Migliorare le prestazioni dei convertitori audio

L’audio più moderno viene salvato in formati digitali come Pcm (Pulse Code Modulation) e MP3. Questi metodi offrono uno stoccaggio senza perdite, copie perfette senza degrado di qualità, salvataggi infiniti, flessibilità e compatibilità con altri sistemi digitali. Un convertitore Dac audio consente di convertire questi formati digitali nei segnali analogici necessari per azionare gli altoparlanti (casse), che emettono il suono partendo da onde analogiche. Gli amplificatori audio amplificano i suoni audio convertiti e gli altoparlanti li trasmettono all’ascoltatore.Il suono audio analogico trasmesso all’ascoltatore è il prodotto finale del sistema audio. La sua qualità dipende dall’intero sistema audio e comprende la qualità del codice digitale originale, il dispositivo Dac audio, gli amplificatori di potenza e gli altoparlanti o le cuffie. Limitatamente al Dac audio, le prestazioni dipendono dalla qualità del Dac stesso e da altri fattori esterni. I Dac audio ad alte prestazioni sono sensibili al rumore esterno che penetra nella banda audio durante il processo di conversione. Il rumore può provenire da un’ondulazione dell’alimentazione Ca, interferenze sulla radiofrequenza, rumore di commutazione e persino rumore termico degli altri componenti del circuito del sistema audio. Questo articola spiega come migliorare la qualità del rumore nella tensione di alimentazione del Dac al fine di migliorare le prestazioni di rumore del convertitore audio.

Specifiche delle prestazioni audio

Per definire la qualità del rumore di un sistema audio vengono misurate certe specifiche. La distorsione armonica totale o Thd misura la quantità di segnale indesiderato prodotta da un convertitore audio durante la riproduzione di un segnale audio. Sistemi come i convertitori audio sono dispositivi non ideali e non lineari con ingressi e uscite singole o multiple. Questi dispositivi producono sempre una qualche distorsione del segnale originale in ingresso. Tale distorsione si aggiunge solitamente alle armoniche del segnale originale in ingresso. La Thd indica quindi la quantità di distorsione del segnale originale ed è un buon parametro per misurare le prestazioni di qualsiasi Dac audio. Tuttavia, la sola Thd non tiene conto di altri rumori non correlati alla distorsione che incidono sul segnale di uscita prodotto dal Dac. Pertanto, la distorsione armonica totale viene unita al rumore per ottenere un altro parametro di misura, la specifica Thd +N. Thd +N quantifica con precisione tutto il rumore proveniente da un Dac e non legato al segnale in ingresso. Il rumore proviene da un’ondulazione CA dell’alimentazione, interferenze sulla radiofrequenza, rumore di commutazione, vibrazioni e persino rumore termico degli altri componenti del circuito del sistema audio. Il valore Thd +N viene utilizzato per specificare le prestazioni di un dispositivo Dac audio. Tuttavia, non è indicativo delle prestazioni di un Dac sull’intera banda di frequenze. Per analizzare la qualità di un segnale audio analogico sulla sua banda di frequenza è necessario un diagramma di analizzatore Fft. Questo tipo di analizzatore preleva il segnale di uscita audio analogico variabile nel tempo e lo converte nel corrispondente spettro di frequenze mediante tecniche di trasformata di Fourier veloce. Questa misura mostra le prestazioni di un convertitore audio sull’intera gamma di frequenze 1-20 kHz, evidenziando sia il rumore sia la distorsione armonica.

Influsso dell’alimentatore sulle prestazioni audio

La maggior parte delle applicazioni audio viene alimentata da un adattatore Ca provvisto di bus a 12 V. Il bus a 12 V deve essere convertito in 5 o 3,3 V, necessari per il convertitore Dac audio. Questa conversione può essere effettuata con un regolatore switching o lineare. I regolatori switching (a commutazione) vengono preferiti per la loro alta efficienza. L’efficienza tipica dell’80-95% riduce al minimo le perdite di potenza e il surriscaldamento del sistema. Tuttavia, questi dispositivi sono soggetti a rumore di commutazione e presentano una tensione di ondulazione Ca sovrapposta alla tensione di uscita Cc. Questi due effetti collaterali riducono le prestazioni di un Dac audio. Maggiori sono l’ondulazione Ca e il rumore dell’alimentazione, maggiore è l’impatto negativo sulla qualità del suono. Il rumore e l’ondulazione in ingresso possono penetrare nel circuito integrato stesso e incidere sulle prestazioni entrando nella banda audio durante il processo di conversione, interferendo con tensioni di bias interne, clock, oscillatori e così via. I disturbi possono anche essere accoppiati all’uscita attraverso la scheda. Vengono inoltre interessate le prestazioni dell’intero sistema audio, compresi gli amplificatori di potenza e gli altoparlanti. Il rumore dell’alimentatore determina così un degrado significativo della qualità del suono in uscita. Le prove vengono effettuate applicando sull’ingresso digitale del Dac un tono di test standard da 1 kHz. Le misure vengono rilevate con un analizzatore audio di precisione. Nell’esempio, il diagramma Fft del segnale di uscita audio analogico mostra una subordinazione fra i canali sinistro e destro, dovuta a differenze fra i livelli di rumore sui due canali. Il risultato Thd+N indica che un alimentatore rumoroso abbassa drasticamente la qualità del segnale audio in uscita. Isolando il rumore di commutazione e l’ondulazione dai canali di alimentazione del Dac, si ottengono prestazioni audio migliori. Aggiungendo un filtro all’uscita dello switcher si riduce una parte del rumore. Alcuni filtri sofisticati sono però soluzioni costose, complicate e ingombranti. Inoltre, la maggior parte dei filtri è soggetta a perdita di potenza, problemi di regolazione del carico e risposta ai transitori scadente. Convertendo il bus di ingresso da 12 a 3,3 V con un regolatore lineare (Ldo), si riducono drasticamente l’ondulazione e il rumore, migliorando le prestazioni audio. Gli svantaggi legati all’utilizzo di un Ldo sono la riduzione dell’efficienza e una maggiore dissipazione di potenza. Come nel test precedente, all’ingresso ottico del Dac viene applicato un segnale audio sinusoidale da 1 kHz. Mantenendo le stesse condizioni del test precedente ed effettuando la misura con la stessa apparecchiatura di precisione, si ottengono il risultato Fft e la misura Thd+N riportati di seguito. Utilizzando il canale di alimentazione più pulito di un Ldo, la qualità del suono migliora di quasi 8 dB. Inoltre, osservando il grafico dell’analizzatore di spettro Fft, si nota come il rumore di fondo sia drasticamente ridotto. Le armoniche sono facilmente distinguibili e dovute alle prestazioni del dispositivo. Su gran parte della larghezza di banda della frequenza, il rumore di fondo viene mantenuto al di sotto di -120 dBV invece di -110 dBV. Questo risultato conferma che l’utilizzo di un canale di alimentazione pulito su un convertitore audio ne migliora le prestazioni. La soluzione con alimentazione Ldo fornisce una tensione di uscita più pulita rispetto allo switcher, ma l’efficienza dei regolatori lineari è bassa e causa anche problemi termici nel sistema. Pertanto, la soluzione ideale è combinare l’alta efficienza dello switcher con l’uscita più pulita del regolatore lineare, ottenendo una soluzione efficiente e pulita. Ma, anche in questo caso, costi e ingombri devono essere contenuti nelle applicazioni in cui questi due elementi sono cruciali. Un convertitore switching con regolatore Ldo integrato come TPS54120 offre una soluzione idonea. Unendo il convertitore switching da 1A con un Ldo, si ottiene un’alimentazione pulita per il convertitore audio insieme a un’efficienza elevata. Inoltre, questa soluzione integrata offre costi più bassi e ingombri più ridotti. La risposta ai transitori di carico e linea è eccellente e il dispositivo offre un’ampia gamma di tensioni di ingresso in un package compatto, ideale per applicazioni audio in ambienti domestici. Sostituendo lo switcher della prima misura con il convertitore switching integrato con regolatore Ldo si ottiene una tensione di uscita più pulita. Sulla tensione di uscita non si osserva alcun rumore né ondulazione. Viene applicata una tensione di ingresso di 12 V e l’uscita viene regolata a 3,3 V. Le tensione di uscita viene misurata con un carico di 400 mA. Questa tensione è perfetta per l’alimentazione di sistemi audio completi, senza preoccuparsi del rumore e dell’ondulazione Ca dello switcher.

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