesiątkami swoich funkcji mogą przy projektowaniu wywoływać niezwykłe trudności. Coś, co wygląda jak dwubiegunowy przełącznik dwupołożeniowy, staje się mocno skomplikowanym układem. Układ ISL54400 firmy Intersil łączy w sobie szerokopasmowe i niskopojemnościowe przełączniki dla sygnałów z danymi z niskopojemnościowymi przełącznikami audio o bardzo małych zniekształceniach. Można z nim używać to samo gniazdko dla danych z USB i do odtwarzania audio.

Firma Intersil oferuje układy ISL54400, ISL54401 i ISL54402, które są podwójnymi przełącznikami multipleksowania 2:1 dla sygnałów cyfrowych i audio. Łączą one szerokopasmowe i niskopojemnościowe przełączniki dla sygnałów z danymi z niskopojemnościowymi przełącznikami audio o bardzo małych zniekształceniach. Mogą dzięki temu być używane, z tego samego gniazdka, albo do pobierania z pełną szybkością danych przez USB, albo do odtwarzania stereo audio mp3 z mocą do 20mW na kanał. Układ ISL54400 obsługuje sprzętowe funkcje detekcji kabla USB i negocjacji szybkości danych. ISL54401 obsługuje detekcję kabla, ale nie negocjacji szybkości danych. ISL54402 jest podstawowym układem przełącznika audio/dane.

Ostatnio na rynku pokazało się tylko kilka samodzielnie działających przetworników cyfrowo-analogowych. Przetworniki te natomiast są wbudowywane do procesorów DSP i kodeków. Przykładem jest AK4342 firmy AKM Semiconductors przeznaczony do radioodbiorników cyfrowych i odtwarzaczy muzyki. Chip ten jest 24-bitowym stereo przetwornikiem cyfrowo-analogowym, wzmacniaczem słuchawkowym i wyjściowym wzmacniaczem liniowym o sygnale wyjściowym 2V, jest on także wyposażony w pomocnicze wyjście liniowe ze sprzężeniem zmiennoprądowym. Dla umożliwienia bezpośredniego łączenia wyjścia liniowego z domowymi radioodbiornikami i wzmacniaczami audio, w AK4342 zastosowano wewnętrzny układ pompy ładunku do tworzenia napięcia ujemnego z napięcia zasilania +3,3V. Ujemne to napięcie służy także dla 62,5mW wzmacniacza słuchawkowego ze sprzężeniem stałoprądowym. Zakres dynamiki układu wynosi 100dBm, a całkowite zniekształcenia nieliniowe THD+N wynoszą +88dB. Do konwersji danych w odwrotnym kierunku służy 24-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy sigma-delta o wysokim napięciu wejściowym dla odtwarzaczy DVD, rejestratorów wideo, set-top boksów i studyjnych urządzeń przetwarzających audio, WM8781 firmy Wolfson Microelectronics. Jego rozbudowany sposób taktowania ułatwia jego łączenie z licznymi procesorami głównymi. „Wysokie napięcie wejściowe” oznacza, że przetwornik akceptuje sygnały liniowe stereo o standardowym poziomie. „Rozbudowany sposób taktowania” oznacza, że układy te są dostosowane do „384fs”, czyli że częstotliwość zegarowa procesora jest 384-krotnie wyższa od częstotliwości próbkowania audio. WM3781 próbkują z częstotliwością do 192kHz, co pozwala na nadpróbkowanie 128x, 64x, lub 32x. Długość cyfrowego słowa wyjściowego audio wynosi 16 do 24 bitów, a częstotliwość próbkowania może wynosić od 8 do 192kHz.

Wzmacniacze i konwertery

Poza specjalizowanymi układami dla torów audio i wideo, na rynku pojawiło się wiele nowych wzmacniaczy operacyjnych i przetworników. Na przykład w firmie Analog Devices opracowano serię 10- i 12-bitowych przetworników analogowo cyfrowych o dużej szybkości do stosowania w łączności szerokopasmowej i w infrastrukturze bezprzewodowej, takich jak układy modemów kablowych, mikrokomórkowe i pikokomórkowe stacje bazowe trzeciej i czwartej generacji oraz urządzenia do połączeń radiowych pomiędzy ustalonymi punktami. Najważniejszym układem serii jest 12-bitowy przetwornik AD9230 o szybkości 250Mpróbek/s, zasilany napięciem 1,8V i rozpraszający 425mW. Zawiera on wzorcowe źródło napięcia i wzmacniacz track-and-hold. Po stronie wyjściowej projektant układów może wybrać jeden z dwóch wyjściowych trybów równoległej niskonapięciowej sygnalizacji różnicowej: LVDS lub ANSI-644. Tryb podwójnej szybkości transmisji danych zmniejsza do połowy liczbę potrzebnych wyjść równoległych. W połączeniu z opcją LVDS (niskonapięciowe sygnalizowanie różnicowe) o zmniejszonym zasięgu IEEE 1596.3 podwojona szybkość obniża pobieraną moc do 385mW. W zakresie parametrów zmiennoprądowych stosunek sygnału do szumu kształtuje się na poziomie 65,5dBfs, a bezzakłóceniowy zakres dynamiczny (SFDR) 82dBc przy sygnale wejściowym 70MHz.

Firma Linear Technology sprzedaje 14-bitowy wielowejściowy przetwornik analogowo-cyfrowy LTC1408, o szybkości 600kpróbek/s, dla zasilanych z baterii systemów gromadzenia danych, który potrzebuje mniej niż 1/10 mocy i zajmuje mniej niż 1/5 powierzchni montażowej niż jakikolwiek inny o zbliżonych parametrach. Ten trójprzewodowy szeregowy konwerter A/C został umieszczony w 32-wyprowadzeniowej obudowie QFN (5x5mm) i jest zasilany pojedynczym napięciem 3V pobierając 15mW. Gdy nie przetwarza, jego pobór mocy spada do 3,3mW, a trybie uśpienia do 6μW. Wielowejściowość układu oznacza, że równocześnie jest próbkowane sześć różnicowych sygnałów wejściowych. Ale oczywiście ceną za tę równoczesność próbkowania jest podział szybkości 600kpróbek/s przez liczbę sygnałów. Niezależnie od wybranej konfiguracji wejściowej sześć wyników konwersji jest kolejno przesyłanych do szybkiego portu szeregowego DSP za pośrednictwem trójprzewodowego interfejsu. Układ można zasilać albo podwójnym napięciem ±1,25V, albo pojedynczym 2,5V.

Rys. 5. Wzmacniacze TSH300 firmy STMicroelectronics charakteryzują się ultra niskimi szumami i szerokim pasmem.

Firma Cirrus Logic rozszerzyła swoją serię wzmacniaczy o wysokiej dokładności, dwukanałowych CS3004 i CS3014 i jednokanałowych CS3003 i CS3013. Układy CS3013 i CS3014 są wersjami mniejszej mocy wzmacniaczy CS3003 i CS3004. Wszystkie są zasilane pojedynczym napięciem 2,7V do 5V lub podwójnym 1,35V do 2,5V. Każdy z układów 3013/14 pobiera 1mA prądu zasilania, a każdy z 3003/04 500μA. Równoważne napięcie szumów wynosi 17nV/√Hz dla 3003/04 i 25 nV/√Hz dla 3013/14. Wzmocnienie w otwartej pętli wynosi 150dB dla 3003/04 i 135dB dla 3013/14. Wejściowy prąd upływu nie przekracza 100pA, a napięcie niezrównoważenia 5μV w chipach jednowzmacniaczowych, a 100pA i 10μV w dwuwzmacniaczowych. Dryf napięcia niezrównoważenia jednych i drugich wynosi 0,05μV/ºC. Dla instrumentów medycznych firma STMicroelectronics oferuje nowy ultraniskoszumowy szerokopasmowy wzmacniacz operacyjny TSH300. Ta niskoszumowość jest wyrażona w danych technicznych przez (średnie) równoważne napięcie wejściowe szumów 0,65nV/A√Hz. Łączy się ono z pasmem 200MHz przy wzmocnieniu równym 5, a iloczyn szerokości pasma i wzmocnienia wynosi 1GHz. Szybkości narastania zbocza sygnału wyjściowego osiąga aż 230V/μs, a SFDR wynosi 55dBc. Układ może być zasilany pojedynczym lub podwójnym napięciem 4,5V do 5,5V. TSH300 kosztuje ok. 1,50 dolara.

Firma National Semiconductor do sześciu wprowadzonych ostatnio dodała jeszcze dziewięć pojedynczych, podwójnych i poczwórnych wzmacniaczy operacyjnych, produkowanych w swojej technologii procesu biCMOS VIP50. Niskonapięciowe i niskiej mocy wzmacniacze LPV531, LMV654, LMV792, LMV796 i LMV797 są zoptymalizowane pod względem iloczynu wzmocnienia i pasma. Wejściowe napięcie niezrównoważenia dla LMP7704, LMP7712, LMP7715 i LMP7716 jest mniejsze od 220μV przy gwarantowanym prądzie upływu mniejszym od 50pA, przy pracy do 12V.

Rys. 6. W firmie National Semiconductor opracowano własną technologię nazwaną VIP50, będącą zintegrowanym pionowo wariantem procesu PNP biCMOS krzemu na izolacji z izolacją rowkową, nakierowaną na wzmacniacze operacyjne. W procesie tym tranzystory bipolarne są uzupełniane tranzystorami MOS rodzaju analogowego o minimalnej długości bramki 0,5źm, optymalizowanymi do dokładnego dopasowania, a także charakteryzującymi się niskimi szumami 1/f. Dzięki swoim zaletom i trymowanym rezystorom cienkowarstwowym wielkiej dokładności VIP50 przewyższa inne procesy biCMOS lub CMOS.

Serię LMP79x charakteryzują szumy 5,8nV/√Hz i wejściowy prąd upływu 100fA. Wzmacniacz operacyjny LPV531 ma regulowany iloczyn wzmocnienia i pasma oraz regulację poziomu mocy. Właściwość ta pozwala przełączać tryby gotowości i pełnej mocy zmieniając napięcie polaryzujące na jednym zewnętrznym rezystorze. Poczwórny wzmacniacz LMV654, o paśmie 12MHz przy wzmocnieniu 1, potrzebuje znacznie mniejszej mocy niż równoważne układy konkurencyjne, pobierając 400μA przy wzmocnieniu 1 i paśmie 12MHz i odniesionym do wejścia napięciu szumów 17nV/√Hz. Wzmacniacz LMV792 daje się wyłączyć do trybu jałowego, w którym pobiera mniej niż 1μA. Wzmacniacze LMV796 i LMV797 nadają się do aplikacji, w których wyłączenie systemu zastępuje wyłączanie lokalne.

Rys. 7. Przykładowa realizacja wzmacniacza 250W w klasie D (250Wmod1.jpg)

Precyzyjne wzmacniacze operacyjne rail-to-rail AD8500 firmy Analog Devices, działające od 1,8V, nadają się do aplikacji zasilanych z baterii, jak elektrokardiometry, monitory pulsu, glukometry, detektory dymu i ognia, systemy bezpieczeństwa, detektory gazów, czujniki baterii zapasowych, pompy insulinowe i detektory ultrafioletu w aparatach komórkowych. Ich maksymalny prąd zasilania przy pracy pod napięciem 1,8V do 5,5V lub ±0,9V do ±2,75V, wynosi 1μA. Niskie napięcie minimalne umożliwia zasilanie tych układów ze zwykłych ogniw w całym zakresie ich charakterystyki rozładowywania. Układ ma gwarantowane maksymalne napięcie niezrównoważenia 1mV i 1pA prąd upływu 1pA. Kosztuje około 0,75 dolara w partiach po 1000 sztuk. (KKP)