Dac audio verso jitter

I convertitori digitale-analogico audio ad alte prestazioni richiedono tradizionalmente un master clock di campionamento molto pulito per evitare il degrado della qualità audio. Questi segnali di clock sono spesso derivati direttamente da oscillatori al quarzo, che tipicamente producono un jitter inferiore a 100 ps. In alcuni sistemi la frequenza di sovracampionamento audio (solitamente un multiplo di 3,072 MHz o 2,8224 MHz) non è una frazione “comoda” della frequenza di riferimento dell’oscillatore al quarzo. In questi casi a volte la frequenza Mclk (Masterclock) audio desiderata viene prodotta tramite un divisore Pll n-frazionario, ma solitamente i riferimenti di frequenza basati su Pll sono affetti da numerosi picchi e da un notevole jitter a bassa frequenza. Spesso, inoltre, i riferimenti di frequenza basati su Pll non sono in grado di raggiungere valori di jitter sufficientemente bassi senza violare i limiti prefissati in termini di numero di pin, area o consumo di energia. Esiste però una soluzione al dilemma. Un Dac audio capace di tollerare un jitter elevato consente di usare, in questi sistemi, un riferimento più semplice per il clock di campionamento. Un’elevata tolleranza al jitter è importante in numerose applicazioni audio perché:

- massimizza la qualità del segnale audio in presenza di jitter;
- riduce la complessità del sistema e la lista dei materiali, consentendo l’uso di sorgenti di clock più semplici e quindi affette da jitter;
- elimina la necessità di un Mclk ad alta frequenza, riducendo così i consumi e le interferenze elettromagnetiche.
Attualmente non esiste una metodologia standard per valutare la tolleranza al jitter. L’analizzatore audio 2700 di Audio Precision può generare un clock affetto da jitter, ma con uno spettro concentrato soprattutto alle basse frequenze (prevalentemente al di sotto della frequenza di campionamento audio di Nyquist), come illustrato in Fig. 1.

Configurazione di prova per la misura della tolleranza al jitter
Sono state usate due diverse sorgenti di clock affette da jitter, per confrontare la sensibilità di diversi Dac. Il primo dei due clock affetti da jitter, a 12,288 MHz, è stato generato con la modalità cycle-skipped a partire da un riferimento a 25 MHz. Tale modalità ha prodotto ~11 ns di jitter sopra i 40 kHz e ~0,37 ns di jitter sotto i 40 kHz. Questo primo clock è stato creato usando un generatore di forme d’onda arbitrarie National Instruments PXI-5421 100 MHz, al quale è stato fornito il pattern desiderato. Tramite lo stesso Arb è stato inoltre generato un secondo clock, affetto da jitter “bianco” a larga banda. Lo strumento è stato usato per produrre un’onda sinusoidale a 6,144 MHz con l’aggiunta di rumore bianco, che è stata poi inviata a un comparatore MAX999 per creare un clock a onda quadra con un notevole jitter a larga banda. Le misure del jitter sono state effettuate con un oscilloscopio LeCroy WaveRunner 104MXI-A da 1 GHz, usando l’impostazione Tie (Time interval error). Il jitter è stato applicato sia ai fronti di salita sia ai fronti di discesa, in entrambi i file di test. Il secondo dei clock citati è affetto da un jitter con uno spettro realmente a larga banda. Lo spettro di jitter “realmente bianco” è difficile da trovare nelle applicazioni reali, tuttavia è utile ai fini del test perché consente di determinare la sensibilità al jitter per ogni specifica gamma di frequenza. Questo test dimostra che il Dac è in grado di tollerare anche un clock affetto da un jitter molto elevato, generato in modo molto semplice senza l’impiego di un Pll. È infatti sufficiente un piccolo circuito logico per “saltare” cicli di clock e generare qualunque frequenza di campionamento partendo da qualunque sorgente di riferimento (purché la prima frequenza sia inferiore alla seconda). Questa modalità di generazione del clock non richiede alcun filtraggio né anelli di retroazione. Numerosi componenti di Maxim Integrated, tra cui il codec audio MAX98089 TINI, gli amplificatori di potenza MAX98355/MAX98356 e l’hub audio MAX98096, hanno il vantaggio di essere dotati di un Dac altamente tollerante al jitter. Questi dispositivi sono progettati per tollerare fino a 0,5 ns di jitter nella banda da 0 a 40 kHz e 12 ns di jitter oltre i 40 kHz. In queste condizioni limite, i prodotti citati offrono le seguenti prestazioni (senza considerare il rumore del circuito):
-108 dB THD+N con un tono di 1 kHz a fondo scala
-96.5dB THD+N con un tono di 6 kHz a fondo scala
-87dB THD+N con un tono di 20 kHz a fondo scala
105 dB di gamma dinamica e di rapporto segnale-rumore (signal-to-noise ratio, SNR)
Le prestazioni THD+N sono influenzate solo dal jitter a bassa frequenza (< 40 kHz), mentre la gamma dinamica e il Snr sono influenzati solo dal jitter ad alta frequenza (> 40 kHz).
Le Figg. 8, 9, 10 e 11 mostrano un confronto tra l’amplificatore di potenza MAX98355 e un gruppo di Dac concorrenti per quanto riguarda le prestazioni audio in presenza di sorgenti di clock fortemente affette da jitter. Tutti questi prodotti concorrenti, tranne il Competitor 2, dichiarano di essere insensibili al jitter del clock, ma non forniscono il relativo valore massimo di tolleranza.

Risultati del test sulla tolleranza al jitter
Si noti che la gamma dinamica di MAX98355 non subisce alcun degrado con il clock affetto da jitter del tipo cycle-skipped. In queste condizioni, pertanto, il MAX98355 supera di oltre 20 dB le prestazioni del “Dac da 120 dB”. Le prestazioni con jitter a 3,5 ns e 5,9 ns del Competitor 3 così come quelle con jitter di 5,9 ns del Competitor 2 sono state estrapolate, perché questi prodotti in realtà non funzionano correttamente a livelli di jitter così elevati; in quelle condizioni iniziano a perdere bit e la loro gamma dinamica effettiva misurata è inferiore a quanto mostrato in questo grafico.

Pubblica i tuoi commenti