[原创]浅谈AD1955DAC的设计，慢慢更新（10月8日更新了）

iflyingpig · 发表于 2012-10-6 14:24

本帖最后由 iflyingpig 于 2012-10-8 15:30 编辑

记得过年的时候发了个帖子，询问大家对我的1955 DAC的意见。
现在这个DAC的PCB终于完成了，先上个图，慢慢公布原理图和设计思路。
PCB 电源.JPG

现在开始电路详解：
首先，这个只是一个DA模块，未包含DIR部分，DIR的线路正在实验中，暂时还没有设计完毕。

DA：
1.数字地隔离：
为了隔离DIR模块“地”上噪声，使用了ISO150（电容耦合器）和TLP281（光耦合器）来隔离DA的数字地和DIR的数字地。
ISO150是TI的高性能电容耦合器件，最高速度可以达到80Mbps，远高于24bit 192Khz的I2S数据流。而AD1955的SPI
接口时钟的时钟速率比较低，所以使用廉价的TLP281光耦已经可以满足性能要求了。

2.AD1955的供电策略
1）AD1955电流输出(实际上是电流是流向引脚的)引脚的灌电流源
根据1955的手册，为了获得更高的THD余量，需要把每个IOUT输出引脚上拉到一个固定的电压上，而对这个电压源的要求是
“尽可能噪声低”。本着尽可能噪声低的原则，本设计使用LT1027来得到这个电压（5v）。 LT1027的噪声指标非常夸张：
10~1Khz只有2uv。
AD1955 datasheet part1.JPG

2）AD1955的模拟供电和数字供电
LT1027毕竟是参考电压源，其输出电流的能力有限，不能作为1955的供电来源。对于DA芯片来说，不论是模拟供电和数字供电
都要求噪声尽可能小。在众多的LDO和非LDO中，噪声小的实际上并没有几款。例如REG103，ADP150。1117, 317, 78系列
根本不能算低噪声的稳压器。这里我选用了LT1763。LT1763的噪声性能为10hz~100Khz 20uv。注意，这里是100Khz.

3）关于电源的完整性
电源的完整性包含两个方面：1.噪声的抑制性能，2.电源的阻抗。
一般来说，芯片的手册总会强调，要在靠近电源引脚的地方并联一个0.1uf的电容到地，这个是一种最简单有效的降低电源阻抗的做法
但是，这个方法对提高电源的噪声抑制性能帮助不大。根据muRata的手册，提高电源的完整性有两条路径：如果沿着提高电源噪声
抑制性能的路径来走的话，可以使用CLC结构，这里电容使用的是MLCC（多层陶瓷贴片电容）。如果沿着降低电源阻抗的方法，可以
使用低ESL的MLCC或3端子电容。当即要兼顾两者时，终极的做法是把CLC结构中靠近引脚的这个电容换成3端子电容。下图是MLCC
和三端子电容器的比较。从比较的结果来看，3端子电容器的插入损耗（对一定频率下信号（干扰）的阻抗）性能远优于MLCC
MLCC和3端子电容器.JPG

其实，3端子电容器在音频中的应用是很少的，倒是低ESL电容频繁出现于顶级的DAC中，例如wadia的9系列DAC，很容易就能发现低
ESL电容器的影子。图片找不到了，低ESL的电容样子很特别，如果有哪位可以拆顶级机的话，可以留意一下。下面是低ESL电容的样子。
低ESL电容.JPG

在本设计中，使用了低成本的CLC结构，其中靠近电源引脚的电容选用了MLCC。
关于电源完整性.JPG

4）IV转换器的偏置电压
AD1955要求 IV转换器同向输入端偏置到2.8v以保证IV转换后的电压中点为0V。根据手册，最优的做法是从AVDD上分压获得这个该电压。
有没有更优的做法呢？答案是肯定的，单独使用一路稳压器来提供该电压。考虑到使用LT1027成本过高，本设计使用了LT1763来完成这个任务。
op的偏置电压.JPG

5）布线技巧
关于布线技巧，本人非常推荐一份手册 ADI的MT-031：

这个手册详细介绍了混合信号的IC（mixed signal IC）的AGND和DGND的布线方法。而且，最最最靠普的是，这个文档是中文版的！！！
尼马不可多得的好手册啊！！！中文版的有木有啊！！！有木有！！！
当然，这个手册所介绍的技巧，对于处理一个简单的单板DAC来说，过于复杂了，现在我就来断章取义一下吧，大家消化起来也快一点。
（1）退藕电容如何摆放，如何在地平面打通孔。下图简单明了：建议大家在设计及布线的时候，按部就班的来。
退藕电容.JPG

来个实例，或许就更明白了：
GND layout.JPG

（2）关于地平面的分割
MT-03给出了拥有一个混合信号IC的单板系统的最佳处理方法。如果该板卡设计比较复杂，拥有多片DAC，则这个方法使用起来应该非常谨慎。
单卡系统的AGND DGND.JPG

同时，分析AD1955的供电特性，DGND和AGND的最大电压容差为+-0.3v。也就是说，如果AD1955的AGND和DGND之间的电压误差达到0.3v
则AD1955会被损坏。这是Delta Ground器件的一个特点。这个就提示我们，AGND和DGND的连接点应该尽可能靠近AD1955。当然，这个点
取在哪里，得最终做实验来确定，一般会取在器件正下方。同时，对于AD1955这类IC，芯片管脚上标注的DGND并不意味着这个管脚
应该接到数字地平面上。它的意思是这个管脚接到了芯片Die的数字地上。同时VDD也并不以为着这个管脚的供电应该来自数字
供电系统，它的意思是，这个管脚是给芯片Die的数字部分供电的。所以，如果数字部分的供电/地平面存在很大的数字噪声的话，千万别使用数字
部分的供电来为AD1955供电，而应该从模拟部分取电。当然，这样做可行的原因是AD1955的数字电流很小。这肯定会导致其最终的模拟性能下降
但是至少比从数字部分取电来的强。同时，数字部分的地平面也应该和模拟部分的地平面合并。
但是对于本设计来说，和AD1955数字部分合并供电的只有3片ISO150，本着减少模拟供电线上的噪声的目的，AD1955的数字供电和3片ISO150
的供电合并成一路单独提供，这就能最大限度的保证模拟供电部分的低噪声。当然，最终的供电方案需要做实验来确定。

2012.10.8
今天继续更新
今天的内容主要关于IV转换.
IV转换就是输入参数是电流（I）到输出参数是电压（V）的转换。一个显而易见的公式便是 I*R = V，所以IV转换最简单的方法就是在电流源接一
个电阻到地。这样的一个电路我们称之为无源跨阻放大器（Transimpendence amplifier）。对于电流输出型DAC，不管其内部结构有多么复杂，
我们都可以认为它是一个随输入数字信号（音频PCM码流）控制的电流源。理想的电流源的一个特性便是输入阻抗无限大。
使用电阻作IV转换面临如下几个囧境：
1. 实际的电流源都是有输入阻抗的，输入阻抗并不是无限大。
2. 用于IV转换的R，就是负载阻抗，这会对电流源产生不利的影响。
3. 所需要的带宽。

为了严谨起见，下文中，使用“跨阻放大器”这个名词来代替“IV转换”。
所以，现代的电流型输出的DAC都严重不推荐使用纯电阻来进行IV转换，其中也包括AD1955。那么如何构建一个有源跨阻放大电路呢？使用运放是
一个显而易见的方法。下面主要谈谈使用VFB（电压负反馈型）运放构建跨阻放大器的一些注意的内容。首先先上一张本设计的IV转换电路图：
iv转换.JPG

我想从以下几个方面分析这个跨阻放大电路。
PS：其实就是手册上的图直接抄下来的，但是我觉得，如果把这个图分析透了的话，也会给大家带来一些启发。
PS1：本贴分析的内容参考了TI的一份文档：SBOA 112 : Transimpendence considerations for high speed amplifiers。如果有兴趣，可以直接阅读英文版原档。
PS2：跨阻放大器的放大系数不再是几倍的这样一个概念。通常，电压放大器的放大系数可以写成 N v/v，电流放大器的放大系数可以写成 N i/i，而跨阻放大器的放大系数是
N v/i = N ohm
1）直流特性分析。
2）稳定性分析(这部分内容需要一点高等数学的知识)。
3）带宽分析。
4）噪声性能分析。