il Clock
Da molti anni, ormai, si parla di jitter, spesso come causa principe dello scadente suono del digitale. Certamente, il jitter ha molte colpe, lo si è visto, ma non è l'unico responsabile. Su questo vogliamo essere subito chiari. Ad ogni modo, una volta compresa l'importanza del jitter, praticamente tutti i costruttori di apparecchiature digitali hanno tentato di minimizzare il fenomeno. Alcuni hanno posto in commercio generatori di clock molto stabili da sostituirsi agli originali, economici e scadenti. Una soluzione indubbiamente molto interessante, se non fosse per i costi, di norma non propriamente contenuti.
Il clock è il cuore di ogni apparecchiatura digitale, di
qualsiasi origine. Il circuito generatore del clock fornisce i
tempi ai circuiti. In un lettore CD, per esempio, li fornisce alla logica
di lettura (quindi a tutte le parti che la compongono), alla decodifica, alla
conversione, ecc.. Evidentemente, ogni instabilità del clock provoca la perdita
di dati (certi errori si possono correggere, altri No. Chi si appella alla
correzione dell'errore ha perso di vista alcuni dettagli…). Ma come viene
realizzato questo circuito generatore di clock? In linea di massima, è un
circuito molto semplice, diciamo il più semplice possibile, così da essere
anche molto economico. Nello standard del CD erano previsti due livelli di
accuratezza: quello migliore presumeva un’accuratezza di 50ppm (parti per
milione), l'altro ±1000ppm.
Il tipico circuito utilizzato è rappresentato in figura:
È molto semplice, composto di soli quattro componenti : un
quarzo della frequenza desiderata, una resistenza d’elevato valore, due
condensatori di piccola capacità, normalmente ceramici. Questo circuito viene
collegato ad un inverter CMOS e l'oscillatore è completo. Talvolta, viene
utilizzato uno degli inverter del diffuso ed economico 74HCU04, poiché di
solito molti inverter vengono usati nella logica (come switching e buffering) e
quando ne avanza uno (ve ne sono 6 all'interno) lo si usa per l'oscillatore.
Poiché il livello di trigger di ognuno di questi gate (inverter) è la metà
della tensione di alimentazione, la prima conseguenza è il trasferimento
direttamente all'ingresso dell'oscillatore della metà del rumore da
commutazione, rumore creato sulle linee di alimentazione dai gate stessi. Da
qui, la nascita di jitter. Molto spesso, grazie all'elevata integrazione,
l'oscillatore è integrato nel processore, come, ad esempio, i noti SAA7345,
SAA7220 o NPC SM5864; in questi casi, non vi sono solo 5 gate a creare problemi,
ma centinaia!
Vediamo meglio. L'uscita di un gate invertitore viene filtrata
dal cristallo (scelto opportunamente) e poi re-immessa all'ingresso del gate,
come onda sinusoidale shiftata. Supponiamo che l'ampiezza sia di 100mV.
L'oscillatore funziona, in maniera elettronicamente stabile (lasciamo perdere la
variazione nel tempo della frequenza di oscillazione). Se all'ingresso del gate
si trova anche un rumore analogico di 100mV (quindi 1000 volte più piccolo del
segnale), l'oscillatore comincia a non funzionare più molto bene, poiché
commuta in anticipo o in ritardo a seconda dei casi (quindi dell'andamento del
rumore). In questa situazione il rapporto S/N è di 40dB (o 1000 volte).
Supponiamo di avere una oscillazione a 16.9MHz. Supponiamo, anche, che vi sia un
sovracampionamento di 8 volte della frequenza standard di 44.1KHz: significa una
frequenza di lavoro di 352.8KHz, quindi 48 volte inferiore a quella di
oscillazione. Anche il livello di jitter è attenuato di 48 volte, cioè 33dB.
Se questo viene sommato ai precedenti, nel dominio del tempo abbiamo un S/N di
73dB. Non è molto, se pensiamo che un DAC potenzialmente ha 95/100dB. Ecco
spiegate diverse cose…
Il secondo problema deriva dal basso rise time che, in
combinazione col rumore dell'alimentazione, genera ancora jitter.
Insomma, il generatore di clock deve avere elevato rise time,
alta reiezione al rumore proveniente dall'alimentazione, elevatissima stabilità.
Ancora oggi, molti stimati costruttori, pur avendo ben colto
il problema, non hanno scelto strade adeguate per la riduzione del jitter,
sempre per ragioni economiche. Quando l'oscillatore non è realizzato come
descritto sopra, si usano circuiti a discreti non raffinati e comunque con
regolatori ad elevato rumore e cristalli non selezionati né della migliore
qualità disponibile.
a sinistra la forma d'onda di un clock normale, a destra la forma d'onda di un buon Masterclock
le fluttuazioni in ampiezza e frequenza sono di molto ridotte
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Il Mondo Reale
Prima di tutto la formula di conversione tra dB (decibel) e
percentuale (%) nella valutazione della distorsione armonica totale (THD):
Un convertitore di buon livello utilizza DAC da 20bit e
sovracampionamento di 8 volte. In teoria, un tale DAC è in grado di avere una
distorsione THD di:
Per problemi di accuratezza nel processo di produzione (nel
merito dei quali non entriamo), in realtà siamo intorno ai 100dB . Cosa sono
100dB?
Cioè 100.000 (centomila) livelli nel quale è suddivisa
l'ampiezza di uscita. Allora adesso valutiamo il livello di jitter tollerabile
da un siffatto DAC. Abbiamo supposto un sovracampionamento di 8 volte. Quindi,
la frequenza base di campionamento 44100Hz diventa 352800Hz, quella di
sovracampionamento, e fornisce una durata di ogni campionamento di 2,83µs.
Quindi, abbiamo supposto 100dB di S/N su un periodo di 2,83µs:
28 picosecondi sono davvero pochi. Ricordiamo ancora il
circuito normalmente usato (nel 99% dei casi):
Questo circuito fornisce un jitter tipico di 200/500ps. Come
abbiamo visto, ecco che il potenziale del DAC scende ad un reale 75/85dB. Sono
certo che i lettori abbiano associato questo enorme jitter a lettori di infima
qualità, quelli iper-economici, i portatili, i carstereo ecc. Purtroppo non è
così.
Nel 99% delle macchine fino ad una quindicina di milioni di
costo (!) si trova sempre lo stesso oscillatore, quello base. Un quarzo standard
da 30/50ppm, un gate 74HCU04 ed uno stabilizzatore 7805. Come unica variante, al
posto del circuito CMOS si può trovare un oscillatore a componenti discreti. La
strada è quella giusta ma l'errore si trova nella realizzazione: transistor con
banda limitata e quarzi ancora standard. Con alimentazioni immutate. Tutto per
ragioni di costo.
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mercoledì 02 luglio 2014