В этой статье я попробую рассказать о том, как же на свет появился аудиотракт смартфона Highscreen Boost 3, который был представлен в сентябре и поступил в продажу в ноябре 2015 года. В интернете уже есть достаточно много обзоров и других материалов, посвященных данному смартфону, но очень часто информация, касающаяся разработки, далека от истины.



Пара слов о том, как вообще рождаются качественные решения в технике и откуда рождаются мифы о них. Представьте себе горную речку в ущелье, к которой вам нужно спуститься и набрать ведро воды. Ваша задача набрать ведро воды и подняться с ним наверх. Так вот итоговое качество – это то количество воды, которые вы сможете донести, не расплескав, по сложному пути, и то, как вы пройдете этот путь, влияет гораздо сильнее, и цена ошибки при этом гораздо выше, чем количество воды, которое вы зачерпнете в реке. Мифы – это продукт аналитических способностей человеческого мозга, который старается найти причинно-следственную связь между событиями, и, если не видит очевидной связи, то сам ее может додумать (Пошло племя на охоту, по пути вождь упал в грязь и весь измазался. Охота оказалась удачной, и начало все племя перед охотой грязью мазаться… Носили воду из ущелья разными ведрами, красным и зеленым. В среднем, те, кто носил красным, приносили больше. О! Значит, красное ведро лучше. Послушал некий индивид 2 устройства на ЦАПах XXX и YYY. Устройство на ЦАПе XXX понравилось больше, значит, ЦАП XXX лучше...) А на самом деле оказывается, что большинство водоносов с красным ведром шли более длинной, но гораздо более удобной тропинкой, а разработчик устройства на ЦАПе XXX учел все нюансы реализации.

Началось все в январе 2015 года с письма из компании “Вобис Компьютер” (торговая марка Highscreen) с предложением поучаствовать в разработке аудиочасти нового смартфона, потому что “… Мы также в нескольких своих моделях попробовали использовать Wolfson 8918, но быстро осознали, что мало понимаем в настоящем звуке...”.  Подумав, я согласился, озвучив свои условия. Видимо, мои условия оказались самыми вкусными для компании “Вобис”, потому что выбор пал на меня. Ну, а дальше, как говорится, понеслась…

Постановка задачи

В общем, как это обычно и бывает, все началось с простого слова “Хочу”. Хотелки изначально были выражены в виде примеров моделей смартфонов от других производителей, маркировок микросхем, в них применяемых, и желания сделать что-то похожее. Точнее, ориентир по звуку был Meizu MX 4 Pro и говорилось, что раскачивать 600-омные наушники напрямую не требуется. В итоге это сформулировалось как выбор элементной базы, разработка схемы на этой элементной базе с учетом ограничений, а далее шефская помощь друзьям из Highscreen в плане интеграции данного схемного решения в общую схему телефона.

Уместить весь аудиотракт нужно было на площади в 2 см2 при высоте компонентов не более 1 мм (как говорится, попробуйте туда конденсаторы Blackgate и микросхемы в DIP корпусах уместить).

Выбор элементной базы

Началось все с выбора ЦАПа. Многие наверняка думают, что ЦАПы выбираются по цифрам аудиохарактеристик, но суровая правда в отношении массовых портативных устройств на самом деле банальна: цена и энергопотребление.

Рассматривались ЦАПы от Cirrus Logic, Wolfson (сейчас это та же Cirrus) и ESS. В итоге выбор пал на ES9018K2M. Далее от ESS был получен референс дизайн для применения ES9018K2M в телефоне. Функционально он прост: это ЦАП, цепи его питания, генераторы, аналоговый тракт после ЦАПа и узел переключения музыкального и разговорного трактов. И вот тут начались первые сложности в разработке собственного тракта. Инженеры советовали выбрать легкий путь к совершенству, взять за основу уже существующий вариант, доработать и пустить в производство. Этот вариант пришлось сразу отодвинуть в сторону, ведь мы же делали настоящий музыкальный смартфон!

Референсный дизайн как сферический конь в вакууме, ни к чему не привязан, но зато там есть маркировки некоторых микросхем, например, аналоговый тракт после ЦАПа реализован на ОУ OPA1612 (надеюсь теперь всем понятно, откуда берется связка ES9018K2M и OPA1612 в портативных устройствах).

Операционный усилитель, на базе которого сделана аналоговая часть аудиотракта. Тут меня поджидала вторая проблема: слепая вера в цифры из даташитов, без вникания в условия, в которых они были получены. Да, OPA1612 хороший ОУ, только при работе на высокоомную нагрузку, которой наушники не являются, предложил ОУ ADA4897-2, который гораздо лучше работает с низкоомной нагрузкой и помимо этого имеет функцию отключения, которая нам пригодится в дальнейшем. На счет применения ADA4897-2 инженеры Highscreen даже проконсультировались с ESS Technology, откуда получили ответ, что, наверное работать будет, но так еще никто не делал (то, что сделали, можно купить в магазине и оценить самому). А если смотреть первые цифры в даташите по искажениям, то у OPA1612 они лучше, только получены они при напряжении питания ±15В, что в телефоне реализовать достаточно сложно.

Для питания ОУ изначально предлагалась микросхема от TI, которая формирует сразу 2 напряжения питания +5В и -5В. Выбирали скорее всего по цене и доступности, потому что максимальный ток для предлагаемого решения составлял всего 40 мА. То есть в каждом канале аудиотракта. даже если не считать токи потребления, амплитуда тока могла бы быть максимум 20 мА. Что, мягко говоря, недостаточно. В итоге остановились на решении, позволяющем обеспечить питание ± 5В с токами до 250 мА, то есть на 100 мА в каждом канале мы можем рассчитывать.

Генераторы для ЦАПа. В референсном дизайне их присутствует 2 штуки (для частот дискретизации кратных 44,1к и 48к), но поскольку процессор МТ6753 не может работать в режиме slave по интерфейсу I2S и в ЦАПах серии Sabre от ESS есть система ASRC (asynchronous sample rate converter), то решено было оставить только один генератор на частоту 49.152 МГц с низким фазовым шумом.

Линейные стабилизаторы для питания ЦАПа и генератора были оставлены без изменений, но был нюанс с их использованием.

Мультиплексор для переключения музыкального и разговорного трактов в итоге остался тот же, но применен он был иначе.

Нюансы схемотехники

Нюанс первый связан с питанием ЦАПа и генераторов. В референсном дизайне на них подается некоторое внешние питание от единственного имеющегося в телефоне источника, то есть от аккумулятора. Про ситуацию, когда аккумулятор разряжается и напряжение на входах линейных стабилизаторов становится меньше, чем должно быть на их выходах, в даташитах не пишут. Пришлось добавить промежуточный импульсный стабилизатор, обеспечивающий нормальную работу подсистемы питания ЦАПа при любом уровне разряда аккумулятора.

Большинство нюансов связано, конечно же, с аналоговой частью аудиотракта после ЦАПа. Данная часть схемы выполняет функции усиления и фильтрации ВЧ помех от ЦАПа. Обычно фильтр после ЦАПа настраивают на 30-40 кГц, мне было озвучено мнение, что, по данным от ESS, в их ЦАПах применяется супер-пупер система подавления помех, и до 400 кГц там ничего нет. Поэтому давайте настроим фильтр на эти самые 400 кГц. Аргументы о том, что реальный фильтр штука совсем не идеальная и имеет определенную крутизну спада, вследствие чего два фильтра второго порядка с частотами среза 40 и 400 кГц будут давить помеху на 500 кГц с разницей в 40 дБ, заставили инженеров Highscreen задуматься. В итоге сделали правильно.

Далее, зачем же нам была функция отключения в ОУ. Ломая копья в борьбе за доли процентов THD, указанные в даташитах на ОУ, многие разработчики зачастую без зазрения совести пускают сигнал с выхода ОУ через мультиплексор, искажения которого на пару порядков больше искажений ОУ (пламенный привет повторителям референсного дизайна от ESS в неизменном виде). Для того чтобы решить эту проблему, сигнал с выхода ОУ я пустил напрямую в обход мультиплексора, а для переключения трактов задействовал функцию отключения ОУ.

Дальше меня подстерегал сюрприз после озвучивания максимальной выходной мощности тракта, 100 мВт на нагрузке в 32 Ом. Цифра в общем-то смешная, но инженеры Highscreen хотели подстраховаться и решили, что наушники для смартфона могут сгореть при мощности более 10 мВт, и предложили снизить выходную мощность. Разумеется, нельзя просто вставить резистор между выходом ОУ и разъемом – представьте, во что превратилась бы АЧХ наушников со сложным импедансом, многодрайверной арматуры, например. Кроме того, необходимо было убедиться в разумном энергопотребление всего этого богатства. Именно поэтому в аппарате присутствует в три режима громкости в инженерном меню.

Нюансы практической реализации

Ну все, схему утрясли, вздохнули с облегчением, давайте делать. Ага, щаз…. Оказалось, что в нужный срок невозможно найти необходимое нам количество определённых номиналов резисторов и конденсаторов, которые применяются в фильтре после ЦАПа (там резисторы и конденсаторы качественные, не совсем массмаркет). Разумеется, замена одного номинала тянет за собой пересчёт всех остальных, поэтому пришлось составить табличку с взаимосвязями номиналов элементов в схеме, типа увеличиваешь тут в 2 раза, уменьшай в 2 раза вот тут. В итоге получил все доступные номиналы и на их основе пересчитал фильтр.

Далее разводка платы и первые образцы. Торопились и ошибались, конечно, сроки-то горят, смартфон обязательно должен был выйти в сентябре под запланированный рок-фестиваль… Новые версии плат производились крайне оперативно, благо скорость производства позволяет.

Итог

Что в итоге получилось, можно было увидеть, потрогать и послушать на презентации в сентябре, или сейчас в магазинах. Как говорилось в одном старом французском фильме: “Я старый солдат и не знаю слов любви...” повторю свои слова, которые сказал на презентации: “Можно много написать и рассказать, как звучит то или другое устройство, но Ваши собственные уши за минуту расскажут о его звуке гораздо больше”.

Желаю всем качественного звука в наушниках!

Автор текста: Михаил Орлов.