ЦАП начального уровня

Игорь ГУСЕВ, Андрей МАРКИТАНОВ

Гаврила был аудиофилом,
Гаврила ЦАПы создавал…

Действительно, почему бы нам не сделать ЦАП своими руками? Нужно ли это вообще? Конечно! Внешний конвертор пригодится, в первую очередь, владельцам CD-проигрывателей, выпущенных 5 — 10 лет назад. Техника цифровой обработки звука развивается бурными темпами, и идея оживить саунд старенького, но любимого аппарата с помощью внешнего ЦАПа представляется весьма заманчивой. Во-вторых, такое устройство может принести большую пользу тем, у кого есть недорогая модель, оснащенная цифровым выходом, — это шанс поднять его звучание на новый уровень.

Не секрет, что, создавая недорогой CD-проигрыватель, разработчик находится в жестких финансовых рамках: ему нужно и транспорт поприличнее выбрать, и оснастить новинку всяким сервисом по максимуму, вывести на переднюю панель побольше кнопок с многофункциональным индикатором и т.д., иначе по жестким законам рынка аппарат не будет продаваться. Через год, как правило, появится новый, который подчас ничем не лучше старого по звучанию (а зачастую и хуже), и так до бесконечности. А большинство крупных фирм обычно меняют весь модельный ряд каждую весну…

На качественный ЦАП и аналоговую часть схемы выделенных средств обычно не хватает, и многие производители на этом откровенно экономят. Из этого правила есть, правда, исключения, когда подобные решения принимаются намеренно, являясь элементом технической политики фирмы.

Например, хорошо известная нашим аудиофилам японская С.Е.С. ставит в свои модели CD2100 и CD3100 дорогой транспорт с большим количеством ручных регулировок, применяя при этом простенький ЦАП, явно по классу не соответствующий механике. Эти аппараты позиционируются фирмой как транспорт с контрольным аудиотрактом и изначально предназначены для работы с внешним конвертором. Несколько иная ситуация с проигрывателями ТЕАС VRDS 10 — 25. Устанавливая высококлассный привод и дорогие микросхемы ЦАП TDA1547 (DAC 7), инженеры почему-то решили сэкономить на выходных каскадах. Одна российская фирма, зная об этой особенности моделей, делает апгрейд, заменяя аналоговую часть схемы.

Об авторах

Андрей Маркитанов, инженер КБ звукотехники «Три В» из Таганрога. Разрабатывает и внедряет в производство ЦАПы под маркой «Markan», постоянный участник выставок «Российский Hi-End». Любит нестандартные решения, следит за аудиомодой, всегда в курсе последних достижений в области цифровой схемотехники. На память знает распиновку многих чипов Crystal, Burr-Brown и Philips.

Игорь Гусев — автор сериала «Электрический триллер», опубликованного в последних номерах «Салона AV». Специалист по защите цепей питания и аудиофил с инициативой.

Немного теории

Итак, решено — делаем ЦАП. Прежде чем мы начнем рассматривать схему, нелишне будет расшифровать некоторые общепринятые сокращения:

S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface Format) — стандарт на цифровую передачу звуковых данных между устройствами (асинхронный интерфейс с самосинхронизацией). Также существует оптический вариант TosLink (от слов Toshiba и Link). Таким интерфейсом оснащаются практически все модели недорогих CD-плейеров, но сейчас он считается устаревшим. Существуют более совершенные интерфейсы, применяемые в дорогих аппаратах, но мы пока о них говорить не будем.

DAC (ЦАП) — цифро-аналоговый преобразователь.

IIS (Inter IC Signal bus) — стандарт на синхронный интерфейс между элементами схемы в пределах одного устройства.

PLL (Phase Locked Loop, ФАПЧ) — система фазовой автоподстройки частоты.

Emphasis — предыскажения.

В настоящее время для формата CD Audio существует два совершенно различных способа цифро-аналогового преобразования: однобитовый и мультибитовый. Не вдаваясь в подробности каждого из них, отметим, что в подавляющем большинстве дорогих моделей DAC используется мультибитовое преобразование. Почему в дорогих? Для достойной реализации такого варианта требуется качественный многоканальный источник питания, сложная процедура настройки выходных фильтров, в некоторых моделях она выполняется вручную, а в развитых странах работа квалифицированного специалиста дешево стоить не может.

Однако однобитовые преобразователи также имеют немало поклонников, т.к. у них своеобразный характер подачи звука, некоторые особенности которого трудно достижимы с помощью существующей мультибитовой технологии. К ним можно отнести более высокую линейность однобитовых ЦАПов на малых уровнях сигнала, а следовательно — лучшую микродинамику, отчетливое детальное звучание. В свою очередь, аргументом сторонников мультибитовых ЦАПов является более сильное эмоциональное воздействие на слушателя, масштабность и открытость звука, отлично воспроизводятся т.н. «драйв» и «чес», что особо ценится любителями рока.

По идее, для безупречной работы однобитовых ЦАПов требуется очень высокая тактовая частота. В нашем случае, т.е. 16 бит и 44,1 кГц, она должна составлять около 2,9 ГГц, что является абсолютно неприемлемым значением с технической точки зрения. С помощью математических трюков и всевозможных пересчетов ее удается уменьшить до приемлемых значений в пределах нескольких десятков мегагерц. Видимо, этим и объясняются некоторые особенности звучания однобитовых ЦАПов. Так какой же лучше? Мы опишем оба варианта, а уж какой выбрать — решайте сами.

Главное, чем мы руководствовались при разработке схемы, — ее предельная простота, позволяющая понять идею и реализовать ее в конкретной конструкции даже не искушенному в цифровой технике аудиофилу. Тем не менее, описываемый ЦАП способен заметно облагородить звучание бюджетного аппарата, оснащенного коаксиальным цифровым выходом. Если ваш проигрыватель такового не имеет, то несложно будет организовать его самостоятельно. Для этого в большинстве случаев достаточно установить на задней стенке разъем RCA и подпаять его сигнальный лепесток к соответствующему месту на плате. Как правило, базовый вариант motherboard делается на несколько моделей сразу, только «набивается» по-разному, и на ней должно быть место для впайки гнезда цифрового выхода. Если это не так, придется искать схему аппарата — в авторизованных сервис-центрах, на радиорынках или в Интернете. В дальнейшем этот макет может послужить объектом приложения усилий для его дальнейшего улучшения и позволит, наконец, добиться «нежной дымки над чистым образом».

Практически все аппараты подобного назначения строятся на схожей элементной базе, выбор элементов для разработчика не так уж и широк. Из доступных в России назовем микросхемы Burr-Brown, Crystal Semiconductors, Analog Devices, Philips. Из приемников S/PDIF сигнала сейчас по приемлемым ценам более-менее доступны CS8412, CS8414, CS8420 от Crystal Semiconductors, DIR1700 от Burr-Brown, AD1892 от Analog Devices. Выбор самих ЦАПов несколько шире, но в нашем случае оптимальным представляется использование CS4328, CS4329, CS4390 с преобразованием дельта-сигма, они наиболее полно отвечают критерию качество/цена. Широко распространенные в High End мультибитовые чипы Burr-Brown РСМ63 стоимостью 96 долларов или более современные PCM1702 требуют еще и определенных типов цифровых фильтров, которые тоже недешевы.

Итак, выбираем продукцию Crystal Semiconductors, а документацию на микросхемы с подробным их описанием, распиновкой и таблицами состояний можно скачать с сайта www.crystal.com.

Переходим к схеме

Итак, остается вопрос: какую же схему выбрать? Как уже говорилось, она должна быть несложной, доступной для повторения и обладать достаточным потенциалом качества звучания. Также представляется обязательным наличие переключателя абсолютной фазы, что позволит лучше согласовать ЦАП с остальными элементами звукового тракта. Вот оптимальный, на наш взгляд, вариант: цифровой приемник CS8412 и однобитовый ЦАП CS4390 стоимостью около $7 за корпус (лучше постараться найти вариант DIP, это заметно облегчит монтаж). Этот ЦАП применяется в известной модели проигрывателя Meridian 508.24 и до сих пор у Crystal считается лучшим. В мультибитовом варианте используется чип Philips TDA1543. Схема однобитового преобразователя выглядит следующим образом:

Резисторы R1-R7 малогабаритные, любого типа, а вот R8 и R9 лучше взять серии ВС или импортные углеродистые. Электролитические конденсаторы С2, С4, С8, С9 должны быть номиналом не менее 1000 мкФ с рабочим напряжением 6,3 — 10 В. Конденсаторы С1, С3, С5, С6, С7 — керамические. С10, С11 желательно применить К40-У9 или МБГЧ (бумага в масле), но подойдут и пленочные К77, К71, К73 (перечислены в порядке уменьшения приоритета). Трансформатор Т1 — для цифрового аудио, достать его не проблема. Можно попробовать применить трансформатор от неисправной компьютерной сетевой платы. На схеме не показано подключение питания микросхемы U2, минус подается на 7-ю ножку, а плюс — на 14-ю.

Для максимального использования звукового потенциала схемы желательно придерживаться следующих правил монтажа. Все соединения к общему проводу (помечен значком GND) лучше произвести в одной точке, например, на выводе 7 микросхемы U2. Наибольшее внимание следует уделить входному узлу цифрового сигнала, который включает в себя входное гнездо, элементы С1, Т1, R2 и выводы 9,10 микросхемы U1.

Необходимо использовать максимально короткие соединения и выводы компонентов. То же самое относится к узлу, состоящему из элементов R5, C6 и выводов 20, 21 микросхемы U1. Электролитические конденсаторы с соответствующими керамическими шунтами должны быть установлены в непосредственной близости от выводов питания микросхем и соединены с ними проводниками минимальной длины. На схеме не показаны еще один электролит и керамический конденсатор, которые подключаются непосредственно на выводы питания 7 и 14 микросхемы U2. Необходимо также соединить между собой выводы 1, 2, 4, 5, 7, 9, 10 микросхемы U2.

Огромная емкость примененных электролитических конденсаторов и их большое количество по сравнению с рекомендованными для обычных цифровых схем обусловлено тем, что цифровое аудио и проблемы, с ним связанные, совсем другие. В описываемой схеме каждый электролитический конденсатор обеспечивает формирование как можно более крутого фронта сигнала, что напрямую связано с величиной джиттера, пагубно влияющего на звучание. Керамические шунты служат для «очистки» питания от ВЧ-помех и также для борьбы с джиттером. Качество конденсаторов, используемых для развязки по питанию в цифровой части подобных схем, очень сильно воздействует на звук всего устройства в целом. Для малой длительности фронта цифрового сигнала необходимо применять те, что имеют большую емкость и малое внутреннее сопротивление, обеспечивающее его скоростные свойства (например, танталовые). Подобные конденсаторы также дают хорошую фильтрацию по питанию. Но с другой стороны, совместно с паразитной индуктивностью монтажа они образуют колебательный контур, который «заводится» от импульсной помехи на частоте резонанса и формирует уже свои помехи, которые распределены по времени и по своей амплитуде могут превышать процесс, вызвавший эту помеху. И это все очень хорошо слышно! Для уменьшения добротности такого паразитного контура необходимо применять конденсаторы с более высоким внутренним сопротивлением, что идет в противоречие с вышеуказанными требованиями. Как всегда в аудиотехнике. оптимальное решение лежит где-то посередине, и его подчас трудно найти.

После приобретения некоторого опыта вы сможете на слух подбирать величину и тип электролитических и керамических конденсаторов, стоящих в цепях питания на каждом конкретном участке.

Теперь несколько слов о работе самой схемы. Светодиод D1 служит для индикации захвата цифровым приемником U1 сигнала с транспорта и наличия ошибок считывания. В процессе нормального воспроизведения он светиться не должен. Контакты S1 переключают абсолютную фазу сигнала на выходе, это аналогично изменению полярности акустических кабелей. Меняя фазировку, вы сможете заметить, как она влияет на звучание всего тракта. В ЦАПе имеется также схема коррекции де-эмфазиса (вывод 2/U3), и хотя дисков с пре-эмфазисом выпущено не много, такая функция может пригодиться.

Теперь о выходных цепях. Непосредственное подключение микросхемы ЦАП к выходу только через разделительные конденсаторы возможно, поскольку в микросхеме CS4390 уже есть встроенный аналоговый фильтр и даже выходной буфер. По аналогичному принципу построены чипы CS4329 и CS4327, хорошую аналоговую часть также имел ЦАП CS4328. Если вы знаете, как сделать качественные ФНЧ и согласующие каскады, стоит попробовать свои силы на великолепной микросхеме CS4303, которая на выходе имеет цифровой сигнал и дает возможность построения отлично звучащего аппарата, если, например, к ней подключить ламповый буфер с кенотронным питанием.

Но вернемся к нашей CS4390. Принцип построения однобитовых ЦАПов предполагает наличие во внутренних цепях питания значительных по амплитуде импульсных помех. Для уменьшения их влияния на выходной сигнал выход таких ЦАПов практически всегда делают по дифференциальной схеме. Нас же в данном случае не интересуют рекордные показатели по значению сигнал/шум, поэтому мы используем только один выход для каждого канала, что позволяет избежать применения дополнительных аналоговых каскадов, которые могут отрицательно повлиять на звук. Амплитуда сигнала на выходных гнездах вполне достаточна для нормальной работы, а встроенный буфер неплохо справляется с такой нагрузкой, как межблочный кабель и входное сопротивление усилителя.

Теперь поговорим о питании нашего устройства. Звук — это просто модулированный источник питания и ничего больше. Каково питание, таков и звук. Этому вопросу постараемся уделить особое внимание. Начальный вариант стабилизатора питания для нашего устройства показан на рис.2

Достоинства этой схемы — в простоте и понятности. При общем выпрямителе используются разные стабилизаторы для цифровой и аналоговой частей схемы — это обязательно. Между собой они развязаны по входу фильтром, состоящим из С1, L1, С2, С3. Вместо пятивольтовых стабилизаторов 7805 лучше поставить регулируемые LM317 с соответствующими резистивными делителями в цепи управляющего вывода. Расчет номиналов сопротивлений можно найти в любом справочнике по линейным микросхемам. LM317 по сравнению с 7805 имеют более широкий частотный диапазон (не забывайте, что по цепям питания у нас идет не только постоянный ток, но и широкополосный цифровой сигнал), меньшие внутренние шумы и более спокойную реакцию на импульсную нагрузку. Дело в том, что при появлении импульсной помехи (а их по питанию видимо-невидимо!) схема стабилизации, охваченная глубокой отрицательной обратной связью (она необходима для получения высокого коэффициента стабилизации и малого выходного сопротивления), пытается ее скомпенсировать. Как положено для схем с ООС, возникает затухающий колебательный процесс, на который накладываются вновь пришедшие помехи, и в результате выходное напряжение постоянно прыгает вверх-вниз. Отсюда следует, что для питания цифровых схем желательно использовать стабилизаторы на дискретных элементах, не содержащие ОС. Конечно, в таком случае выходное сопротивление источника будет значительно выше, поэтому вся ответственность за борьбу с импульсными помехами перекладывается на шунтирующие конденсаторы, которые с этой задачей справляются неплохо, и это благотворно сказывается на звучании. Кроме того, явно вырисовывается необходимость применения для каждого вывода питания цифровых микросхем отдельного стабилизатора вместе с элементами развязки по питанию (аналогично L1, С2, С3 на рис.2).

В ЦАПах Markan так и сделано, причем фильтр с дополнительным подавлением цифровых помех и выпрямитель работают от отдельной обмотки сетевого трансформатора, а для дополнительной развязки цифровой и аналоговой частей схемы даже используются разные трансформаторы. Так же делается и для дальнейшего усовершенствования нашего ЦАПа, хотя для начала можно использовать схему на рис.2, она обеспечит начальный уровень качества звучания. В выпрямителе лучше применять быстрые диоды Шоттки.

Мультибитовый вариант схемы

Обычно мультибитовые ЦАПы требуют для своей работы нескольких источников напряжения разной полярности и немалого количества дополнительных дискретных элементов. Среди большого разнообразия микросхем остановим свой выбор на Philips TDA1543. Этот ЦАП является «бюджетной» версией великолепной микросхемы TDA 1541, стоит копейки и доступен в розничной продаже у нас в стране.

Микросхема TDA 1541 применялась в CD-проигрывателе Arcam Alpha 5, в свое время собравшем множество призов, хотя его же сильно и ругали — допотопный ЦАП, сильные помехи, но ведь как звучит! Эта микросхема также до сих пор применяется в проигрывателях Naim. TDA1543 великолепно подходит для наших целей, т.к. для него необходим только один источник питания +5 В и он не требует дополнительных деталей. Отпаиваем CS4390 от цифрового приемника и на ее место подключаем TDA 1543 в соответствии со схемой на рис. 3.

Здесь необходимо дать несколько дополнительных разъяснений. Все мультибитовые ЦАПы имеют токовый выход, и для преобразования сигнала в напряжение существуют несколько схемотехнических решений. Наиболее распространенное — операционный усилитель, подключенный инвертирующим входом к выходу ЦАПа. Преобразование ток-напряжение осуществляется за счет ОС, его охватывающей. По теории он работает замечательно, и такой подход считается классическим — его можно встретить в рекомендованных вариантах включения любого мультибитового ЦАПа. Но если говорить о звучании, то тут все не так просто. Для реализации этого метода на практике требуются очень качественные ОУ с хорошими скоростными характеристиками, например AD811 или AD817, которые стоят более $5 за штуку. Поэтому в бюджетных конструкциях чаще поступают по-другому: просто подключают к выходу ЦАПа обычный резистор, и ток, проходя по нему, будет создавать падение напряжения, т.е. полноценный сигнал. Величина этого напряжения будет прямо пропорциональна величине резистора и току, через него протекающему. Несмотря на кажущуюся простоту и изящество этого метода, он пока не получил широкого применения у производителей дорогой аппаратуры, т.к. также имеет множество подводных камней. Главная проблема в том, что токовый выход ЦАПов не предусматривает наличия напряжения на нем и обычно защищен диодами, включенными встречно-параллельно и вносящими значительные искажения в получаемый на резисторе сигнал. Среди известных производителей, которые все-таки решились на такой метод, следует выделить фирму Kondo, которая в своем M-100DAC ставит резистор, намотанный серебряной проволокой. Очевидно, что он имеет очень маленькое сопротивление и амплитуда выходного сигнала также очень мала. Для получения стандартной амплитуды используется несколько ламповых каскадов усиления. Еще одной известной фирмой с нетрадиционным подходом к вопросу преобразования ток-напряжение, является Audio Note. В своих ЦАПах она применяет для этих целей трансформатор, в котором ток, проходящий через первичную обмотку, вызывает магнитный поток, приводящий к появлению на вторичной обмотке напряжения сигнала. Такой же принцип реализован в некоторых ЦАПах серии «Markan».

Но вернемся к TDA 1543. Похоже, что разработчики этой микросхемы по каким-то причинам не установили защитные диоды на выходе. Это открывает перспективу для использования резисторного преобразователя ток-напряжение. Сопротивления R2 и R4 на рис. 3 — как раз для этого. При указанных номиналах амплитуда выходного сигнала составляет около 1 В, чего вполне достаточно для непосредственного подключения ЦАПа к усилителю мощности. Следует отметить, что нагрузочная способность нашей схемы не очень велика и при неблагоприятных условиях (большая емкость межблочного кабеля, малое входное сопротивление усилителя мощности и др.) звучание может быть слегка зажатым по динамике и «размазанным». В этом случае поможет выходной буфер, схему и конструкцию которого вы можете выбрать из множества существующих вариантов. Может случиться, что в некоторых выпускаемых вариантах микросхемы TDA 1543 защитные диоды все-таки установлены (хотя в спецификациях таких сведений нет, и конкретные экземпляры нам также не попадались). В этом случае удастся снять с нее сигнал амплитудой не более 0,2 В, и придется использовать выходной усилитель. Для этого необходимо в 5 раз уменьшить номинал резисторов R2 и R4. Конденсаторы С2 и С4 на рис. 3 образуют фильтр первого порядка, устраняющий ВЧ-помехи из аналогового сигнала и формирующий нужную АЧХ в верхней части диапазона.

Во многих конструкциях ЦАПов используются цифровые фильтры, что значительно облегчает задачу разработчику при проектировании аналоговой части, но при этом на ЦФ ложится большая часть ответственности за конечное звучание аппарата. В последнее время от них стали отказываться, поскольку грамотный аналоговый фильтр эффективно подавляет ВЧ-шумы и не так пагубно влияет на музыкальность. Именно так сделано в ЦАПах «Markan», в которых используется обычный фильтр третьего порядка с линейной фазовой характеристикой, выполненный на LC-элементах. В нашей схеме на рис. 3 для простоты применен аналоговый фильтр первого порядка, которого в большинстве случаев вполне достаточно, особенно если вы используете ламповый усилитель мощности, да еще и без обратных связей. Если же у вас аппаратура транзисторная, то вполне возможно, что придется увеличить порядок фильтра (однако не переусердствуйте, слишком крутая схема обязательно ухудшит звучание). Соответствующие схемы и формулы для расчета вы найдете в любом приличном радиолюбительском справочнике.

Обратите внимание, что резисторы R2, R4 и конденсаторы C2, C4 находятся именно в том месте, где зарождается аналоговый звук. High End начинается именно отсюда и, что называется, «далее везде». От качества этих элементов (особенно от резисторов) в огромной степени будет зависеть звучание всего аппарата. Резисторы необходимо ставить углеродистые ВС, УЛИ или бороуглеродистые БЛП (предварительно подобрав их по одинаковости сопротивлений с помощью омметра), применение импортной экзотики также приветствуется. Конденсаторы допустимы любого типа из указанных выше. Все соединения должны быть минимальной длины. Разумеется, качественные выходные разъемы также необходимы.

Что же у нас получилось?

Я раньше скверно пел куплеты,
хрипел, орал и врал мотив…

(Дж. К. Джером, «Трое в лодке,
не считая собаки»)

Не поленюсь напомнить, что перед первым включением устройства необходимо тщательно проверить весь монтаж. Регулятор громкости усилителя при этом нужно устанавливать в минимальное положение и плавно увеличивать громкость, если помехи, свист и фон на выходе отсутствуют. Будьте внимательны и аккуратны!

В целом для однобитовых ЦАПов характерно очень мягкое, приятное звучание, с обилием тонких деталей. Кажется, что весь свой звуковой потенциал они бросают на помощь солисту, оттесняя других участников музыкального произведения куда-то на задний план. Большие оркестры несколько «уменьшаются» по составу музыкантов, страдают мощь и масштабность их звучания. Мультибитовые ЦАПы уделяют одинаковое внимание всем участникам музыкального действия, не отдаляя и не выделяя никого из них. Динамический диапазон шире, звучание более ровное, но в то же время несколько более отстраненное.

Например, при воспроизведении через мультибитовый ЦАП хорошо известной песни «I Put A Spell on You» в исполнении Creedence Clearwater Revival великолепно передается ее энергетика, мощный поток эмоций просто завораживает, становится понятным замысел ее создателей, мы остро чувствуем, что они хотели нам сказать. Мелкие детали несколько смазаны, но на фоне описанных выше доминирующих характеристик такой подачи звука это не кажется серьезным недостатком. При воспроизведении этой же песни через однобитовый ЦАП картина несколько иная: звучание не столь масштабно, сцена несколько отодвинута назад, зато отлично слышны подробности звукоизвлечения, мелкие штрихи. Хорошо передается момент, когда музыкант приближает гитару к комбику, добиваясь легкого самовозбуждения усилителя. Зато при прослушивании Элвиса Пресли великолепно раскрывается все богатство его голоса. Хорошо заметно, как он менялся с возрастом, эмоциональное воздействие на слушателя также сильно, а несколько отодвинутый на задний план аккомпанемент органично вписывается в общую картину.

Так что выбор типа ЦАПа остается за вами, у обоих вариантов есть как сильные, так и слабые стороны, истина, разумеется, лежит где-то посередине. Несмотря на простоту, звуковой потенциал описанных схем достаточно высок, и при творческом выполнении приведенных рекомендаций конечные результаты вас разочаровать не должны. Желаем успеха!

На вопросы отвечает разработчик схемы

Практика AV #1/2001