从分立R-2R分析BB公司的“Balanced DAC”技术

forsli@163.com

一般的分立R-2R的DAC的精度取决于高位的电阻，其中MSB位影响最大，在小信号时零电平跳转时，MSB精度直接影响输出波形；例如从0跳到-1时，DAC各BIT就会从10000……跳到0111……，等于所以BIT位都跳转了，就例如以下电路：

但是BB公司号称是两个正、负两个DAC相加输出的（例如20BIT的DAC是由两个19BIT的DAC并联输出的），内部原理框图如下：

但这个正、负DAC是如何工作的呢？首先做以下猜想，一个24BIT的DAC，以R-2R代替电流输出DAC，作电路图如下（部分低位）：

其中LP_x是代表左声道正输出DAC(DAC_P)，LN_x代表左声道的负DAC(DAC_N)；
假如在输出正电压时（MSB位为0时），负DAC全部的BIT位（BIT0~22）都输出“1”，正DAC的0~22BIT跟随输入的0~22位；在输出负电压时（MSB位为1时），正DAC全部的BIT位（BIT0~22）都输出“0”，负DAC的0~22BIT跟随输入的0~22位；另外，在负DAC处增加一个LSB位（DAC_N[23]），跟随输入的MSB的“非”，用以补-1（1111.……）的输出。
这样的话，小电平时零交输出时，高位就不会变了，只变化低位，在小信号时，也能保证输出信号的完整性。
用VERILOG写的逻辑表达式如下：

由下图看由正、负两个DAC在零交时的变化，在0变-1时，单R2R全部位状态均变化，双R2R只有最低位的状态发生变化，就是说，不管在低何输出电平下，0.1%精度电阻都能保证差不多10BIT的精度输出。
个人表达能力有限，都不知道怎么说，自己看着也累，还是看原理图吧
24bit_r2r.rar (38.51 KB, 下载次数: 2103)

2014-8-4 23:07 上传

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Rex123

看你的文章确实晕，但支持你，虽然我看不懂，对于不懂的事情，我总是心怀敬意。

小胆迷

兄弟好久没出没啦，很忙是吧。你送的1702版还没做呢

tendy

我也搞了很久了，你这个方案不错，只是买电阻要破产零交其实不是传统r2r的问题，如果要内置在芯片，问题就有了，所以ad的r2r dac芯片都有外置调节msb的电阻设置，ti的方案是比较省心，比较适合大规模量产，但是如果我们分立来做，ti的这个方案问题就大了，电阻的成本大了一倍。
另外这几十个125也是问题啊，每只输出的电压都是有不同的，配对要配死人，我的做法是把他们写道一块cpld里面，另外用fpga也不妥，直接一块cpld比fpga好，理由你懂的。

我现在在实验用GaAs器件来做光学的dac，欢迎一起讨论174188188

forsli@163.com

tendy 发表于 2014-8-5 02:15
我也搞了很久了，你这个方案不错，只是买电阻要破产零交其实不是传统r2r的问题，如果要内置在芯片，问题 ...

我是拿朋友送我的R2R板子焊的时候，想起了这个问题，然后引起了BB公司两个正负DAC并联输出的思考。
如果说精度，那还真的筛选电阻搞到破产都达不到芯片的那种程度，如果选用0.1%精度，X宝上的价格是100个30。就算采用0.1%的电阻，解决零交问题后，在任何电平输出都能保证差不多10BIT的精度，这精度不会随0DB输出或－40DB输出的变化而变化，当然这是在排除电源的影响下说的。
7Z125我是看它的DS里面写着0.1mA电流时，输出压降为0V（当然应该是小于0.1V的意思），放在电路中拿它代表输出缓冲器的意思。
CPLD输出要比FPGA好，至汪CPLD的IO输出做到5V变问题，而FPGA大多只能做到3.3V，而且CPLD的延时可控；而FPGA的“门”太多，如果用上个百万门，可能电流都有200mA而不奇怪，电流越大干扰越利害，说起这道理谁都懂，不过只是在一些逻辑应用而不用什么IP核的话，资源利用率应该非常的小，想要干扰大都有点难啊。我这里扔了这个FPGA上去没别的意思，只是个人的一个陋习，就是每学习一个新技术，都喜欢首先拿来试用在音响上面，这个FPGA只是刚摆弄了三两个月而已

zhp25

土豪不少，时间和精力也相当土豪。佩服。

forsli@163.com

小胆迷 发表于 2014-8-5 01:23
兄弟好久没出没啦，很忙是吧。你送的1702版还没做呢

那个板的LPF原参数很不理想，高频衰减太多，听感很差，总之来说没达到预期。这次发这个只是一个技术讨论，元器件太多，算了一个DAC部份，每个声道都有200+，哪有这个闲情啊

forsli@163.com

zhp25 发表于 2014-8-5 09:04
土豪不少，时间和精力也相当土豪。佩服。

技术讨论，不说其它

forsli@163.com

Rex123 发表于 2014-8-4 23:55
看你的文章确实晕，但支持你，虽然我看不懂，对于不懂的事情，我总是心怀敬意。

谢谢支持，只是技术讨论，不懂的事情质疑它就好，论坛上没必要对它有太多敬意，那样太累了

zfl1211

研究比较深入，实现有难度。但支持纯正技术讨论

tendy

forsli@163.com 发表于 2014-8-5 09:03
我是拿朋友送我的R2R板子焊的时候，想起了这个问题，然后引起了BB公司两个正负DAC并联输出的思考。
如果 ...

兄弟你也挺谦虚了，电阻的话，0.1%是不够的，如果按你的方案用10k，20k，万分之一可以，如果还要更小比如1k 2k，大家知道降低这电阻值意味什么，用到十万分之一才能达到万分之一10k 20k的输出精度，零交对于芯片来说是个问题，但我前面说了，ad也有解决办法，也是传统办法，非常有效，其实r2r dac最大的问题，是lrck频率的开关噪音，这是先天因素决定的，解决办法传统是低通滤波，小日本是用模拟开关先通后断关断，两种办法都有缺点，更好的办法我还在想，有方案，但是解决成本非常高，125的问题是这样，你没必要用他做缓冲，他做缓冲会导致输出电压不一致，因为每个芯片都会有些不一致的问题，直接用cpld会好些，因为至少在同一片芯片内部，这种不一致性会好很多，cpld的问题是，输出电流比较小，驱动能力差，前面我说了，如果用了小值的电阻，问题也就来了，总之，r2r非常不好弄啊，不过弄过都知道，它的声音非常好，非常自然，不是什么delta sigma可比的

国内的rx71线绕电阻，精度非常好，但是不能用，可惜。

这是-60db的1k sin，16bit

-80db，基本上到极限了，基本上只用1bit了，可以看到，零交不是问题。

这是-100，这个就可以看到开关噪音了，那些朝天朝地的毛刺，这还是我用我的方法处理了的，
不是低通滤波哦，按照正常的做法，这个噪音比现在还要大3倍左右。

dyh8283221

不能完全看懂，但大概知道是什么意思了，楼主威武！

hkclz

真能搞外行只能看看大虾的科普

forsli@163.com

tendy 发表于 2014-8-5 11:14
兄弟你也挺谦虚了，电阻的话，0.1%是不够的，如果按你的方案用10k，20k，万分之一可以，如果还要更小比 ...

你做得完美啊，兄弟威武！

飞天狼001

支持！
分立24比特R2R结构，确实是一座高山。如果转换的电压是1V，那么1个BT的分辨率就是1/2^24=1/16777216=0.0000000596V=0.0596uV，0输出时如果噪声达到0.06uV那么1BT的精度就没了，变成23BT了。
所以，要考虑的问题太多：电阻精度的误差1BT精度就没了，开关的内阻误差又1BT的精度没了，体积庞大干扰等因素又1BT没了等等，搞到最后说不定只有20BT了，因此高比特的R2R一般人是不敢碰的。
有一点请教一下：0电压应该是正负DAC都输出0才是，负DAC输出23个1不是负的最大值么？还是单电压的原因，可以这样设置（我理解的是在单电压下，0电压要保证1/2的直流输出，负DAC的23位必须都为1，然后达到负半周的最大值时全部为0，这样在0电压附近都是末位在变，参与转换的电阻不多，精度可以保证，所以正负半周两个DAC可以很好的解决过0问题）。
1704是正负电压供电，是两个真正的正负DAC在工作，正负两个DAC输出接在一起；过0附近也是末位在变化。
且在0输出时正负可以抵消一部分误差，再加上极性补偿，可以多出1BT的精度，最终达到24BT精度。
还有，你的开关噪声比较明显，是在NE5534的输出端测的么？
1704官方给出的PDF资料，基本看不到开关噪声。

tendy

飞天狼001 发表于 2014-8-6 00:58
支持！
分立24比特R2R结构，确实是一座高山。如果转换的电压是1V，那么1个BT的分辨率就是1/2^24=1/1677721 ...

狼兄可能误会了，发图的是我，不是楼主的方案，我的图是传统r2r方案出来的测量的，和1704的比，区别在哪里呢？我这里说一下，首先1，bb的图是192k 24bit的，我的是44.1 16的，两种数据区别很大的。2，bb的测试条件跟我区别更大，电源，仪器，都是天地之别。3，bb的这个测试图前面有df芯片，后面有lpf，这不用说了，绝对的，我的图是直接在最高位电阻后量的，你想想看，192khz的开关噪音，过了lpf，是什么结果，但并不代表它没有，这点jeff很清楚，他的trex就有个专利的除噪方案，如果没有，他不会费这劲。 4，了解示波器的都知道，TRIG LEVEL这个旋钮，实际上我的图也是废了老大劲慢慢调才把这个开关噪音显示出来，也就是说，要拍出没有开关噪音的图，是非常容易的。最后，bb的这个图，不见的是真的，你们去翻pcm63看看，是不是也有一样的图，完全一模一样，那么就是说，这图不代表是从1704上拍出来的。如果我和bb一样，有个nb电源，在吧lpf df装备上，后面的模拟电路再差分单端一下，我相信，超越1704是没有问题的，因为对于r2r dac，谁都知道，关键的关键，是电阻，bb没法再一片芯片上匹配的太精确，实际上从它pdf里的gain error值看就知道结果，但是分立就行了，万分之一电阻筛选十万分之一这不是不可能，或者千分之筛选也是可行的，我问过国内的三线军工电阻厂，人家很现实的告诉我，国内基本上没听说什么激光修正的金属箔之类，都是工人在仪器前筛选，什么神6 7之类的高尖端应用也是一样，只有筛选。 最后说一下，分立r2r可diy的可行性有多大，这里提示一下，基本上任何阻值的电阻都可以用，不在乎值是多少，只在乎一样，有多一样才是关键。

forsli@163.com

飞天狼001 发表于 2014-8-6 00:58
支持！
分立24比特R2R结构，确实是一座高山。如果转换的电压是1V，那么1个BT的分辨率就是1/2^24=1/1677721 ...

示波器图的事情正主已经回复了
两个DAC是并联的，共用一个电源，在0输出时，正DAC输出23个0，负DAC输出23个1，并起来刚好是1/2Vdac，这个是有偏移的，最高输出是DAC的供电电压，最低输出是0V，这个有点像1541I/V转换后的电压一样，输出要加隔直。

这个BB方案的意义所在是，-110DB、-120DB输出时，只有LSB端的开关网络在动作，而MSB端的开关网络是处于静态的，这就解决单R2R在零交跳转时差不多所有的开关网络都在动作的问题，也消除了超低输出时MSB位精度的影响。

另外，R2R与DAC芯片的工作方式是不一样的，DAC芯片是电流输出的，而电流输出的好处是，一个差分对实现变流，它的位权电阻两端的电压不管是流向正端还是流向负端，都是恒定不变的，这就很好的保证了精度和噪声，但是差分对也有零交时开关网络大量跳变的问题，BB公司估计也是因为如此才开发了个正负DAC并联输出的技术

至于DAC芯片使用差分对后，它的噪声是从何而来呢？抛开电源噪声与数字电路带来的噪声不说，主要是开关动作噪声；

而就这个开关动作噪声来说，MOS管要比三极管的开关噪声要大，什么原因呢，因为三极管是电流控制器件，对于BE极的PN结来说，或者0.7V的电压变化就可以让它完全的打开与关闭；

而MOS管来说，一般需要2.5V的电压差来让它开或关，而且MOS管的结电容比三极管大得多，这样的话，会不会从0V跳到2.5V时，通过G极与S极之间的电容使输出端产生一个尖峰脉冲？而且这个MOS管的特性，导通电阻越小、输入电容越大，导通电压越小、输入电容最大，这是一个矛盾的取舍问题，可能只有管子的开关速度正能量，因为速度越高、结电容越小，但是又会因为结电容小而导通电阻大；对于MOS结构DAC来说，要想获得很高的速度与比较低的噪声，一般都要求负载电阻比较小，50欧或者更小。

所以噪声方面，三极管结构的音频DAC要好过MOS管结构的音频DAC，而静态精度方面MOS管结构的要好过三极管结构。一般工业DAC表示的精度都是静态参数
下面两图，一个是工业R2R差分对输出方式，一个是输出开关噪声，由图看可能更直观一些

forsli@163.com

tendy 发表于 2014-8-5 11:14
兄弟你也挺谦虚了，电阻的话，0.1%是不够的，如果按你的方案用10k，20k，万分之一可以，如果还要更小比 ...

另外说说这个7Z125主要功能是隔离噪声，与DAC电源可调整。
这个噪声隔离是隔离FPGA带来的噪声，就好比在大海边上建一道大坝，用来缓冲或消除海浪带来的冲击
芯片的输出驱动能力与速度有关，速度越快，驱动能力越强，例如：74HC系列一般速度是12nS，输出电流是20mA，74AC系列一般速度是6nS，输出电流是50mA。而7Z125是2.6nS的器件，输出电流也是50mA，但是带载压降比74AC系列要小很多。
用FPGA的好处还有一个，就是可以在调试时写入一个DDS来测试，可以测试超过SPDIF的频率极限，什么192K、384K、1M、2M取样测试都不在话下
不过目前我不会做这个板，因为器件太多，眼睛与手都受不了那个压力。

bbp

tendy 发表于 2014-8-6 02:10
狼兄可能误会了，发图的是我，不是楼主的方案，我的图是传统r2r方案出来的测量的，和1704的比，区别在哪 ...

BB的测试经过了XXX倍的放大