Purple DIY

Purple Clk MKI

Et hot emne blandt mange selvbyggere er for tiden er jitterfattige oscillatorer til anvendelse i CD afspillere og D/A konvertere. Efterhånden lader det til, at mange er hoppet med på vognen, og ihvertfald i Danmark lader det til, at mange er faldet for fristelsen og har købt f.eks. en Clock fra LC Audio. Fristelsen for at at købe en færdig clock kan man da forholde sig til; efterhånden er det svært at overse jublende udmeldinger forskellige steder fra på nettet over resultaterne af denne modifikation, men ærligt talt, har jeg svært ved at forholde mig til de priser, clock'erne efterhånden er røget op i. 1200 kr. for clocken alene (okt. 2003) er godtnok mange penge, specielt hvis man sammenligner med reel cost og kompleksitet (konkurrenterne koster endda endnu mere!).

Byg en selv! Det må da kunne lade sig gøre... Det er der selvfølgelig andre, der har gjort. Prøv evt. at søge på DIYaudio efter diagrammer. En fyr ved navn Elso Kwak har lavet en Kwak Clock, og diagrammet kan enten findes på siden, og kan altid fås pr. mail direkte fra Elso. Kwak Clock ser tiltalende ud rent diagrammæssigt, og flere, der har bygget den, har givet særdeles positive tilbagemeldinger, også efter sammenligning med LC clock samt andre af de færdige konkurrenter. Jeg har dog besluttet at bygge en selv til brug i min Purple DAC MKI.

Et par initielle overvejelser:

Den mest almindelige type krystaloscillator er af typen opbygget omkring en logik inverterkreds. I princippet kan denne type bygges med særdeles god performance såfremt strømforsyningen til oscillatoren samt logikkredsens inputtrin nærmer sig det ideelle. I praksis lider et sådant design af støj i form af ripple på forsyningsspændingen forårsaget af inverterens totempæl udgangstrin, og medfører fasestøj. Valget af oscillatortype er faldet på en collpits oscillator med analogt feedback. Ikke fordi collpitstypen i sig selv distancerer sig fra så mange andre typer, men da den kan opbygges særdeles simpelt, passede den til mine generelle designkrav. Oscillatoren svinger med en pæn sinus over krystallet, hvilket sammenholdt med rene sinusspændinger og -strømme i resten af oscillatoren giver udmærkede arbejdsbetingelser for krystallet.

Feedbacket, der netop sørger for at holde oscillatoren i gang har jeg i modsætning til de fleste andre oscillatorer på markedet valgt at lave som et komplementært invertertrin opbygget med fire transistorer. De fleste andre anvender en enkelt transistor, hvilket kan forsvares hvis en sådan kan betragtes som en ideel komponent. I praksis er der svært at lave denne konfiguration uden forvrængning fra selve inverteren, hvilket i princippet kan degradere oscillatorens performance. Det komplementære trin, der kører i klasse A (kan forsvares, da den afsatte effekt er begrænset) giver betydeligt mindre forvrængning, og da prisen på transistorer er til at overse, var valget ikke så svært.

Udgangsdelen består af en comperator, der sammenligner oscillatorens sinusformede udgangsspænding med en reference, har et firkant udgangssignal. Vigtigt er det, at denne har en vis hurtighed samt fornuftige common mode og gain data. Som udgangsbuffer kan anvendes en CMOS logikkreds samen med en seriemodstand til terminering af transmissionslinien fra clock'en til modtageren. Jeg selv anvender comperatorensoutput direkte, selvom dette kun er et TTL output, men niveauerne giver ikke noget problem i praksis, og flankerne er stejle nok, så jeg kan ikke se nogen grund til yderligere forurening af forsyningsspændningerne med f.eks. en AC CMOS kreds, som for mit eget vedkommende ville være overflødig.

Strømforsyningen er opbygget med henblik på bedst dynamisk performance. Det er set, at nogle opbygger en strømforsyning til f.eks. en clockgenerator som en shuntregulator uden nævneværdig afkobling af dennes udgang. Dette kan jeg ikke se som andet end en stor fejltagelse, da støj i et digitalt system kommer fra tilstandsskiftenes flanker, og det går stærkt. En aktiv regulator kan simpelthen (jeg har ihvertfald ikke set en eneste, der kan klare opgaven endnu) ikke opbygges med den fornødne hurtighed. Den eneste metode at få hastigheden er passiv, lokal, lavinduktiv afkobling.

Frame1


En hurtig beskrivelse af komponentvalg:

Krystallet skal naturligvis have den rette frekvens. Derudover er der ikke andre krav, glem alt om præcision, et std. krystal er typisk ca. 20-50ppm, hvilket vil sige en tolerance på 0,002-0,005%. At vælge f.eks. et 5ppm krystal eller bedre er mildest talt spild af penge, da afvigelsen er statisk. Der er heller ingen, der direkte kan se, om et ur går 1 sek. eller 1 min. forkert pr. måned. Standard eller dyrt krystal, de vil alle have samme svingningsnatur.

Transistorene er her vist som bipolære. I min egen 12MHz clock har jeg anvendt 2N2222/2N2907, som er switchtransistorer med ft på >200Mhz. Valget faldt på disse, da de var i skuffen. Som udgangspunkt kan et stort antal transistorer anvendes, de vigtigste krav er, at ft>>foscillator, samt fornuftige støjdata. Der er dog ingen grund til at være alt for hysterisk her, strømforsyningen spiller i sidste ende en større rolle for det færdige resultat. Andre clockkredsløb anvender FET transistorer, på grund af højfrekvensegenskaber samt inputimpedans. Bipolære transistorer vil selvfølgelig give dæmpning af krystallets svingning, men inputstrømmen i disse er ganske lille, når både hfe og ft er stor, og de to basisstrømme erstatter io praksis den dæmpemodstand, der normalt bruges, her mærket NC.

Komperatoren er valgt til en TL3016 fra TI. Alternativt kunne f.eks. en AD8611 fra Analog Devices vælges, denne har endda bedre data end TL3016, men igen, TL3016 lå i skuffen. Kravet til komperatoren er hastighed fremfor alt samt præcision. Begge de nævnte typer kan anvendes uden problemer op til 25MHz, skal det gå hurtigere, bliver TL3016 for langsom. Hvis større flankestejlhed samt bedre definition af spændingsniveauerne ønskes på outputtet, kan der f.eks. sættes en 74ACTXX logikkreds efter comperatoren.

Spændingsregulatoren er valgt til en standard 78L05 regulator. Der findes adskillige regulatorer på markedet med bedre støjdata, men med den efterfølgende filtrering af forsyningsspændingen, vil en dyrere type være aldeles overflødig. Da der er en betydelig kapacitet efter regulatores udgang, er der monteret en rygdiode for at beskytte regulatoren i tilfælde af, at inputforsyningen kortsluttes. Regulatoren kan f.eks. alternativt opbygges som en diskret serie eller shuntregulator (som f.eks. i LC Clock), men at opnå samme dynamisk performance for en sådan reglator, som med almindelig fornuftig filtrering, er noget, der ligner umuligt. Efter LC Audio's generelle information samt de diagrammer, jeg har set fra den side, tvivler jeg noget på deres resultat, hvis man laver et par målinger med den fornødne båndbredde.

Kondensatorne sidder ikke kun for sjov i kredsløbet. Da kredsløbet opererer med relativt høje frekvenser, er afkobling af stor betydning for ordentlig småsignalperformance. Støj på forsyningen vil kunne findes på invertertrinnets output, samt påvirke comperatoren, da denne har endelig PSRR. Det store problem i at kombinere hurtigt skiftende totempæle som i comperatoren (og evt. efterfølgende logikkreds) er, at strømtrækket i skifteøjeblikket er i størrelsesordenen 20-30mA/ns. Dette kræver særdeles lavinduktiv lokal spændingsafkobling for ikke at resultere i momentant spændingsdrop på forsyningen, som i bund og grund er støj. Alle de små kondensatorer i strømforsyningen (mærket 47n og 100n) bør være af lavinduktive typer som f.eks. 1206 eller 0805 keramiske SMD kondensatorer, f.eks. X7R. Andre værdier kan anvendes, den fysiske størrelse samt afstan til belastningen er af langt større betydning en kapaciteten, da disse lokalafkoblinger primært skal levere energien til selve skiftet. Flere parallelle kondensatorer kan evt. anvendes for at nedbringe induktionen yderligere. Den lokale afkobling skal bakkes op af nogle elektrolytkondensatorer eller tantaler. Kravet til disse er igen lav induktion, og f.eks. kan ZL eller ZA typer anbefales, evt. oscon hvis det skal være rigtig vildt (men måske kan pengene bruge bedre andetsteds). ZL og ZA typerne koster et par kr. stykket, og har virkelig god performance til prisen. Parallelkondensatorene til krystallet bør være af en type med et fornuftigt dielektrikum, her duer keramiske ikke, da disses eneste positive egenskab er hurtighed, på bekostning af lineariteten. Brug f.eks. NPO typer, hvis det skal være SMD.

Spolerne er valgt til std. printspoler viklet på en ferritkerne. Funktionen er at adskille oscillatoren fra komperatoren, og kravet er fornuftig induktion selv ved min. en decade over krystallets frekvens. De fleste typer klarer fint dette, så længe en ikke relativt lille værdi vælges. Anvendes en logikkreds som udgangsbuffer, kan man med fordel yderligere afkoble denne fra comperatoren med en ekstra spole.

Generelt, tænk lavinduktivt! Performance for en hurtig oscillator med logikudgangstrin er direkte proportional med strømforsyningens kvalitet, dvs. dens støj. Forsyningen vil kun være støjfri, hvis den kan levere den fornødne strøm hurtigt nok, dvs. induktionen mellem lokal afkobling og load skal holdes på et minimum, hvilket betyder korte afstande. En leder i fri luft har en induktion på ca. 1nH/mm, og selvom det er et lille tal, har det stor betydning ved de frekvenser, der her arbejdes med. Anvend så vidt som muligt SMD komponenter, ikke blot bliver induktionen holdt nede på grund af fysisk størrelse, et kompekat kredsløb modtager/afgiver også mindre støj fra/til omgivelserne på grund af, at de loops, der bliver i kredsløbet får en mindre størrelse. Modstanden i serie med det ene output anvendes som serieterminering af forbindelsen mellem komperator og modtager. Forbindelsen bør udføres som en transmissionslinie for at undgå støj i form af reflektioner. Denne kan f.eks. være en stump 50 eller 75Ohm kabel, eller to meget tynde ledninger snoet sammen. Typen, der anvendes til wire-wrap har f.eks. en karakteristik impedans på 110Ohm, når disse snoes sammen med god tæthed. Anvendes den direkte udgang, bør transmissionslinien termineres i modtageenden med en modstand af samme størrelse som den karakteristiske impedans, til stel. For at holde induktion nede, samt at mindske støjfølsomheden, bør anvendes stelplan så vidt muligt. Selve oscillatoren børhave sit eget stelplan, forbundet i et enkelt punkt, for at mindske stelsløjfer, så tæt på komperatorens input som muligt. Inputtet til inverteren bør nok ændres til at være AC koblet, f.eks. ved at indsætte en min. 1n kondansator af fornuftig kvalitet, f.eks. en NPO SMD type.

Printlayout følger måske en dag... Det skal dog bemærkes, at clocken er opbygget på print, og fungerer udmærket.



Kontakt mig hvis du har spørgsmål, kommentarer eller andet. Og vælger du at bygge Purple Clk selv, så giv mig venligst lidt feedback om resultatet.