TPA6120 на выход к PCM3060, помогите подключить!

[Гость sanya2659]

Уважаемые форумчане!

 

Начал я тут разрабатывать одно устройство. Суть в том, что окружающий нас звук, попадающий в уши предварительно пропускается через цифровой обработчик сигнала, выполняющий с ним различные интересные функции, такие как компрессия, выборочное подавление частот, сдвиг частот, и так далее. Такой вот забавный эксперимент.

 

За основу этого девайса я взял контроллер STM32F401, к которому через полнодуплексный I2S подключается PCM3060 - не связанные друг с другом АЦП и ЦАП в одном корпусе. В качестве усилителя для наушников запланировал TPA6120A2.

 

Проблема состоит в том, что я не совсем понимаю, как лучше всего составить схему подключения TPA на выход PCM. Хотелось бы попросить вас помочь разобраться!

 

У PCM3060 выход - напряжение, и ФНЧ внутренний. Согласно справочному листу у PCM3060 на дифференциальной паре при аналоговом питании Vcc = 5V, максимальный размах сигнала от пика до пика будет 8V (по 4V на каждом выводе, если относительно земли), при центральном напряжении 2.4V (как я понял, это та постоянка, которая у нас идет при отсутствии сигнала. Но почему она вообще присутствует при дифференциальном включении?)

 

Далее, у TPA6120A2 в справочном листе имеется крайне заманчивая схема включения (пассивный Post-LPF и никаких дополнительных операционников кроме самой TPA), да и нужны ли они нам при размахе напряжения 8 Вольт?

 

Но есть один нюанс, та схема показана для ЦАПа PCM5242, у которого есть одна особенность - способность выдавать на выходах отрицательное благодаря встроенному преобразователю напряжения (charge pump). Следовательно, центральное напряжение у нее равно нулю. Выходное же напряжение для дифференциального выхода указано как 4.2VRMS, что не совсем ясно, так как это значение в теории было бы разным для разной формы сигнала...

 

Описанная мной схема прокомментирована следующей фразой: "The PCM5242 offers a ground centered output, so that no DC blocking capacitors are required between it

and the TPA6120A2.", что означает, что такое включение допустимо без разделительных конденсаторов потому, что выход PCM5242 центрирован на нуле.

 

Вот, и так уже много расписал. Для начала первый вопрос - по отношению к чему меряется Center Voltage для дифференциальной пары, и откуда оно там берется? Я всегда представлял это себе как две линии, на каждой из которых 2.4 Вольта постоянки. Потом на положительном полупериоде, допустим, синуса, напряжение на неинверсном выходе пойдет вверх, и станет близким к напряжению питания, а напряжение на инверсном - наоборот - ближе к нулю аналогового питания. При отрицательной полуволне они меняются местами. Таким образом мы получаем на дифференциальном выходе амплитуду, приблизительно равную удвоенному напряжению питания. Но в этом случае в состоянии покоя напряжение между контактами пары должно быть равно нулю? Почему в даташите все равно указано значение Center Voltage, при этом отличающееся от такового значения для недифференциального включения. Просто у меня такое чувство, что в состоянии покоя между ними все же есть постоянка! Иначе не было бы той фразы про конденсаторы.

 

Я приведу вырезки из даташитов и сами даташиты внизу. Буду крайне благодарен за любые поправки и объяснения...

 

TPA6120A2: _https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tpa6120a2.pdf

PCM3060: _https://www.ti.com/lit/ds/slas533b/slas533b.pdf

PCM5242: _https://www.ti.com/lit/ds/slase12a/slase12a.pdf

 

Добавлено после раздумий: на странице 40 даташита на PCM3060 приведены три схемы. Первая с разделительным конденсатором, вторая с дифференциальным входом, и третья с прямым входом и напряжением смещения, подаваемым с микросхемы. Никаких разделительных конденсаторов во второй схеме я не вижу...

Изменено 11 Марта, 2015 в 14:37 пользователем sanya2659

[Sergiy_83]

Согласно справочному листу у PCM3060 на дифференциальной паре при аналоговом питании Vcc = 5V, максимальный размах сигнала от пика до пика будет 8V (по 4V на каждом выводе, если относительно земли), при центральном напряжении 2.4V (как я понял, это та постоянка, которая у нас идет при отсутствии сигнала. Но почему она вообще присутствует при дифференциальном включении?)

 

8V - брррр. При 5V питании и смещении в пол питания - размах 5V, после фильтра будет 10V грубо (после вычитания противофазных сигналов). 8V наверное имеется ввиду после фильтра. На какой странице вы это прочитали?

Изменено 11 Марта, 2015 в 14:36 пользователем Datagor

[Гость sanya2659]

Sergiy_83, данная информация находится на странице 4 даташита на PCM3060, ближе к концу страницы. Указана как Vcc, домноженный на коэффициент. Так же, это первая картинка в моем посте.

 

Не думаю, что дифференциальный выход все 10 вольт. Поскольку выход не ток, а напряжение, это значит, что I/U конвертер у микросхемы встроен. Поскольку I/U конвертер строится на операционнике, выходное напряжение будет зависеть от его типа. Обычные операционники не могут выдать на выходе полные напряжения питания. На это способны только так называемые Rail-To-Rail, но сомневаюсь, что внутри микросхемы именно такой, учитывая, к тому же, тот факт, что размах выходных напряжений четко указан в даташите как 8 Вольт p-p.

[Lexter]

... первый вопрос - по отношению к чему меряется Center Voltage для дифференциальной пары, и откуда оно там берется? Я всегда представлял это себе как две линии, на каждой из которых 2.4 Вольта постоянки. Потом на положительном полупериоде, допустим, синуса, напряжение на неинверсном выходе пойдет вверх, и станет близким к напряжению питания, а напряжение на инверсном - наоборот - ближе к нулю аналогового питания. При отрицательной полуволне они меняются местами. Таким образом мы получаем на дифференциальном выходе амплитуду, приблизительно равную удвоенному напряжению питания. Но в этом случае в состоянии покоя напряжение между контактами пары должно быть равно нулю? Почему в даташите все равно указано значение Center Voltage, при этом отличающееся от такового значения для недифференциального включения. ...

При однополярном питании дифференциального усилителя всё именно так, как вы понимаете. Надо только уточнить термины.

"Center Voltage" - это синфазное напряжение, присутствующее на обоих выходах. Измеряется относительно "Общего". Это напряжение "виртуального нуля". В отсутствии сигнала разность напряжений между выходами равна нулю. Собственно сигнал - это разность напряжений между дифференциальными линиями.

 

При стыковке дифференциального выхода с дифференциальным входом должны выполняться следующие требования:

Синфазное выходное напряжение на выходе должно быть в пределах допустимого диапазона синфазного напряжения у входа, подключаемого к этому выходу.

Сумма синфазного и дифференциального напряжений на выходе должна укладываться в допустимый диапазон входного напряжения у входа, подключаемого к этому выходу.

Если выходной и входной диапазоны напряжений не стыкуются, то применяется смещение (и, возможно, масштабирование). Разделительная ёмкость - частный случай, когда нужно выход привести к уровню с синфазным напряжением, равным нулю, и допустима потеря некоторой области низких частот. Дифференциальный сигнал при этом будет двуполярный.

Существуют специальные микросхемы для согласования дифференциальных каскадов по синфазной составляющей, например AD8138. Можно сделать смещение уровня и на ОУ.

[Гость sanya2659]

Все именно так, как я и думал. Но если в состоянии покоя разница между сигналами равна нулю, это все равно значит, что мы имеем право подключить выход ЦАП на вход усилителя БЕЗ конденсатора?

 

То есть, я правильно понял, что конденсаторы подразумевались в контексте схемы только по той причине, что иначе усилитель просто перегрузило бы по входу и начался бы клиппинг? Это действительно звучит логично, так как у усилителя для наушников на выходе никогда не бывает больших напряжений, ибо наушники низкоомны, и при большом напряжении рассеят слишком большую мощность.

 

Но зачем в таком случае Texas Instruments придумали свою DirectPath, если можно просто ослабить сигнал после микросхемы резистивным делителем, а на выходе просто пересчитать резисторы на усиление повыше? Возможно, это объясняется тем, что для стабильной работы усилителя с токовой ООС резисторы в делителе ООС должны быть одинаковы, следовательно, возможна работа только при усилении 1 (или 2 в дифференциальном включении)?

[Lexter]

... если в состоянии покоя разница между сигналами равна нулю, это все равно значит...

Это ничего не значит. Нет сигнала - напряжение равно нулю. Это по-определению.

Выходной диапазон напряжений (сумма синфазной и дифференциальной составляющих) должен укладываться во входной - это да, значит.

 

Про наушники и далее, извините, вообще не понял.

Подождите, может кто-нибудь ответит более понятно.

Изменено 11 Марта, 2015 в 09:53 пользователем Lexter

[Sergiy_83]

Указана как Vcc, домноженный на коэффициент.

Действительно! Но как бы там ни было, при питании 5V размах в 8V без преобразователей не получить. В прочем амплитуду всегда можно скорректировать на выходе.

На это способны только так называемые Rail-To-Rail.

Я же пишу что 10v грубо на пальцах так сказать.

что означает, что такое включение допустимо без разделительных конденсаторов потому, что выход PCM5242 центрирован на нуле.

даже когда он не центрирован и есть смещения в 2,4V на обоих выходах они прекрасно вычитаются диф. усилителем. И конденсаторы в этом случае тоже не нужны.

 

Я всегда представлял это себе как две линии, на каждой из которых 2.4 Вольта постоянки. Потом на положительном полупериоде, допустим, синуса, напряжение на неинверсном выходе пойдет вверх, и станет близким к напряжению питания, а напряжение на инверсном - наоборот - ближе к нулю аналогового питания. При отрицательной полуволне они меняются местами. Таким образом мы получаем на дифференциальном выходе амплитуду, приблизительно равную удвоенному напряжению питания.

Не питания, а напряжения смещения (2.4В.)

 

При использовании TPA как на приведенной схеме думаю надо будет увеличить номиналы резисторов так как вых. сопротивление PCM3060 относительно велико.

 

Что касается постоянки на выходе то при воспроизведении ее точно не будет, а при отсутствии сигнала, в некоторых ЦАП на положительном выходе Uпит, а на отрицательном 0V и того диф. напряжение Uпит, а это щелчек который предлагают решать с помощью сигналов MUTE или ZERO. Так что надо проверять практически!

[Гость sanya2659]

Lexter, про наушники - все очень просто. Я хотел сказать, что обычно пиковая мощность, допустимая на наушниках - 1 Ватт, а это значит, что подав на 32-омные наушники 5.7 Вольт, мы уже превысим допустимое значение. А напряжения на выходе должно хватить еще и для нормальной работы ООС. А про усилители с токовой ОС (CFA) надо все же спрашивать того, кто имел опыт работы с ними.

 

Sergiy_83, Размах сигнала вполне может быть 8 Вольт при 5-вольтовом питании. Это происходит потому, что у нас есть две линии, инверсная и неинверсная, которые работают в противофазе. На каждой из них размах переменной части сигнала 4 Вольта относительно земли, в таком случае между этими двумя линиями размах сигнала будет 8 Вольт. (допустим, на первой линии 4 Вольта, тогда на второй 0, потом на второй 4, на первой 0 - получаем сигнал амплитудой в 4 Вольта, и следовательно, с размахом в 8, при этом не превышая напряжения питания на каждой отдельной линии относительно земли.

 

Вопрос сейчас как раз и состоит в том, что даже нецентрированный по нулю сигнал по идее допустимо подавать на дифференциальный усилитель без конденсаторов (в случае соблюдения условий, описанных Lexter'ом), ибо дифференциальный усилитель выдает разницу, а если разницы между сигналами нет, то и постоянки на выходе не вылезет. В таком контексте фраза из даташита звучит крайне странно...

Изменено 11 Марта, 2015 в 14:37 пользователем sanya2659

[Datagor]

Название чипа PCM3060 исправил по всем постам и в теме.

[Гость sanya2659]

Спасибо!

[Sergiy_83]

Да, признаю, я немного запутался в терминах и называл амплитуду размахом.

[Гость sanya2659]

Проблема решилась, и причем довольно просто.

 

Все дело в том, что TPA6120A2 является операционным усилителем с токовой обратной связью. Как оказалось, у этого типа усилителей есть особенность, заключающаяся в том, что сопротивления инверсного и неинверсного входов значительно различаются. У неинверсного входа оно довольно большое, в то время как у инверсного очень низкое.

 

Эта особенность в вышеописанной схеме при использовании ЦАП с выходами, центрированными не по земле, а по какому-либо постоянному напряжению, заставила бы напряжение на инверсном входе в состоянии покоя просесть, что дало бы постоянку на выходе.

 

Решений такой проблемы может быть несколько.

 

Первый вариант - это использовать операционный усилитель с дифференциальным выходом (вроде предложенонго Lexter'ом) для того, чтобы сместить центральные напряжения до нуля (использовать выход ЦАПа Vcom для смещения)

 

Второй вариант - это поставить разделительные конденсаторы. Не лучшее решение, однако конденсаторы все же часто применяют в аудио, хоть и стараются избегать.