ЦАП начального уровня

Разработчик схемы отвечает на письма читателей и предлагает полностью реализовать преимущества балансного выхода.

После выхода первого номера «Практики AV» мы получили немыслимое количество откликов. Похоже, самый большой интерес вызвала статья «ЦАП начального уровня», поскольку в ней рассматривается базовая схема, предусматривающая массу вариантов дальнейшего усовершенствования. Чаще всего в письмах встречается просьба подробнее рассказать о правильной организации небалансного выхода при использовании однобитовых чипов, имеющих на выходе балансный сигнал. Многие интересуются, нужна ли дальнейшая аналоговая фильтрация, и если да, то какой крутизны должны быть фильтры. На эти и многие другие вопросы отвечает разработчик схемы.

Как уже указывалось в первой части нашей публикации (июнь 2001), практически все микросхемы однобитовых ЦАПов имеют балансный выход аналогового сигнала. Это связано с принципом работы таких чипов, в двух словах, заключающийся в весьма быстрой коммутации напряжения питания электронным ключом. При этом по цепям питания возникают помехи, от которых очень трудно избавиться, но при использовании балансного выхода они взаимно компенсируются. Так как все ЦАПы, выпускаемые различными производителями, имеют одни и те же внутренние проблемы, то и методы их решения у всех примерно одинаковые.

Балансный выход, раз он уже предлагается нам в готовом виде, по возможности желательно использовать в полной мере и дальше. Балансная схемотехника имеет ряд неоспоримых достоинств и огромное количество рьяных приверженцев. В самом деле, если у вас усилитель мощности двухтактный, то здесь открывается замечательная возможность упростить и одновременно поднять весь тракт на новый уровень. Фазоинвертор легко исключается из усилителя вообще, и сигнал на драйвер можно подавать напрямую, правда, через разделительные конденсаторы (второй выход ЦАПа подключается аналогично первому, см. схему в прошлом номере). Единственная сложность — правильная организация симметричной линии между блоками с регулировкой громкости, но результат того стоит. Достаточно сказать, что в подавляющем большинстве профессиональной техники используется балансный интерфейс связи (подробнее об этом см. на стр.8).

Однако массовая аппаратура имеет однотактные входы и выходы, о чем свидетельствуют разъемы RCA. Если же наш пытливый читатель является к тому же и приверженцем однотактных усилителей (как и автор этих строк), то наличие качественного блока преобразования балансного сигнала в небалансный становится животрепещущей необходимостью. Специализированные буферы и обычные операционные усилители автор отвергает как класс. Показанный в первой части статьи съем сигнала только с одного плеча балансной схемы годится лишь на первых порах, да и то в ознакомительных целях. Те, кто успел собрать приведенную схему — а судя по письмам, таких немало — скорее всего, заметили слабый шум, который хотя и не мешает наслаждаться музыкой, но все же не дает покоя настоящему самодельщику. Этот шум является именно той помехой, для борьбы с которой и применяется балансный выход сигнала. Попробуем с ней побороться и мы.

Вот не лишенная изящества схема, идеально подходящая для наших целей. К тому же она имеет еще некоторые преимущества, о которых мы расскажем ниже. Такой выход реализуется в однобитовом варианте DAC’а MARKAN, использующем также микросхему CS4390.

Сигналы AoutL+ и AoutL- являются выходными левого канала ЦАП, для правого канала нужно собрать аналогичную схему и подключить к выходам AoutR+ и AoutR-.

Трансформатор может быть любой микрофонный или так называемый линейный, имеющий балансную обмотку и способный работать с амплитудами сигнала до 2,5 В (указывается в его паспорте). При наличии определенных навыков такой транс можно намотать самому, а если лень — подобрать импортный из каталогов фирм, торгующих студийным оборудованием. Качество трансформатора имеет решающее влияние на звук, поэтому его выбору надо уделить особое внимание. Коэффициент трансформации желателен 1:1, хотя этот параметр не критичен.

Резистор R1 в первичной обмотке предназначен для ограничения постоянной составляющей тока, протекающей через нее и способной ввести сердечник в насыщение. Резистор R2 служит нагрузкой, и в общем случае от его величины зависит АЧХ трансформатора в звуковом диапазоне. Указанный номинал подходит в большинстве вариантов. Конденсатор C1 шунтирует резистор по переменной составляющей, его номинал определяет нижнюю граничную частоту пропускания каскада. Звуковые свойства конденсатора также важны (см. рекомендуемые типы в первой части статьи). Можно применить высококачественный электролитический конденсатор большей емкости, включенный плюсовым выводом к центральному выводу трансформатора.

Использование трансформатора в этой схеме имеет сразу несколько преимуществ по сравнению с традиционными решениями. Кроме достижения поставленной цели — преобразования балансного выхода в небалансный, он также осуществляет дополнительную фильтрацию аналогового сигнала и организует развязку последующих аналоговых каскадов от цифровых помех по общему проводу. Возможно, придется соединить общий провод, как показано пунктиром (не все звуковые тракты любят полную развязку, могут появиться слышимые помехи), но и в этом случае положительный эффект весьма ощутим. На ультразвуковых частотах трансформаторы с правильно подобранной нагрузкой работают как фильтры второго порядка, это самым что ни на есть естественным образом очищает выходной сигнал от остатков цифрового шума.

Так какой же порядок аналогового фильтра необходим? На этот вопрос, как всегда, нет однозначного ответа. Теоретически для достижения заявленного для формата CD отношения сигнал/шум 90 дБ нам необходим аналоговый фильтр как минимум восьмого порядка (см., например, «Analog Devices Application Note» №394). В реальной жизни они используются только в спецаппаратуре, но никак не в бытовой технике. Для нас фильтры высокого порядка неприемлемы по причине значительных фазовых искажений на краю частотного диапазона и сложных переходных процессов. В придачу они требуют очень точного подбора элементов, иначе вся их крутизна сводится на нет. Поэтому практически все производители цифровой техники решили положиться на замечательные способности человеческого уха, способного работать как естественный и эффективный фильтр. Аппаратная фильтрация обычно ограничивается третьим или четвертым порядком фильтра, чего на практике обычно более чем достаточно. Соотношение сигнал/шум всегда приводится «взвешенное», что ни у кого не вызывает недоверия. Основным критерием при выборе порядка аналогового фильтра для массовых производителей выступает отсутствие проблем, связанных с возможностью подключения таких изделий к усилителям или другим устройствам, имеющим глубокие обратные связи. Недостаточно отфильтрованные цифровые помехи в аналоговом сигнале иногда способны вывести такие устройства из равновесия, что, конечно же, нужно учитывать.

Экстремистски настроенные аудиофилы, очевидно, не имеют в своем тракте таких неустойчивых звеньев, и с их стороны все чаще раздаются призывы к использованию аналоговых фильтров первого порядка, практически не вносящих деградации в бесценный музыкальный сигнал. При построении DAC’а для личного пользования можно рекомендовать минимальный порядок, звучание которого будет оптимально в данной аудиосистеме. Мне кажется, что при отсутствии цифровой фильтрации и передискретизации (т.е. в случае мультибитового варианта нашей схемы) кроссовера первого порядка все-таки недостаточно. В DAC’ах MARKAN используется фильтр на LC-элементах третьего порядка, рассчитанный так, чтобы к тому же скомпенсировать естественный спад на краю ВЧ-диапазона. Он вызван падением тока ЦАПа, которое описывается формулой sinX/X, и на частоте 20 кГц составляет около 3 дБ. Но описание такого устройства выходит далеко за рамки подобной статьи.

В финале вернемся к нашим чипам. Микросхема CS4390 имеет встроенный аналоговый фильтр, что не только избавляет конструктора от многих проблем, но и ограничивает возможности творчества. А вот в мультибитовом варианте DAC’а на TDA1543 вам предоставляется полная свобода действий. Рекомендованный на схеме простейший фильтр первого порядка следует рассматривать как начальную точку в бесконечном стремлении к совершенству.

ПрактикаAV #2/2001