1. Overzicht

R2R DAC is een apparaat dat digitale signalen omzet in analoge signalen met behulp van weerstanden en aan/uit-schakelaars. Een typisch laddertype DAC wordt getoond in de afbeelding.

Zoals je aan deze schakeling kunt zien, hebben we twee weerstanden (R, 2R) en een schakelaar nodig om één bit te verwerken. Voor 16-bits heb je slechts 32 weerstanden en 16 schakelaars nodig, en voor 32-bits heb je slechts 64 weerstanden en 32 schakelaars nodig. Omdat het een heel eenvoudig circuit is, wordt de prestatie van de R2R-ladder bepaald door de prestatie van de hoofdcomponenten, weerstanden en schakelaars. Laten we vervolgens in detail bekijken welke factoren de geluidskwaliteit beïnvloeden.

2. Belang van precisie van weerstand:

Weerstanden kunnen heel gemakkelijk en goedkoop worden gekocht, niet alleen in winkels voor elektronische onderdelen, maar ook in high-end . Was het 10 gewonnen per weerstand? Integendeel, de prijs van de printplaat is duurder. Maar er zit natuurlijk een grens aan wat zo makkelijk en goedkoop gemaakt kan worden. In de R2R-ladderstructuur is de precisie van de weerstand erg belangrijk. Als je naar het circuit kijkt, kun je zien dat de weerstanden zijn aangesloten zoals je kunt zien. Aangezien dit bedoeld is om de waarde van elke bit weer te geven, wordt de limiet voor het maken van een signaalniveau dat kan worden onderscheiden volgens de precisie van de weerstand, gewist.

Een veelgebruikte weerstand heeft een nauwkeurigheid van 10%. Dit betekent dat een weerstand van 100 ohm in feite 95 ohm of 105 ohm kan zijn. Met andere woorden, een tiende van de precisie. Als je deze waarde vergelijkt met het maximale aantal expressies van 3 bits 2^3=8 en het maximale aantal expressies van 4 bits 2^4=16, als je een R2R-ladderstructuur maakt met ongeveer 10% weerstand, kan worden gezegd dat het heeft een resolutie van ongeveer 3,3 bits.

Dit is niet een beetje. Dus ik zal proberen een weerstand van 1% te gebruiken, die een geavanceerde weerstand kan worden genoemd, deze keer door de weerstandsprecisie een beetje te vergroten. Het is 1/100, dus het is ergens tussen de 6 en 7 bits resolutie, zoals je kunt zien in de onderstaande tabel. Een weerstand van 1% is veel duurder dan een weerstand van 10%, maar dat kost een paar tientjes.

Tabel: Maximaal representeerbare waarden volgens het aantal bits

Alleen al door de weerstandsprecisie te vergroten, kun je een DAC maken met goede prestaties. Eerder was het mogelijk om van 4-bits resolutie naar 7-bits resolutie te verbeteren door 10% tot 1% weerstanden te vervangen. De kosten zijn ook niet zo duur. Laten we nu een 10-bit maken. Het maximum aantal representaties van 10-bit is 1.024. Dat wil zeggen, een weerstand met een nauwkeurigheid van 0,1% van 1/1000 is perfect. 0.1% weerstanden zijn een beetje duur, maar je kunt ze gemakkelijk krijgen.

Laten we deze keer 16 bits maken. Het maximale aantal is 65.536, 1/65536 is 0,0015%. Door een weerstand van deze precisie te vinden, kunt u een 16-bits DAC bouwen. Oh! De precisieweerstand van 0,0015% wordt echter niet als onderdeel verkocht (je kunt deze natuurlijk speciaal bestellen, NASA zegt dat ze 0,005% weerstanden gebruiken)

De meest nauwkeurige weerstanden die op de markt verkrijgbaar zijn, zijn 0,01%. Het is ook meer dan $ 10.000 per stuk tegen de verkoopprijs. Zelfs met de weerstandsprijs kan 0,01% een DAC slechts maken met een nauwkeurigheid van ongeveer 13-14 bits.

3. Technologie ontwikkeld om de DAC-precisie te verbeteren

Aangezien de precisie van de weerstand rechtstreeks verband houdt met de prestaties van de R2R-ladder, hebben verschillende uitvinders en bedrijven nagedacht om dit probleem op te lossen. Ongeveer drie methoden zijn populair.

Dus, hoe worden de 18-bits, 20-bits en 24-bits producten die op de markt zijn, of die al heel lang worden geproduceerd, gemaakt? In het chipproductieproces wordt een technologie genaamd Laser Trimming gebruikt om de weerstand met een laser te snijden om precisie te bereiken. Daarom zijn DAC’s het exclusieve domein van halfgeleiderfabrikanten geworden.

Zelfs met lasertrimtechnologie kan slechts ongeveer 0001% precisie worden bereikt. Daarom was het in werkelijkheid onmogelijk om 24-bits resolutie te implementeren, en zelfs 20-bits resolutie werd niet bereikt. Het is alleen voor audio, dus ik heb het gebruikt met het risico deze resolutie-pop weer te geven.

Aangezien hoge precisie niet kan worden gerealiseerd met lasertrimtechnologie, wordt bij het maken van de nieuwste 20-bits precisie DAC-chip van Analog Device, die de beste technologie in de branche heeft, segmenttechnologie gebruikt om de precisie te compenseren. De resolutie van de DAC die is gemaakt door de beste technologie te investeren, is 20 bit. Het is geen product voor audio, maar een zeer nauwkeurig product, en het is een superprecieze DAC-chip voor gebruik in de ruimtevaart met een maximale fout van 1 bit. De prijs is eigenlijk 19 bits omdat er een 1-bit fout is, maar het is bijna 200.000 gewonnen per stuk.

4. Rollen en problemen van schakelaars

Als je nogmaals naar het eerste R2R-laddercircuit kijkt, kun je zien dat er een andere schakelaar is dan de weerstand. Deze schakelaars worden in-/uitgeschakeld volgens de bitwaarde om de analoge signaalwaarde van het weerstandsnetwerk te bepalen. Het lijkt minder belangrijk dan weerstand, maar het heeft een enorme impact op de geluidskwaliteit.

Alle schakelaars produceren elektrisch/magnetisch geluid bij openen en sluiten. Met name audiosignalen veranderen erg snel, waardoor deze schakelaars vaak open en dicht gaan, waardoor er ruis ontstaat. Dit geluid wordt een glitch genoemd.

Afbeelding: storing in R2R Ladder DAC. Het gekartelde signaal is een glitch, een piekruis. Bron: Glitches in digitaal naar analoog converters, University of Bridgeport

Deze factor wordt niet waargenomen in tests waarbij de schakelwaarde niet verandert, zoals de 1 kHz-toontest. Dus het grote publiek weet niet eens dat het bestaat, en audioproductiebedrijven benadrukken het niet eens. Deze ruis heeft echter een aanzienlijke invloed op de geluidskwaliteit. Verrassend genoeg zijn zelfs producten gemaakt door halfgeleiderbedrijven niet vrij van storingen. Het heeft eerder slechtere eigenschappen vanwege de beperking van de productiekosten.

5. Beperking van de maximale werksnelheid volgens de limiet van het schakelvermogen

De cd die u kent is 16-bit en 44,1 kHz formaat. Hier is 44,1 kHz gelijk aan 44100 signaalveranderingen per seconde. Uiteraard moeten schakelaars 44.100 keer worden geopend of gesloten om de DAC dit signaal te laten verwerken. Als het 192 kHz is, kun je schakelaar 192.000 openen en sluiten.

44,1 kHz of 192 kHz is de bemonsteringsfrequentie van het audiosignaal tot het laatst, en de ingangsfrequentie overbemonstert meerdere keren of meerdere tientallen keren tijdens het uitvoeren van digitale filterverwerking in de eigenlijke DAC. Als dit niet gebeurt, kan de hoogfrequente ruis niet goed worden uitgefilterd. Het probleem is dat de vermenigvuldiger van deze Over Sampling wordt beperkt door het vermogen van de schakelaar.

Het is moeilijk om een ​​schakelaar te maken die snel kan worden geopend en gesloten. Bovendien is deze schakelaar niet aanwezig in de digitale trap, maar in het hoofdgedeelte dat bepaalt of de referentiespanning moet worden toegepast of niet, dus analoge eigenschappen zijn belangrijk. Normale relaisschakelaars zoals we die kennen, kunnen deze snelheid niet bijhouden en kunnen ook niet worden gebruikt vanwege problemen met elektromagnetische ruis. Er moet een schakelaar met een lage inductieve weerstand en een laag schakelgeluid worden gebruikt.

6. Conclusie

Naast de hier beschreven thermische ruis als gevolg van de elementlimiet van de weerstand zelf, interferentie tussen componenten, EMI/RFI-factoren, enz. worden ingewikkeld gecombineerd om de geluidskwaliteit te bepalen. Met name omdat het moeilijk is om 24-bits of hogere R2R-ladder-DAC’s te produceren vanwege problemen met de precisie van de weerstand, is de hoofdstroom van audio-DAC’s veranderd in Delta-Sigma. In het R2R-laddercircuit hoeft u zich echter alleen zorgen te maken over het probleem van uiterst nauwkeurige weerstanden en hoogwaardige schakelelementen. Verder is er niets om je zorgen over te maken.