Anatomia di un DAC (anzi di molti DAC)

[biox]

@Andrea Mori

OK.

Ma hai capito male, o mi sono spiegato male.

Scremo partendo da R2R, ossia lo prediligo (ed escludo per ora i sigma-delta).

Vanno bene anche quelli che hai scelto. Attendo.

[paolosances]

Tira aria da call center?

[Andrea Mori]

Inizio la descrizione dei regolatori lineari da quelli di tipo serie.

Nella prima immagine è rappresentato il circuito di un regolatore serie molto semplice, direi basico. Per regolare la tensione in uscita si avvale di una coppia di diodi zener (ZD1 e ZD2) che fungono da riferimento per la base del transistor utilizzato come dispositivo passante. Come si può vedere la tensione di uscita è pari alla somma della tensione di zener dei due diodi, in realtà sarà leggermente inferiore a causa della caduta di tensione sulla giunzione base-emettitore del transistor pari a circa 0,7V. Come dispositivo passante può essere utilizzato anche un mosfet, ed in questo caso la caduta di tensione sarà più elevata, tipicamente un paio di volt. Questo tipo di circuito non ha un anello di contro-reazione, per cui la regolazione è legata esclusivamente alla tensione ai capi dei diodi zener. La corrente che fluisce nei diodi varia a seconda del carico, poiché varia la corrente di base del transistor, pertanto non si otterrà una elevata regolazione. Circuiti così semplici solitamente non vendono utilizzati nei DAC.

Nella seconda immagine è rappresentato lo schema di principio di un regolatore lineare serie che utilizza un loop di retroazione ingresso-uscita. E' lo schema di principio del classico regolatore di tensione a tre terminali, come ad esempio il 7805 indicato nell'immagine. Il circuito di feedback preleva una porzione della tensione di uscita e la compara con un riferimento (normalmente uno zener o un bandgap) per mezzo di un amplificatore operazionale, la cui uscita viene utilizzata per pilotare il dispositivo passante. Questo circuito è molto più efficacie del precedente in quanto l'applicazione della retroazione lo stabilizza rendendolo meno dipendente dal carico. Se gli obiettivi del progetto DAC sono la semplicità e l'economicità, questa è la soluzione ideale da adottare. Normalmente i regolatori classici a tre terminali sono assai rumorosi.

Nella terza immagine si vede lo schema di principio di un altro regolatore di tensione che utilizza la contro-reazione per regolare la tensione, ma in questo caso il circuito utilizza componenti discreti. anche in questo caso viene utilizzato un diodo zener come riferimento e l'anello di feedback si chiude sulla base di un transistor (Q3) che opera da comparatore per controllare il dispositivo passante. Normalmente i circuiti di questo genere hanno un guadagno ad anello aperto inferiore a quelli basati su amplificatori operazionali, quindi la retroazione applicata è inferiore e la regolazione meno precisa. Tuttavia, questo tipo di circuito permette di scegliere i componenti più adeguati per ogni stadio, ad esempio riferimenti di tensione più precisi rispetto al classico diodo zener od anche transistor a basso rumore, in modo da ottenere livelli più bassi di rumore rispetto ai regolatori a tre terminali. Questo tipo di regolatore è spesso utilizzato all'interno dei DAC.

L'ultima frontiera dei regolatori di tensione serie integrati sono i cosiddetti LDO a basso rumore (Low Drop Out), come quello visibile nell'ultima immagine. Si tratta di regolatori incapsulati in un circuito integrato che usano un anello di feedback ingresso-uscita per regolare la tensione in modo molto preciso. Sono capaci di regolare la tensione anche in presenza di una bassa caduta tra ingresso uscita, da qui il nome LDO, e sono caratterizzati da un bassissimo rumore. Normalmente permettono di impostare la tensione di uscita in un ampio intervallo semplicemente variando la tensione su un terminale del circuito integrato. Quello dell'immagine, un LT3045, è uno tra i meno rumorosi e tra i più utilizzati.

In conclusione, i regolatori di tensione lineari di tipo serie hanno bassa dissipazione termica a riposo, sono abbastanza silenziosi, sono precisi se si utilizzano circuiti contro-reazionati con alto guadagno ad anello aperto, ed hanno un costo relativamente basso se si utilizzano quelli integrati. Lo svantaggio se si avvalgono di alti livelli di contro-reazione è che la tensione di uscita potrebbe essere modulata da carichi particolarmente variabili, influenzando negativamente i circuiti che alimentano.

Nel prossimo commento descriverò i regolatori di tensione lineari di tipo shunt.  

[Max440]

Il 11/3/2024 at 14:50, biox ha scritto:

Siamo vaccinati e sappiamo discernere. Per favore vai avanti @Andrea Mori (questa polemica ti fa solo danno, in my opinion).

 

Esattamente...

Restiamo sul tema, altrimenti il dubbio che un 3d si trasformi in uno spottone (pro o contro, poco importa) si insinua facilmente .... 

[Max440]

Il 11/3/2024 at 16:43, davenrk ha scritto:

pure peggio del mio YBA CD1? 

 

il miglior lettore cd mai ascoltato in vita mia insieme al Wadia S7i : 2 macchine definitive per la lettura dei dischetti argentati  

[Max440]

Il 11/3/2024 at 23:49, audio2 ha scritto:

sono due giorni che non dormo bene perchè più nessuno mi ha spiegato

cosa sono i pupazzetti.

 

Te ne cito alcuni, che sono presenti nel mio attuale dac ...:

.-.-.-.-.

https://www.playstereo.com/it/convertitori-digitale-analogico/4868-metrum-acoustics-modulo-dac3.html

[Max440]

21 ore fa, alexis ha scritto:

O uno pur spendendo l‘equivalente di un‘auto rischia seriamente di trovarsi un rottame in casa nel giro di un lustro?

 

Questa è l'unica certezza ...

Pensa a chi ha speso nel 1990 30 milioni di lire per un DAC Mark Levinson (l'equivalente di 30k euro attuali), ed ora se gli va bene vale 1/10 .

Nel digitale, oltre una certa cifra, i soldi sono proprio buttati, fidati ...

ps. ascoltati i Metrum o i Sonnet, poi riparliamo di rapporto q/p 

[Max440]

17 ore fa, Andrea Mori ha scritto:

La maggior parte dei DAC che ho avuto modo di ascoltare, a mio personalissimo parere, suona peggio di un TDA1541A ben implementato.

 

Io invece, a mio personalissimo parere, preferisco fra tutti i dac ascoltati quelli R2R ben progettati e implementati, e lascerei il TDA1541 alla storia ... (con tutti gli onori che merita, of course)

[loureediano]

Perdonate l'intrusione

Oggi ci sono applicazioni che ti dicono se il segnale musicale è per davvero un PCM o un MP3 portato a 16/44.400

Non ditemi che 2 file digitali non siano facilmente confrontabili.

Se io prelevo all'uscita del tal DAC l'uscita analogica inviandola direttamente  ad un convertitore digitale analogico avrò di uovo un file digitale che potrò confrontare con l'originale che il tal DAC ha convertito in analogico 

Il file che sarà più vicino all'originale sarà il DAC migliore.

[Stel1963]

@Andrea Mori  SI POTESSE ELIMINARE TUTTA LA SPAZZATURA E TENERE SOLO I TUOI POST SAREBBE PERFETTO.  Invece si è trasformato nel solito mercato del pesce, e diventa più difficile da seguire. Comunque complimenti, a cercare post per post è davvero una lettura utile. Grazie per la tenacia e la pazienza

[Andrea Mori]

2 ore fa, loureediano ha scritto:

Perdonate l'intrusione

Oggi ci sono applicazioni che ti dicono se il segnale musicale è per davvero un PCM o un MP3 portato a 16/44.400

Non ditemi che 2 file digitali non siano facilmente confrontabili.

Se io prelevo all'uscita del tal DAC l'uscita analogica inviandola direttamente  ad un convertitore digitale analogico avrò di uovo un file digitale che potrò confrontare con l'originale che il tal DAC ha convertito in analogico 

Il file che sarà più vicino all'originale sarà il DAC migliore.

E perché non lo fai?

[carlotp]

@Andrea Mori

tutto ciò starebbe bene raccolto in un blog. Così è troppo sparso e non si segue una mazza ed è un peccato.

Comunque grazie per la disamina :)

[Andrea Mori]

Adesso descriverò la seconda tipologia di regolatori lineari, il regolatore shunt (o parallelo).

Lo schema di principio di un regolatore shunt lo si può vedere nella prima immagine. Il principio di funzionamento è il seguente.

La resistenza RS in serie all'ingresso agisce come generatore di corrente costante e quindi determina la corrente che fluirà nel circuito a prescindere dal carico applicato. Questo significa che il regolatore ha una corrente massima erogabile che non può superare quella predeterminata, in realtà è buona norma che la corrente massima erogabile sul carico non superi il 75% di quella predeterminata, per evitare che la regolazione non sia stabile.

Dopo la resistenza RS c'è il riferimento di tensione, in questo caso un semplice diodo zener, che determina la tensione regolata che si otterrà in uscita.

Infine abbiamo il dispositivo attivo shunt vero e proprio, in questo caso il transistor Q1, che eroga la corrente richiesta dal carico, ed al tempo stesso dissipa (trasforma in energia termica) la corrente in eccesso, ossia la differenza tra quella predeterminata e quella effettivamente assorbita dal carico. Il circuito ha una blanda contro-reazione in corrente, visto che il transistor shunt viene pilotato con la corrente di base.

Rispetto a quelli di tipo serie, questa tipologia di regolatori è assai meno efficiente, poiché buona parte della corrente viene dissipata dal dispositivo attivo. Nel caso limite di assenza del carico, tutta la corrente predeterminata viene trasformata in energia termica, praticamente se ne va tutta perduta.

Il vantaggio di questa tipologia di regolatori, se ben calcolati, è quello di essere molto meno sensibili al carico rispetto a quelli del tipo serie. Questo perché l'assorbimento totale del circuito è sempre costante a prescindere dal carico.

Nella seconda immagine si può vedere un regolatore shunt programmabile integrato a tre piedini, ossia il famoso TL431A. Anche in questo caso abbiamo un riferimento di tensione che determina la tensione regolata in uscita, un transistor shunt, ed un amplificatore di errore che ne stabilizza il funzionamento. Pur essendo un dispositivo assai silenzioso, il limite del TL431A è la corrente erogabile, che è molto bassa. Questo le rende pressoché inutilizzabile per alimentare direttamente un carico, ed infatti normalmente viene utilizzato come riferimento di tensione in circuiti più complessi che implementano dispositivi attivi capaci di erogare correnti più alte.

Nella terza immagine si può vedere il circuito di un regolatore shunt che implementa la correzione dell'errore per mezzo della contro-reazione applicata ad un amplificatore operazionale. Di nuovo abbiamo un riferimento di tensione (D), una resistenza che determina la massima corrente erogabile, ed un feedback loop composto dalle resistenze R3-R4 e dall'amplificatore operazionale. In questo caso, la tensione regolata in uscita è determinata da quella del riferimento e dal rapporto tra le resistenze R3 e R4 che si trovano nell'anello di retroazione. Dato l'elevato guadagno ad anello aperto dell'amplificatore operazionale, questo circuito risulterà più stabile rispetto ai precedenti grazie all'elevata contro-reazione applicata. Stessi vantaggi e svantaggi descritti a proposito dei regolatori serie quando si applica un'elevata contro-reazione.

Nell'ultima immagine è rappresentato il circuito di un regolatore shunt un po' più complesso, che implementa un circuito generatore di corrente costante basato su dispositivi attivi invece di una semplice resistenza.

Questo generatore di corrente costante (CCS), che determina la massima corrente erogabile dal regolatore, è racchiuso nel primo rettangolo sulla sinistra. E' composto da un transistor, un mosfet serie e pochi altri componenti. Il vantaggio di utilizzare un generatore di corrente costante siffatto è quello di isolare al meglio il regolatore shunt che segue dalla sezione di rettifica e filtraggio. Questo perché un generatore di corrente costante di questo genere ha un'impedenza di uscita assai elevata, che di fatto si traduce in isolamento degli stadi precedenti dal successivo. Inoltre questo CCS eroga una corrente costante molto più stabile rispetto ad una semplice resistenza. 

Segue poi il solito riferimento di tensione basato su un diodo zener (Vz), ed infine la sezione shunt vera e propria, che in questo caso si avvale di due dispositivi attivi, un transistor pilota ed un mosfet shunt. L'applicazione della sezione shunt a due stadi permette di ottenere un guadagno in corrente più elevato, con evidenti benefici sulla stabilità del circuito.

In conclusione, i regolatori shunt hanno lo svantaggio di dissipare molta energia che se ne va perduta rispetto a quelli di tipo serie, ma hanno il vantaggio di essere molto meno sensibili al carico e di isolarlo meglio se viene implementato un adeguato generatore di corrente costante.

Nei DAC commerciali sono molto meno utilizzati rispetto alla tipologia serie, vuoi per la loro maggiore complessità, vuoi per i costi più elevati, ed anche per la dissipazione che comportano.

Personalmente, giudizio puramente soggettivo, preferisco i regolatori shunt rispetto a quelli serie. 

[pro61]

@Andrea Mori L'ultimo è quello di Erno  Borbely?

[Andrea Mori]

Nell'ultimo commento relativo ai regolatori, a titolo puramente esemplificativo, descriverò un circuito particolare, una tipologia di regolatore che sta a metà strada tra quelli di tipo serie e quelli shunt, dato che in parte implementa le caratteristiche di entrambi.

Il circuito completo è visibile nell'immagine allegata, dato che è un po' complesso lo descriverò a blocchi.

Il riquadro denominato Rettifica non è altro che un ponte a diodi che si occupa di raddrizzare la corrente alternata in corrente continua. Segue lo stadio denominato Filtraggio che si occupa di livellare la tensione in uscita al raddrizzatore. Per avere una buona reiezione alle ondulazioni (ripple) è stato implementato un circuito a pi greco CRC (capacità-resistenza-capacità), che provvede una buona reiezione.

Lo stadio successivo, denominato Pre regolazione, ha lo scopo di abbattere il rumore che rimane dopo il filtraggio, ed è basato su un circuito comunemente chiamato "moltiplicatore di capacità". Infatti sulla base della coppia di transistor passanti (Q3-Q4) si trova una rete passa-basso RC formata da una resistenza (R5) e due condensatori (C11-C12). Grazie al guadagno dei transistor, la capacità di questi condensatori viene virtualmente moltiplicata, ottenendo una elevatissima riduzione del rumore in ingresso.

L'ultimo stadio, denominato Regolazione push-pull, è lo stadio regolatore vero e proprio. Come si vede ci sono due coppie di transistor di opposta polarità (Q6-Q5 e Q9-Q10) che formano lo stadio push-pull di uscita. In base alla tensione di polarizzazione determinata da R12, più o meno corrente scorre comunque nello stadio di uscita a prescindere dal carico, e per questo motivo può essere assimilato alla tipologia shunt. Tuttavia, i dispositivi attivi di regolazione si trovano in serie, e questo lo rende più simile alla tipologia serie.

Il vantaggio di questo regolatore è quello di essere meno sensibile al carico rispetto ad un classico regolatore serie, dato che comunque fluisce corrente nel circuito a prescindere dal carico. Ma al tempo stesso sfrutta le caratteristiche della regolazione serie attraverso il circuito di contro-reazione che si chiude sulla base del transistor Q11.

Inoltre, si adatta meglio ai carichi reattivi, dal momento che la configurazione push-pull permette di erogare ma anche di assorbire corrente che può tornare indietro dal carico.

Non ho conoscenza che sia stato utilizzato in DAC commerciali.  

[Andrea Mori]

20 minuti fa, pro61 ha scritto:

@Andrea Mori L'ultimo è quello di Erno  Borbely?

Esatto, proprio il suo.

[captainsensible]

1 ora fa, Andrea Mori ha scritto:

Il vantaggio di utilizzare un generatore di corrente costante siffatto è quello di isolare al meglio il regolatore shunt che segue dalla sezione di rettifica e filtraggio.

Puoi spiegare cosa intendi per "isolare"  ?

Isolare rispetto ai disturbi che arrivano dall'alimentazione ?

Grazie

 

CS

[max]

6 ore fa, Stel1963 ha scritto:

cercare post per post è davvero una lettura utile

nel caso, in attesa di un eventuale riepilogo finale se ci sarà, per avere una evidenza più ‘’immediata’’ dei messaggi che interessano si può cliccare sull’immagine del profilo dell’’opener e poi su ‘’vedi la sua attività’’