Résumé : Cette note d’application décrit comment échantillonnage horloge gigue (erreur d’intervalle de temps ou « Gigue de la cravate ») affecte le rendement des convertisseurs numérique-analogique de delta-sigma (CED). Nouveaux aperçus expliquent l’importance de spécifier séparément basse fréquence (fréquence de la bande passante de x 2 <) et tolérance de gigue (fréquence de la bande passante de x 2 >) haute fréquence ou à large bande dans ces dispositifs. Aussi, l’article fournit un exemple d’application d’une horloge d’échantillonnage cycle-sautées très jittered simple et décrit une méthode pour générer une bonne horloge jittered à large bande. Le document continue ensuite à comparer la tolérance de gigue DAC audio de Maxim audio concurrent DACs. Tolérance de gigue exceptionnellement élevé de Maxim permet des implémentations d’horloge échantillon très simple et peu coûteuse.

Introduction:

Convertisseurs numérique-analogique audio de haute performance (DACs) exigent traditionnellement une horloge maître très propre échantillon (MCLK) afin d’éviter des dégradations de la qualité audio. Les sources d’horloge sont souvent dérivés directement des oscillateurs, qui produisent généralement moins de 100ps gigue. Dans certains systèmes, l’audio suréchantillonnage fréquence (généralement un multiple de 3,072 MHz ou 2.8224 MHz) n’est pas une fraction pratique de la fréquence de référence de crystal oscillator. Bien que ces systèmes peuvent implémenter un diviseur de N fractionnaire PLL pour créer la fréquence souhaitée de la MCLK audio, ces références de fréquence PLL ont habituellement plusieurs éperons de fréquence de référence et la gigue de basse fréquence importante. De plus, ces références de fréquence PLL souvent impossible d’obtenir la gigue suffisamment bas pour que l’application sans dépasser le nombre de broches désirée, une zone ou objectifs de consommation de puissance. Il y a, cependant, une solution au dilemme. Un audio DAC qui peut tolérer la gigue élevée permet une référence d’horloge d’échantillonnage plus simple à utiliser dans de tels systèmes.
Tolérance de gigue de compréhension

Gigue haute tolérance est importante parce qu’il :

Optimise la qualité du signal audio en présence de gigue
Réduit la complexité du système ou la nomenclature (BOM) grâce à l’utilisation des sources d’horloges de nervosité plus simples
Élimine le besoin d’une haute fréquence MCLK, réduisant ainsi la puissance et les interférences électromagnétiques (EMI)
Il n’existe actuellement aucune méthode standard pour évaluer la tolérance de gigue. L’analyseur audio Audio Precision 2700 (AP2700) peut créer une horloge jittered, mais il crée surtout basse fréquence gigue (principalement au-dessous de la fréquence d’échantillonnage de Nyquist) tel qu’illustré à la Figure 1.

La figure 1. Spectre d’une gigue 5ns « large bande » généré à partir d’un AP2700.
Configuration de Test de tolérance de gigue
Deux sources différentes d’horloge jittered ont servi à comparer la gigue sensibilité pour CED multiples. La première horloge de jittered était une horloge de cycle-sautées à 12.288MHz d’une référence de 25MHz. Cela a généré ~ 11ns de la gigue au-dessus de 40kHz et ~0.37ns d’une gigue au-dessous de 40kHz. Cette horloge a été créée à l’aide d’un ® de National Instruments PXI-5421 générateur de signaux arbitraires 100MHz (ARB) qui a été nourri le motif de l’horloge souhaitée.
Une deuxième horloge jittered était un wideband, blanc horloge jittered créé auprès de la CRÉF même. L’ARB a généré une vague de sinus 6,144 MHz avec bruit blanc ajouté, qui a été alors envoyés via un comparateur MAX999 pour créer une onde carrée horloge avec gigue wideband substantielle.
La gigue a été mesurée avec un oscilloscope de 1GHz 104MXI-a LeCroy WaveRunner ® à l’aide de la mesure de gigue de temps intervalle erreur (ex aequo). Les bords les deux fronts montants et descendants sont jittered dans les deux fichiers test.
L’horloge jittered wideband créé pour cette évaluation a un spectre de gigue (blanc) de vrai large bande qui est adapté pour évaluer la sensibilité à la gigue à large bande. Voir les Figures 2, 3 et 4. Ce spectre de gigue vraiment blanc est peu susceptible d’être trouvé dans une application réelle ; Cependant, c’est un bon test pour la tolérance de gigue, parce qu’il va découvrir les sensibilités pour une gigue dans n’importe quelle plage de fréquence particulière.

La figure 2. Spectre large bande 5.9ns RMS gigue blanc utilisé pour cette analyse.

La figure 3. Histogramme de 5.9ns wideband gigue.

La figure 4. Domaine d’application de la capture de horloge 3,072 MHz avec 5.9ns gigue large bande blanche.
L’horloge cycle-sautées utilisé pour cette étude est illustré à la Figure 5 et le spectre de la gigue de cette horloge est illustré à la Figure 6 et Figure 7. Ce test de cycle-sautées horloge montre qu’une horloge très facilement générée, extrêmement instable peut être tolérée par le CAD, sans une PLL. Seule une petite quantité de logique est requise pour passer les cycles d’horloge de toute référence de fréquence pour générer n’importe quel (basse fréquence) horloge d’échantillonnage. Il n’y a aucun filtrage ou rétroaction boucle requis pour ce type de génération d’horloge.

La figure 5. L’intrigue transitoire d’un à 12.288MHz MCLK d’une horloge de 25MHz cycle-sautées.

La figure 6. Spectre d’une gigue pour à 12.288MHz MCLK cycle-sauté de l’horloge de référence de 25MHz.

La figure 7. Spectre de gigue de basse fréquence pour une horloge de cycle-sautées.
Plusieurs pièces de Maxim, y compris les codecs audio (MAX98089 et MAX98096) et les amplificateurs de puissance MAX98355/MAX98356, bénéficient d’un DAC très tolérant à la gigue. Les dispositifs sont spécifiés à tolérer jusqu’à 0.5ns de gigue dans la bande de 0 à 40 kHz et 12ns de gigue au-dessus de 40 kHz. Avec cette quantité de gigue, ces pièces montrera les limites de performances induite par la gigue suivantes (avec aucun bruit de circuit inclus) :
-108 dB THD + N avec une tonalité de 1kHz à grande échelle
-96.5dB THD + N avec un ton de grande échelle 6 kHz
-87dB THD + N avec un signal à grande échelle de 20kHz
105 dB plage dynamique et rapport signal sur bruit (SNR)
Les résultats de performance THD + N ne sont affectés par la gigue de basse fréquence (< 40khz). alors Que la plage dynamique et SNR ne sont affectés par la gigue de haute fréquence (> 40kHz).
Figures 8, 9, 10 et 11 montrent les mesures de performance comment audio avec sources d’horloge très jittered pour comparer d’amplificateur de puissance de Maxim MAX98355 avec un groupe de DACs concurrentiels. Toutes ces pièces de concurrent à l’exception de 2 concurrents affirment qu’ils sont insensibles à la gigue d’horloge, mais ne fournissent pas une spécification de tolérance de gigue.

Résultats de Test de tolérance de gigue

La figure 8. Dégradation de la plage dynamique avec 11.5ns gigue d’horloge cycle-sautées RMS.
Notez que la plage dynamique de MAX98355 ne se dégrade pas avec l’horloge jittered cycle-sautées. Le MAX98355 surpasse ainsi le « 120dB CAD » de plus de 20 dB avec l’horloge jittered.

La figure 9. Dégradation de plage dynamique avec gigue blanc à large bande.
Les 3.5ns et les 5.9ns gigue pour jitter concurrent 3 ainsi que le 5.9ns pour 2 concurrents sont extrapolés parce que la partie réellement fonctionne correctement avec ces niveaux de gigue ; ils commencent à laisser tomber les morceaux et la plage de dynamique réelle mesurée est inférieure à illustré dans ce complot.

La figure 10. dégradation des performances 1kHz THD + N avec gigue d’horloge.

La figure 11. dégradation des performances 20kHz THD + N avec gigue d’horloge.
Conclusion
Cette note d’application a présenté une méthodologie pour le test de tolérance de gigue DAC audio. DAC audio réagissent différemment à la gigue dans les bandes de basse fréquence et haute fréquence, il contribue ainsi à spécifier séparément la tolérance à ces deux bandes du spectre de la gigue. CED qui tolèrent des niveaux élevés de gigue permettre des implémentations plus simples des horloges d’échantillonnage sans dégrader la qualité audio.

Nationales Instruments est une marque déposée de National Instruments Corporation.

WaveRunner est une marque déposée de LeCroy Corporation. Pièces relatives
MAX98095 Hub Audio avec le processeur FlexSound
MAX98096 Hub Audio avec le processeur large bande FlexSound D MAX98355A Amplificateurs de puissance Audio d’entrée classe PCM D MAX98355B Amplificateurs de puissance Audio d’entrée classe PCM MAX98356 PDM d’entrée classe D puissance Audio amplificateur

Tweet