Diretamente da folha de dados: Este é realmente um circuito de filtro sensível?

O Cirrus Logic CS42426-CQZ é um CODEC de áudio que eu quero usar em uma placa de som USB personalizada. Você pode baixar a folha de dados a partir daí.

Na página 61, a folha de dados possui um circuito recomendado para cada canal A / D e D / A, mas não vejo o objetivo dessa complexidade. Claro, eles estão convertendo entre diferencial e single-ended, mas existem maneiras mais simples de fazer isso também.

Copiei o esquema para algum software de simulação de código aberto ( http://qucs.sourceforge.net/ ) e a resposta de frequência nem sequer corresponde ao objetivo declarado. Mas, pelo menos, a resposta audível é um pouco plana:

Entrada ADC: (Ok, então eles contam com o CMRR do próprio ADC como parte do filtro anti-aliasing. Não goste dessa ideia.)

Saída DAC:

Suponho que eles realmente levem a sério o uso desses circuitos em um aplicativo do mundo real, mas algo não parece certo. Como eu disse, a resposta audível é bastante plana, então provavelmente soará bem sem telefones celulares ou outros tipos de RF, mas acho que posso fazer melhor com os clássicos antigos do OpAmps 101. Vocês concordam?

Existe realmente uma boa razão para que um ADC de áudio suba de ganho nominal em 20kHz para um pico em 300kHz? Ou para o DAC fazer o mesmo de 20Hz a cerca de 0.5Hz?

Para completar, aqui estão os arquivos de simulação. Copie-os para arquivos de texto sem formatação, altere a extensão para .sch, se o seu sistema se importa, e abra-os no Qucs:

Entrada ADC:

<Qucs Schematic 0.0.18>
<Properties>
  <View=785,329,2079,1333,0.883466,0,0>
  <Grid=10,10,1>
  <DataSet=DiffAmpIn.dat>
  <DataDisplay=DiffAmpIn.dpl>
  <OpenDisplay=1>
  <Script=DiffAmpIn.m>
  <RunScript=0>
  <showFrame=0>
  <FrameText0=Title>
  <FrameText1=Drawn By:>
  <FrameText2=Date:>
  <FrameText3=Revision:>
</Properties>
<Symbol>
</Symbol>
<Components>
  <GND * 1 1120 480 0 0 0 0>
  <VProbe In 1 1110 460 28 -31 0 0>
  <GND * 1 940 640 0 0 0 0>
  <C C4 5 1010 520 -26 17 0 0 "100 uF" 1 "" 0 "neutral" 0>
  <GND * 1 1080 640 0 0 0 0>
  <R R18 5 1080 590 16 -10 0 3 "10 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <.DC DC1 5 930 700 0 41 0 0 "26.85" 0 "0.001" 0 "1 pA" 0 "1 uV" 0 "no" 0 "150" 0 "no" 0 "none" 0 "CroutLU" 0>
  <C C6 5 1230 420 -26 17 0 0 "470 pF" 1 "" 0 "neutral" 0>
  <R R23 5 1310 380 -9 10 0 2 "634 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <R R22 5 1350 500 -9 10 0 2 "91 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <OpAmp OP3 5 1230 500 -26 -42 1 0 "1e6" 0 "15 V" 0>
  <R R27 5 1300 570 16 -10 0 3 "634 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <C C8 5 1600 610 17 -26 0 1 "2700 pF" 1 "" 0 "neutral" 0>
  <Vac V1 5 940 590 18 -26 0 1 "1 V" 1 "1 kHz" 1 "0" 0 "0" 0>
  <C C7 5 1390 660 -26 17 0 0 "470 pF" 1 "" 0 "neutral" 0>
  <R R24 5 1470 620 -9 10 0 2 "634 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <R R25 5 1510 740 -9 10 0 2 "91 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <OpAmp OP4 5 1390 740 -26 -42 1 0 "1e6" 0 "15 V" 0>
  <GND * 1 1260 780 0 0 0 0>
  <R R26 5 1310 760 -9 10 0 2 "332 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <.AC AC1 5 930 750 0 41 0 0 "log" 1 "0.1 Hz" 1 "100 MHz" 1 "901" 1 "no" 0>
  <VProbe Diff 1 1820 610 -16 28 0 3>
  <GND * 1 1760 740 0 0 0 0>
  <VProbe Neg 1 1750 720 28 -31 0 0>
  <GND * 1 1760 500 0 0 0 0>
  <VProbe Pos 1 1750 480 28 -31 0 0>
</Components>
<Wires>
  <1080 480 1100 480 "" 0 0 0 "">
  <1080 480 1080 520 "" 0 0 0 "">
  <1040 520 1080 520 "" 0 0 0 "">
  <940 520 980 520 "" 0 0 0 "">
  <940 520 940 560 "" 0 0 0 "">
  <940 620 940 640 "" 0 0 0 "">
  <1080 620 1080 640 "" 0 0 0 "">
  <1080 520 1080 560 "" 0 0 0 "">
  <1080 520 1200 520 "" 0 0 0 "">
  <1300 420 1300 500 "" 0 0 0 "">
  <1260 420 1300 420 "" 0 0 0 "">
  <1180 420 1200 420 "" 0 0 0 "">
  <1300 500 1320 500 "" 0 0 0 "">
  <1380 500 1400 500 "" 0 0 0 "">
  <1180 380 1180 420 "" 0 0 0 "">
  <1180 380 1280 380 "" 0 0 0 "">
  <1400 380 1400 500 "" 0 0 0 "">
  <1340 380 1400 380 "" 0 0 0 "">
  <1270 500 1300 500 "" 0 0 0 "">
  <1180 420 1180 480 "" 0 0 0 "">
  <1180 480 1200 480 "" 0 0 0 "">
  <1300 500 1300 540 "" 0 0 0 "">
  <1400 500 1600 500 "" 0 0 0 "">
  <1600 500 1600 580 "" 0 0 0 "">
  <1600 640 1600 740 "" 0 0 0 "">
  <1300 600 1300 720 "" 0 0 0 "">
  <1460 660 1460 740 "" 0 0 0 "">
  <1420 660 1460 660 "" 0 0 0 "">
  <1340 660 1360 660 "" 0 0 0 "">
  <1460 740 1480 740 "" 0 0 0 "">
  <1340 620 1340 660 "" 0 0 0 "">
  <1340 620 1440 620 "" 0 0 0 "">
  <1500 620 1560 620 "" 0 0 0 "">
  <1540 740 1560 740 "" 0 0 0 "">
  <1560 740 1600 740 "" 0 0 0 "">
  <1560 620 1560 740 "" 0 0 0 "">
  <1430 740 1460 740 "" 0 0 0 "">
  <1340 660 1340 720 "" 0 0 0 "">
  <1340 720 1360 720 "" 0 0 0 "">
  <1260 760 1260 780 "" 0 0 0 "">
  <1260 760 1280 760 "" 0 0 0 "">
  <1340 760 1360 760 "" 0 0 0 "">
  <1300 720 1340 720 "" 0 0 0 "">
  <1600 740 1710 740 "" 0 0 0 "">
  <1710 740 1740 740 "" 0 0 0 "">
  <1710 620 1710 740 "" 0 0 0 "">
  <1710 620 1800 620 "" 0 0 0 "">
  <1600 500 1710 500 "" 0 0 0 "">
  <1710 500 1740 500 "" 0 0 0 "">
  <1710 500 1710 600 "" 0 0 0 "">
  <1710 600 1800 600 "" 0 0 0 "">
</Wires>
<Diagrams>
  <Rect 880 1239 498 359 3 #c0c0c0 1 10 1 0.1 1 1e+08 1 -0.540919 1 6 1 -1 0.5 1 315 0 225 "" "" "">
    <"In.v" #0000ff 0 3 0 0 0>
    <"Diff.v" #ff0000 0 3 0 0 0>
  </Rect>
  <Rect 1480 1239 498 359 3 #c0c0c0 1 10 1 0.1 1 1e+08 1 -1 0.5 1 1 -0.100118 1 4.34333 315 0 225 "" "" "">
    <"Pos.v" #0000ff 0 3 0 0 0>
    <"Neg.v" #ff0000 0 3 0 0 0>
  </Rect>
</Diagrams>
<Paintings>
</Paintings>

Saída DAC:

<Qucs Schematic 0.0.18>
<Properties>
  <View=-56,169,1878,1394,0.909091,0,88>
  <Grid=10,10,1>
  <DataSet=DiffAmpOut.dat>
  <DataDisplay=DiffAmpOut.dpl>
  <OpenDisplay=1>
  <Script=DiffAmpOut.m>
  <RunScript=0>
  <showFrame=0>
  <FrameText0=Title>
  <FrameText1=Drawn By:>
  <FrameText2=Date:>
  <FrameText3=Revision:>
</Properties>
<Symbol>
</Symbol>
<Components>
  <GND * 1 40 660 0 0 0 0>
  <IProbe Neg 1 370 500 -26 16 0 0>
  <IProbe Pos 1 370 620 -26 16 0 0>
  <R R16 5 250 620 -9 10 0 2 "0 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <R R17 5 250 500 -9 10 0 2 "0 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <GND * 1 460 560 0 0 0 0>
  <R R19 5 550 680 -9 10 0 2 "1.65 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <C C2 5 550 620 -26 17 0 0 "5800 pF" 1 "" 0 "neutral" 0>
  <R R21 5 730 680 -9 10 0 2 "1.87 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <R R23 5 730 620 -9 10 0 2 "887 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <R R18 5 550 440 -9 10 0 2 "5.49 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <C C1 5 550 500 -26 17 0 0 "1800 pF" 1 "" 0 "neutral" 0>
  <R R20 5 730 440 -9 10 0 2 "6.19 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <R R22 5 730 500 -9 10 0 2 "2.94 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <C C5 5 890 680 -26 17 0 0 "22 uF" 1 "" 0 "neutral" 0>
  <OpAmp OP1 5 870 560 -26 -42 1 0 "1e6" 0 "15 V" 0>
  <C C3 5 890 620 -26 17 0 0 "1200 pF" 1 "" 0 "neutral" 0>
  <C C4 5 890 500 -26 17 0 0 "390 pF" 1 "" 0 "neutral" 0>
  <GND * 1 960 700 0 0 0 0>
  <GND * 1 1320 560 0 0 0 0>
  <VProbe Out 1 1310 540 28 -31 0 0>
  <C C6 5 1090 560 -26 17 0 0 "22 uF" 1 "" 0 "neutral" 0>
  <R R24 5 1170 560 -9 10 0 2 "1 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <R R25 5 1260 630 19 -8 0 3 "47.5 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "US" 0>
  <GND * 1 1260 680 0 0 0 0>
  <GND * 1 1040 520 0 0 0 0>
  <VProbe Amp 1 1030 500 28 -31 0 0>
  <.DC DC1 5 30 730 0 39 0 0 "26.85" 0 "0.001" 0 "1 pA" 0 "1 uV" 0 "no" 0 "150" 0 "no" 0 "none" 0 "CroutLU" 0>
  <.AC AC1 5 30 780 0 39 0 0 "log" 1 "0.1 Hz" 1 "10 MHz" 1 "801" 1 "no" 0>
  <Vac V1 5 40 610 18 -26 0 1 "0 V" 1 "1 kHz" 1 "0" 0 "0" 0>
  <Vac V3 5 190 620 -26 18 0 0 "1 V" 1 "1 kHz" 1 "0" 0 "0" 0>
  <Vac V2 5 190 500 -26 -50 0 2 "1 V" 1 "1 kHz" 1 "0" 0 "0" 0>
</Components>
<Wires>
  <280 620 340 620 "" 0 0 0 "">
  <40 640 40 660 "" 0 0 0 "">
  <40 560 40 580 "" 0 0 0 "">
  <40 560 140 560 "" 0 0 0 "">
  <140 500 160 500 "" 0 0 0 "">
  <140 620 160 620 "" 0 0 0 "">
  <140 500 140 560 "" 0 0 0 "">
  <140 560 140 620 "" 0 0 0 "">
  <280 500 340 500 "" 0 0 0 "">
  <400 500 420 500 "" 0 0 0 "">
  <400 620 420 620 "" 0 0 0 "">
  <420 440 420 500 "" 0 0 0 "">
  <420 440 520 440 "" 0 0 0 "">
  <420 620 420 680 "" 0 0 0 "">
  <420 680 520 680 "" 0 0 0 "">
  <460 560 500 560 "" 0 0 0 "">
  <500 560 500 620 "" 0 0 0 "">
  <500 620 520 620 "" 0 0 0 "">
  <580 620 660 620 "" 0 0 0 "">
  <580 680 660 680 "" 0 0 0 "">
  <660 680 700 680 "" 0 0 0 "">
  <660 620 660 680 "" 0 0 0 "">
  <660 620 700 620 "" 0 0 0 "">
  <500 500 500 560 "" 0 0 0 "">
  <500 500 520 500 "" 0 0 0 "">
  <580 500 660 500 "" 0 0 0 "">
  <580 440 660 440 "" 0 0 0 "">
  <660 440 700 440 "" 0 0 0 "">
  <660 440 660 500 "" 0 0 0 "">
  <660 500 700 500 "" 0 0 0 "">
  <760 680 860 680 "" 0 0 0 "">
  <920 680 960 680 "" 0 0 0 "">
  <760 440 960 440 "" 0 0 0 "">
  <760 500 840 500 "" 0 0 0 "">
  <760 620 840 620 "" 0 0 0 "">
  <840 580 840 620 "" 0 0 0 "">
  <840 500 840 540 "" 0 0 0 "">
  <840 620 860 620 "" 0 0 0 "">
  <840 500 860 500 "" 0 0 0 "">
  <910 560 960 560 "" 0 0 0 "">
  <960 500 960 560 "" 0 0 0 "">
  <920 500 960 500 "" 0 0 0 "">
  <960 440 960 500 "" 0 0 0 "">
  <920 620 960 620 "" 0 0 0 "">
  <960 620 960 680 "" 0 0 0 "">
  <960 680 960 700 "" 0 0 0 "">
  <1120 560 1140 560 "" 0 0 0 "">
  <1200 560 1260 560 "" 0 0 0 "">
  <1260 560 1300 560 "" 0 0 0 "">
  <1260 560 1260 600 "" 0 0 0 "">
  <1260 660 1260 680 "" 0 0 0 "">
  <1000 520 1020 520 "" 0 0 0 "">
  <960 560 1000 560 "" 0 0 0 "">
  <1000 560 1060 560 "" 0 0 0 "">
  <1000 520 1000 560 "" 0 0 0 "">
</Wires>
<Diagrams>
  <Rect 300 1119 498 359 3 #c0c0c0 1 10 1 0.1 1 3e+06 1 -0.422698 1 4.66459 1 -1 0.5 1 315 0 225 "" "" "">
    <"Pos.i" #0000ff 0 3 0 0 0>
    <"Neg.i" #ff0000 0 3 0 0 0>
  </Rect>
  <Rect 880 1119 498 359 3 #c0c0c0 1 10 1 0.1 1 3e+06 1 -0.00012118 0.0002 0.00133304 1 -1 0.5 1 315 0 225 "" "" "">
    <"Amp.v" #0000ff 0 3 0 0 0>
    <"Out.v" #ff0000 0 3 0 0 0>
  </Rect>
</Diagrams>
<Paintings>
</Paintings>

Eu gosto dessa pergunta. É um exemplo tão bom de como os esquemas de folha de dados são ótimos para mostrar conceitos, mas não apenas para serem usados ​​como estão.

Observando a descrição do filtro, parece que os principais conceitos são: resposta plana na banda de passagem de áudio, baixa impedância de fonte às entradas ADC, operação centrada em torno de um VQ de 2,7V e atenuação de 20dB é adequado para anti-aliasing .

A tampa de 2700pF implica que o ADC é comutado pela entrada do capacitor, sem nenhum buffer. A 6MHz, são cerca de 10 Ohms de impedância de saída do filtro. Embora fosse fácil usar algo como um integrador com perdas para obter a atenuação e a centralização em torno do VQ, a impedância de saída seria maior.

O arranjo do amplificador, às vezes chamado de "compensação de carga no loop", é lidar com a carga capacitiva nos OpAmps. Compensações como essa têm um Q ajustável para que a transição para a rolagem possa ser muito mais nítida do que um simples RC. Geralmente, é necessária uma certa quantidade de ajuste para obter o nivelamento desejado. Nesse caso, parece que há um erro no esquema que causou o pico dos valores das peças.

Aqui está um esquema com designadores de referência:

Você pode ver onde acho que o esquema dá errado, com a conexão do R4. Mas, antes de entrar nisso, vamos ver como o circuito deve funcionar.

Com carga capacitiva, um OpAmp perderá a margem da fase. Um bom OpAmp normalmente terá cerca de 60 graus de margem de fase. Mas mesmo uma carga de 100pF pode fazer com que a margem da fase caia para 40 ou 45 graus, resultando em uma resposta de pico. A adição de R2, C2 e R3 permite que o amplificador mantenha a margem da fase com a carga. C2 reverte a largura de banda, aumentando a margem da fase. R3 ajuda a minimizar a perda de margem de fase com a adição de C4. O R2 fornece feedback de baixa frequência para corrigir qualquer erro de banda passante causado por R3.

A resposta do circuito pode ser ajustada ajustando o valor de C2. Aumentar C2 diminuirá o Q do filtro. Em frequências baixas, o loop de R2 domina, mas o loop C2 domina em frequências mais altas, onde a impedância de C2 é menor que R2 + R3. Então a queda através de R3 é descompensada e o sinal é atenuado por R3 C4 e eventual desenrolamento do amplificador.

Considere apenas a seção não inversora com amplificador ideal. Função de transferência, deixando de fora o zero de C1 R1 seria:

$\frac{\text{Vo}}{\text{Vin}}$$\frac{\text{C2} s (\text{R2}+\text{R3})+1}{\text{C2} \text{C4} \text{R2} \text{R3} s^2+s (\text{C2} \text{R2}+\text{C2} \text{R3})+1}$

$\omega _o$

$\frac{\text{R2} \text{R3} \sqrt{\text{C4} \left(\frac{1}{\text{R2}}+\frac{1}{\text{R3}}\right)}}{\sqrt{\text{C2}} (\text{R2}+\text{R3})^{3/2}}$

$\omega _o$$\frac{\sqrt{\frac{1}{\text{R2}}+\frac{1}{\text{R3}}}}{\sqrt{\text{C2} \text{C4} (\text{R2}+\text{R3})}}$

Como o amplificador ideal foi usado para tornar as coisas administráveis, Q vai para o infinito enquanto C2 chega a zero. Isso não será um problema, pois apenas nos preocupamos com frequências abaixo da largura de banda do amplificador. Com um amplificador real, Q cairia com o ganho do amplificador. Conectando valores para R2, R3 e C4, podemos plotar Q como uma função de C2.

Q diminui à medida que o valor de C2 aumenta. Se o amplificador estiver muito alto, basta aumentar C2 e achatar a resposta.

Agora, olhando a curva, parece que C2 de 470pF teria um Q de ~ 0,8. Essa seria uma resposta bastante simples. O que aconteceu?

Na folha de dados, a mostra esquemática R4 conectada à saída U1. Isso faz duas coisas ruins. Primeiro, depois de alguns problemas para compensar os efeitos de baixa frequência de R3 e R6, conectar R4 a U1 adiciona retorno R3. Se você observar a impedância de saída do filtro, verá que isso é verdade. Segundo, faz com que ocorra pico com C2 e C3 de 470pF (o pico de Q é de cerca de 300pF, mais ou menos do que o Q diminui). Se R4 estiver conectado ao nó com R2 R3 e C4, Q atuará conforme o esperado. Além disso, a impedância de saída do filtro permanecerá muito baixa através da banda passante de áudio, até o rolloff e seguir a impedância C4.

Na verdade, o Cirrus possui uma nota de aplicação que descreve a intenção dos circuitos: http://www.cirrus.com/en/pubs/appNote/an241-1.pdf

Pelas descrições nesse documento, você está certo de que os picos não deveriam estar lá.

Em geral, o modelo pode estar errado em dois lugares:

1. As características de entrada ADC e saída DAC não estão sendo modeladas. Os circuitos podem esperar uma certa fonte / carga.

2. O modelo de amplificador operacional usado pode não ser suficiente para este circuito. Eu descobri que alguns circuitos que saem além de 1 MHz precisam de um produto de ganho-BW maior do que os modelos genéricos típicos fornecem. A documentação da placa de avaliação deste ADC mostra-os usando este circuito com um amplificador operacional de 2068 que possui um produto de ganho de BW de 27 MHz.

EDIT: Depois de analisar mais profundamente, os valores exatos são usados ​​em seu painel de avaliação para esta parte. Portanto, minha recomendação é primeiro modelá-lo com a mesma peça que eles estão usando, o 2068. Esperamos que isso mostre a operação correta.

EDIT2: Corri o circuito ADC através do QUCS, e eles não têm modelos de especiarias adequados para amplificadores operacionais reais. O LT LT da Linear Technology é um ótimo simulador de especiarias gratuito. A execução do circuito por lá fornece uma boa resposta plana, como previsto. (Se você abrir esta foto em uma nova guia, ela será exibida para que você possa ver os detalhes).