Wysokiej jakości interfejs różnicowy audio

Przesyłanie sygnału pomiędzy dwoma urządzeniami, w taki sposób, aby uniknąć słyszalnych zakłóceń, nie jest zadaniem trywialnym. Dynamika systemu jest definiowana jako stosunek sygnału użytecznego do szumu i wyraża się ją w decybelach. Systemy profesjonalne wymagają dynamiki na poziomie 120dB, ale podejmowane są próby dalszego jej zwiększania z wykorzystaniem cyfrowego przetwarzania sygnałów. Odbywa się to poprzez zastosowanie przetworników cyfrowo-analogowych o większych rozdzielczościach. Tymczasem sygnały analogowe akumulacją wszelkie zakłócenia – raz wprowadzone szumy są niemożliwe do usunięcia bez zmiany lub pogorszenia sygnału oryginalnego. Praktycznie wszystkie zniekształcenia dźwięku powstają w czasie transmisji sygnału przez elementy systemu i przewody. Konieczne jest więc zapobieganie powstawaniu szumu w całym torze sygnału. Naturalnie niestety nie da się go całkowicie wyeliminować, gdyż jest on nieodłączną cechą rzeczywistych elementów elektronicznych.

Zasilanie i masa

Rys. 1. Zakłócenia powstające w czasie transmisji sygnału, nakładają się równomiernie na każdy z przewodów i wzajemnie się znoszą w odbiorniku.

Większość systemów audio zawiera kilka układów przetwarzających dźwięk, które korzystają najczęściej z jednej linii zasilania. Często powoduje to zakłócenia, gdyż napięcie masy jest różne w różnych punktach systemu. Winą obarcza się wtedy złe prowadzenie ścieżek masy, ale w praktyce nie zawsze ta cecha jest przyczyną problemów. Czasami poziomy mas różnią się przez niewłaściwe podłączenie przewodów do punktu masy przez użytkownika. Właściwie zainstalowany, w pełni dopracowany system zasilania powoduje tylko nieznaczne różnice w potencjałach masy na wszystkich wyjściach. Zawierają się one w granicach 10mV. Największe różnice potencjałów, wynoszące nawet do kilku woltów występują w układach fizycznie oddalonych od siebie.

Dokładne i przemyślane projektowanie obwodów zasilania może w znacznym stopniu ograniczyć to zjawisko, ale nie całkowicie wyeliminować. Standardową praktyką w profesjonalnych systemach audio jest stosowanie ekranowanej pary przewodów różnicowych – czyli skrętki. Teoretycznie para różnicowa jest idealnym rozwiązaniem do przesyłania sygnału pomiędzy odległymi urządzeniami. W praktyce okazuje się, że projektanci często z niewiedzy pomijają ważne szczegóły i niemożliwe jest wtedy uzyskanie optymalnych wyników. Dobre rezultaty otrzymane podczas testów na biurku konstruktora, nie gwarantują dobrej pracy w rzeczywistym systemie. Wielu projektantów, instalatorów i użytkowników wierzy, że interfejs różnicowy rozwiązuje wszelkie problemy szumów w systemach audio, choć wcale tak nie jest.

O interfejsie różnicowym

Rys. 2. Schemat z rys. 1 można upodobnić do mostku Wheatstone'a

Interfejs różnicowy stworzono w celu przesyłania sygnałów z nadajnika do odbiornika z pominięciem zakłóceń wprowadzanych przez różnice w potencjałach masy. Dopasowane impedancyjnie przewody uodporniają system na zewnętrzne pola magnetyczne i elektryczne.

Do transmisji różnicowej wykorzystywany jest kabel złożony z dwóch przewodów o takiej samej impedancji względem masy i wszystkich innych przewodów. Zakłócenia powstające w czasie transmisji sygnału, nakładają się równomiernie na każdy z przewodów i wzajemnie się znoszą w odbiorniku.

Na potrzeby artykułu przyjęto, że masa urządzenia A przedstawionego na rys. 1 zawiera zakłócenia w stosunku do masy urządzenia B. Podłączenie oscyloskopu do zacisków wejściowych urządzenia B pozwoli zaobserwować sygnał przesyłany z urządzenia A oraz dodatkowe zakłócenia wprowadzane przez masę urządzenia A. Jeżeli impedancje Zo/2 oraz Zcm mają identyczną wartość, to zakłócenia na obu wejściach układu B będą takie same. Wprowadzenie takiego sygnału na wejścia wzmacniacza różnicowego spowoduje, że sygnał przesyłany linią LO zostanie odjęty od sygnału podanego na linię HI. Sygnał użyteczny ma przeciwną fazę, więc jego amplituda ulegnie podwojeniu, natomiast zakłócenia zostaną usunięte.

Schemat z rys. 1 można upodobnić do mostku Wheatstone'a i przedstawić w postaci z rys. 2. Szum jest w takim przypadku sygnałem pobudzającym i reprezentuje napięcie Vcm – czyli napięcie wspólne. Impedancja nadajnika i odbiornika jest reprezentowana przez rezystory Rcm+ oraz Rcm-. Gdy ich wartości są do siebie w identycznym stosunku, mostek pozostaje zrównoważony i napięcie pomiędzy punktami A oraz B wynosi zero.

Mostek jest najbardziej wrażliwy na zmianę rezystancji tylko w jednej gałęzi, tzn. gdy niedopasowany jest tylko jeden rezystor, podczas gdy pozostałe trzy mają identyczną wartość. Najmniejszą wrażliwość na niedopasowanie osiąga się, gdy impedancje górnych gałęzi są o kilka rzędów większe od impedancji dolnych gałęzi. W skrajnym przypadku dolne gałęzie mogą mieć nieskończoną impedancję i napięcie w punktach A oraz B wyniesie zero - bez względu na impedancję górnych gałęzi. Podobna sytuacja ma miejsce, gdy górne gałęzie mają zerową impedancję. Wynika z tego wniosek, że pogorszeniu współczynnika tłumienia sygnałów wspólnych CMRR można przeciwdziałać poprzez zastosowanie bardzo niskiej impedancji na jednym końcu linii i bardzo wysokiej na drugim końcu.

Rys. 3. Aktywny wzmacniacz różnicowy może być realizowany na kilka sposobów

Historia linii 600Ω

Rys. 4. Tłumienie sygnałów współbieżnych CMRR w funkcji niedopasowania impedancji obwodu

Przewody różnicowe zastosowano najpierw w systemach telekomunikacyjnych, które początkowo nie były wyposażone we wzmacniacze. Ponieważ firmy obsługujące linie telegraficzne miały rozbudowane sieci oparte o zastosowanie par przewodów zawieszonych na drewnianych słupach, wykorzystano tę infrastrukturę zamiast budować nową. Typowa impedancja takiej linii wynosiła 600Ω. Z tego też względu standardowa impedancja dwukierunkowej, różnicowej linii telekomunikacyjnej wynosiła również 600Ω.

W przypadku układów do transmisji dźwięku głównym celem jest dostarczenie jak największego napięcia, a nie mocy. Wymaga to zastosowania niskiej impedancji na wyjściu toru transmisyjnego oraz wysokiej na jego wejściu. Norma IEC z roku 1978 wymagała, aby impedancja wyjściowa była na poziomie 50Ω lub niższa, a impedancja wejściowa – 10kΩ lub więcej. Taka praktyka bywa nazywana „dopasowaniem napięciowym”, a jej celem jest zmniejszenie wpływu pasożytniczych pojemności na przesyłany sygnał oraz umożliwienie podłączenia wielu urządzeń do jednego wyjścia bez wyraźnego pogorszenia sygnału. W wielu sytuacjach stosowanie dopasowanej linii 600Ω nie jest uzasadnione i stanowi pewien kompromis.

Rys. 5. Schemat pomiarowy właściwy dla nowej i starszej wersji systemu pomiarowego

Na współczynnik CMRR systemu audio największy wpływ ma odbiornik dołączony do linii. Ma on postać wzmacniacza różnicowego i jest realizowany z wykorzystaniem wzmacniacza operacyjnego lub transformatora. Pierwszy z nich wymaga jeszcze dodatkowych rezystorów do pracy. Możliwe jest wtedy prowadzenie algebraicznego odejmowania dwóch wejściowych sygnałów. Transformator z natury rzeczy jest urządzeniem różnicowym, ale zapewnia dodatkowo separację galwaniczną sygnału wejściowego od wyjściowego.

Aktywny wzmacniacz różnicowy może być realizowany na kilka sposobów (rys. 3). Impedancja wejściowa przedstawionych obwodów w odniesieniu do masy wynosi 20kΩ, w związku z tym wszystkie cztery obwody mają taki sam współczynnik CMMR. Nawet perfekcyjnie dopasowane rezystory nie gwarantują tłumienia sygnału wspólnego na poziomie większym niż 120dB. Można więc stwierdzić, że system jest różnicowy tylko z założenia. Rysunek 4 przedstawia tłumienie sygnałów współbieżnych CMRR w funkcji niedopasowania impedancji obwodu. Pomiary zostały przeprowadzone przy częstotliwości 60Hz.

Testowanie odbiorników linii różnicowych

Pomiary związane z tłumieniem zakłóceń są często znacznie mniej zafałszowane niż pomiary związane z odbiornikami linii. Spowodowane jest to metodą pomiaru, która pomija efekty związane z niedopasowaniem impedancyjnym przewodu oraz nadajnika. Przykładowo, stara specyfikacja pomiaru, opracowana przez IEC, idealizuje źródło sygnału, zakładając że jest ono zrównoważone. Inna metoda polega na złączeniu obu wejść razem i jest wciąż używana przez wielu inżynierów. Jej rezultaty również znacznie odbiegają od rzeczywistości i mają charakter głównie poglądowy.

W roku 2000 powstała trzecie opracowanie tej metody, uwzględniające niezrównoważenie impedancyjne nadajnika. Nowa metoda pomiarowa jest częścią trzeciej edycji „IEC Standard 60268-3, Sound System Equipment – Part 3: Amplifiers”. Schemat pomiarowy właściwy dla nowej i starszej wersji systemu pomiarowego pokazano na rys. 5. Warto zapamiętać, że tłumienie zakłóceń w rzeczywistym interfejsie różnicowym nie jest zależne tylko od odbiornika, ale też od współpracy wszystkich elementów systemu.

Rys. 6. Ulepszony schemat odbiornika linii bazuje na technice bootstrap

Rys. 7. Nietypowy układ wzmacniacza pomiarowego

Rys. 8. Popularna aplikacja, w której dla sygnału o częstotliwości 10kHz kondensator obniża impedancję wejściową do poziomu około 16kŠ

Ulepszony schemat odbiornika linii bazuje na technice bootstrap (rys. 6). Dzięki temu wartość impedancji wejściowej odbiornika dla sygnału audio wynosi około 10MΩ. Doprowadzenie zbliżonych potencjałów do punktów A i B spowoduje znaczne zmniejszenie spadku napięcia na rezystorze R2 i tym samym zmniejszy prąd przepływający przez ten rezystor. Efektem tego będzie zwiększenie oporu R2 widzianego od strony zacisków wejściowych. Dobierając wzmocnienie układu (parametr G) na poziomie jedności, dla częstotliwości leżących w zakresie górnoprzepustowego filtru utworzonego z elementów C i R1, efektywna rezystancja R2 wzrasta i dla odpowiednio dużych częstotliwości zbliży się do nieskończoności. Przykładowo, jeżeli R1 oraz R2 mają wartość 10kΩ, to wypadkowa rezystancja dla sygnałów stałych wynosi 20kΩ. W przypadku wyższych częstotliwości układ zwiększa wejściową rezystancję do wartości ograniczonej przez pasmo i wzmocnienie wzmacniacza.

Rys. 9. Ulepszony układ z rys. 8

Nowy obwód zapewnia również lepsze tłumienie interferencji z falami radiowymi. Transformatory audio mają wbudowany pasywny filtr dolnoprzepustowy. Większa część energii pochodząca z fal radiowych jest usuwana z sygnału przed doprowadzeniem go do pierwszego układu wzmacniacza. Dobrze zaprojektowane urządzenie audio zawiera taki filtr dolnoprzepustowy, który usuwa zakłócenia indukowane przez fale radiowe.

Na rys. 8 przedstawiono popularną aplikację, w której dla sygnału o częstotliwości 10kHz kondensator obniża impedancję wejściową do poziomu około 16kΩ. Prowadzi to do poważnego pogorszenia współczynnika CMRR, nawet dla perfekcyjnie dopasowanego elementu. Pojemność kondensatora musi być na tyle duża, żeby utworzyła skuteczny filtr, ale na tyle mała, aby impedancja wejściowa dla sygnałów wspólnych była duża. Wymagania te są oczywiście sprzeczne.

Układ przedstawiony na rys. 9 jest pozbawiony tego problemu. Zastosowanie techniki bootstrapu gwarantuje, że pojemność kondensatora jest bardzo mała dla częstotliwości akustycznych, ale ma normalną wartość dla zakłóceń radiowych. Przykładowo dla R=2kΩ, C1=1nF, C2=100pF oraz G=0,99, pojemność dla sygnałów o częstotliwości 10kHz wynosi jedynie 15pF, a dla 100kHz i większych - 91pF.

Na rys. 10 przedstawiono kompletny schemat układu wejściowego wykorzystującego technikę bootstrapu. Zawiera on rezystory wejściowe R1, R2 oraz kondensatory C1 i C2, które wprowadzają tłumienie. Elementy X1 oraz X2 mogą być rezystorami lub cewkami, które zapewnią dodatkową ochronę przed oddziaływaniem fal radiowych.

Integracja wszystkich komponentów wewnątrz układu scalonego zapewnia wysoką precyzję parametrów, co ma krytyczny wpływ na jakość całego urządzenia. Pozwala nie tylko dokładnie kontrolować rezystancje oporników, ale również impedancję ścieżek połączeniowych wewnątrz struktury półprzewodnikowej.

Precyzja scalenia

Rys. 10. Kompletny schemat układu wejściowego wykorzystującego technikę bootstrapu

Rozwiązanie opracowane przez firmę InGenius wymaga bardzo precyzyjnie wykonanych rezystorów. Większość z dostępnych, dyfuzyjnych rezystorów wykonywanych w ramach standardowego procesu na podłożu krzemowym charakteryzuje się zbyt dużymi rozrzutami parametrów i niewystarczającym dopasowaniem. Rozwiązaniem są rezystory cienkowarstwowe wykonane na bazie NiCr, TaNi lub SiCr. Każdy z tych pierwiastków sprawdza się najlepiej dla określonego przedziału rezystancji. Firma InGenius stosuje przede wszystkim SiCr, gdyż charakteryzuje się on dużą stabilnością w funkcji czasu i temperatury, a także zajmuje stosunkowo małą powierzchnię na płytce krzemowej.

Rezystory cienkowarstwowe mogą być bardzo dokładnie dopasowane, dzięki laserowemu strojeniu. Niestety, są podatne na zniszczenia powodowane ładunkami elektrostatycznymi. Należy bardzo starannie zaprojektować warstwę przewodnika, aby zmniejszyć ich wrażliwość na ESD.

Współczynnik CMRR oraz wzmocnienie są zależne od dopasowania rezystorów. Wykonywanie elementów w technologii scalonej pozwala uzyskać dopasowanie, jakie byłoby nieosiągalne dla elementów dyskretnych. Typowa dokładność takiego rezystora, strojonego laserem wynosi 0,005%, co przekłada się na tłumienie sygnałów wspólnych na poziomie 90dB.

Jakub Borzdyński