2021年4月28日 星期三

音訊DAC技術指南:高階解碼晶片排名

音訊「解碼器」中最核心、重要的器件,無非就是「解碼」(DAC,數位類比轉換)晶片了,大家常常很關注音訊DAC晶片的選用,也熱衷於對其優劣的討論。

本文嘗試對當前最優秀的高階音訊DAC晶片的結構、技術和性能等做簡單介紹,作一個排名,以供大家參考。

儘管如此,任何一個優質的音訊DAC晶片(無關排名),都有可能被用來實現整機的好聲音。想必,我們要客觀地認識DAC晶片的重要性,更要客觀地認識晶片的整機配合的重要性。所以,本文並不提倡唯「芯」主義。

1. 音訊DAC晶片的類型

1970年代,開始有了單片積體電路(IC)的DAC,就算是開啟了DAC的晶片時代。而最早的DAC晶片是從使用加權電阻的結構,雙極電晶體的工藝(處理)技術開始的。

1975年的8bit DAC晶片DAC08,摘自 《The Data Conversion Handbook》, ANALOG DEVICES, 2005

1) 分壓式

在音訊應用,傳統的技術是使用分壓式結構的(R-2R是分壓式的一個特例),多位(並行輸入)的PCM(脈衝編碼調製)數據格式,為了改善精度和提高速度,降低功耗,工藝逐步採用互補雙極性電晶體、薄膜電阻加雷射矯正和現在的CMOS電路等。這類晶片中,著名的有如Burr-Brown公司(2000年被Texas Instruments收購)R-2R結構的幾款晶片:

PCM63:1998年推出,支援20bit/96kHz的PCM音訊信號,動態範圍108dB;

PCM1702:1995年推出,20bit,動態範圍110dB;

PCM1704:1999年推出,24bit,動態範圍112dB。

這些晶片都採用了一些特別手段來改善性能,如使用「符號量級(sign-magnitude)」架構在零位附近採用小的級差、互補的兩套DAC電路來產生絕對的電流,雷射矯正的電阻等措施,來減少過零失真和差分誤差。

R-2R DAC晶片PCM1704,摘自《PCM1704 24-Bit, Datasheet》,Burr-Brown Corporation, February, 1999

Philips半導體公司(2006年與Motorola半導體合併成立成為NXP半導體公司)還推出了的數位流(串行輸入)的DAC晶片如:

TDA1541/TDA1541A:16bit,推出時間分別為1985年和1991年,信噪比95dB和110dB,使用10位元+6位元的分壓器,其中低位6位元使用3個2位元進行輪換,實現動態元件適配(DEM)功能,來降低失真,TDA1541A按差分線性誤差從高到低還分為/N2/R1、/N2和/N2/S1的級別;

TDA1547:1991年推出,1位元(支援20位元PCM信號),信噪比113dB,動態範圍108dB,需與SAA7350數位流電路配合使用。分離晶片的布局和獨立聲道設計,有很好的聲道分離度(115dB),通過切換電容分壓網路來進行數位類比轉換,很適合當時的高階CD機等設備使用。

數位流DAC晶片TDA1547方塊圖,摘自《TDA1547 Datasheet》 Philips Semiconductors, September 1991

2) Sigma-Delta

性能更好(動態範圍更大、噪聲和失真更小)、數量更多的是,使用多位元Sigma-Delta調製器的,音訊DAC晶片。有名的有如:

美國Analog Devices(AD)公司的AD1955;美國Cirrus Logic(CL)公司的CS43xx系列,英國Wolfson半導體公司(2014年被Cirrus Logic收購)的WM87xx系列,美國Texas Instruments(TI)公司的PCM179x和DSD179x系列,美國ESS公司的SABRE SOUND技術品牌下的ES90xx和ES90xxPRO系列,日本Asahi Kasei Microdevices(AKM)公司,2007年的全球第一款32bit的AK4397,和之後VELVET SOUND技術品牌下的AK44xx系列,等等。

當下,ESS、AKM、Cirrus Logic、Texas Instrument等公司是目前高階音訊DAC晶片的主要供應廠商。

3) FPGA/CPLD

隨著晶片技術的進步,實現DAC功能的方法也有更多的選擇,FPGA(現場可程式化邏輯閘陣列)或CPLD(複雜可程式化邏輯裝置)可以用來按設計人的需要來實現DAC的功能。這類裝置的廠商主要是美國的Xilinx和Intel(被收購的Altera)公司。

主流晶片

由於技術的侷限,R-2R DAC晶片在性能上再提高有很大的困難,FPGA或CPLD來實現DAC技術細節不統一,而採用Sigma-Delta技術的晶片,由於動態範圍大、噪聲低、CMOS電路成本低且容易在晶片上增加其它處理功能等優勢,是目前音訊市場也是高階音訊市場的主流晶片。

2. 晶片構成

音訊DAC晶片的構成主要有以下幾種形態:

1) 基本DAC

音訊DAC晶片最基本的功能部件,是一個多路轉換器接收各種格式的音訊信號(DSD或PCM)、過採樣和數位濾波器、調製器和數位類比轉換輸出等。AKM公司的AK4499、AK4497和Texas Instruments公司DSD1794等晶片就是採用這樣的構成的,如下圖所示:

基本DAC晶片構成

這樣的晶片需要和外部的數位音訊接收晶片配合使用,才能接收如 S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface Format) / AES(美國音響工程協會) / EBU (歐洲廣播聯盟)等標準下的串行音訊數據。Cirrus Logic公司的CS8416就是一款典型的數位音訊接收晶片。

數位音訊接收晶片CS8416方塊圖,摘自《CS8416 Datasheet》,Cirrus Logic, Inc. AUGUST '07.

2) 帶數位音訊接收器的DAC

有的晶片會把數位音訊接收器集成到同一個DAC晶片中,如ESS的ES9038PRO、ES9028PRO等,集成了一個S/PDIF功能塊。這樣,採用更高程度SoC(單晶片系統)設計思路帶來的好處,不僅可以減少晶片數量、減少電路板的占用面積、減少外部干擾、減少耗電等,更重要的是,可以更方便地進行數據處理,來實現一些技術手段。

帶S/PDIF接收器的DAC晶片
S/PDIF數位音訊接收器設置比較

3) 獨立調製和獨立數位類比轉換

晶片如目前尚未上市的AKM的AK4191,是一個獨立的64位元調製器,支援DSD1024和高達1536kHz採樣頻率的PCM信號,與AK4498獨立數位類比轉換晶片組合使用,可以實現高密度的音訊播放。

4) 單晶片系統方案(SoC)

晶片如Cirrus Logic公司的CS43131、CS43198等,在基本DAC功能塊後,附帶了類比濾波器,可以直接輸出類比信號;如ESS公司的ES9219、ES9080,AKM的AK4377A等,附帶功率較大的類比放大器,可直接接入耳機;再如ESS的ES9038Q2M等,採用低功耗設計。SoC設計簡化整機組成和材料,體積減小,降低成本。這些晶片是以應用為導向的,比如面向行動電話或行動設備使用等。

3. 技術手段

目前高階音訊DAC晶片,幾乎都是使用了性能較好的多位Sigma-Delta調製器的,採用了如過採樣和數位濾波、噪聲整形、動態元件適配(DEM)等技術。除此以外,各廠商還開發出了各自的技術,來進一步提高晶片的整體性能。

1) 非同步採樣率轉換(ASRC)技術

常規晶片跟蹤音訊時鐘的方式是使用PLL(鎖相環)技術。下圖所示,是一個典型的PLL電路原理圖。PLL實質是一個反饋電路,用來跟蹤輸入信號的時鐘和變化。

常規PLL電路原理圖,摘自《CS8416 Datasheet》,Cirrus Logic, Inc. AUGUST '07.

通過仔細的設計和元器件的選擇,PLL可以實現很好的時鐘跟蹤的性能,並控制Jitter(時基抖動)在較小的水準。但是,PLL電路的性能容易受信號質量、傳送線路質量、器材、干擾和速度等因素的影響,在高速的狀態下性能受限制。

ESS公司使用了非同步採樣率轉換的技術,通過適當的計算,使DAC的時鐘與音訊信號時鐘保持一致但與暫態變化脫離,晶片使用本地產生的時鐘信號,DAC的Jitter僅取決於本地晶振的固有性能,實質性地消除Jitter的傳輸,降低對前端信號質量、連接線、器材等的要求。ESS公司Sabre DAC的SPDIF接口能夠達到很寬裕的Jitter容忍度。

Sabre DAC的Jitter消除電路原理圖,摘自《About Jitter》AMM ESS, October 2011;


晶片不同時鐘來源比較

2) HyperStream調製器

ESS公司的低階級聯的調製器,稱為HyperStream調製器,使調製深度接近100%,並且保持調製器穩定,從而降低Sigma-Delta DAC的暫態(頻域)非線性和噪聲。

3) 過採樣率倍增器(OSR Doubler)

Sigma-Delta DAC都採用過採樣技術來擴大動態範圍,再通過噪聲整形(Nosie Sharping)來降低音訊頻帶內噪聲。早期的DAC晶片的過採樣頻率還在較低的水準,如4~16倍的標準音訊採樣頻率,現在的晶片可以做到更高的頻率,來進一步提高DAC的性能。日本AKM公司,在數位濾波中採用過採樣率倍增器(OSR Doubler),來增加輸入信號的範圍、降低音訊帶內噪聲、同時降低功耗,其高階DAC晶片如AK4490等,過採樣倍數可達到256倍。

4) 分段DAC

按所處的位置和所起作用的不同,分段數位訊號高位元和低位元,再有目的地分別進行處理,可以提高DAC的性能。Texas Instruments在PCM179x和DSD179x系列等晶片中採用了這項技術,稱為「先進分段DAC」,來增加動態範圍和提高對Jitter的容忍度。

Texas Instruments的「先進分段DAC」原理圖,摘自《DSD1794A Datasheet》Texas Instruments, NOVEMBER 2006

5) 其它技術

為了儘可能地改善音訊DAC晶片的性能,廠商還會採取其它一些的技術,如:數據加權平均(DWA)、增益矯正和失真補償、基準參考電壓矯正、電流輸出、低輸出阻抗、差分互補輸出、外部數位濾波、低噪聲線性電源,等等。技術手段是多樣的,且有些技術還處於保密之中,因此也難以一一羅列和描述。

4. 高階音訊DAC晶片排名

動態範圍是音訊DAC有代表性的性能參數,以下就按此性能高低並結合其它因素,對最高階部分的音訊DAC晶片進行排名。

高階音訊DAC晶片排名:

註:動態範圍數據為各廠商公布的各對應晶片的最大值。排名未包括應用導向(如含有類比放大器SoC)、獨立調製器、獨立數位類比轉換器和停產的等晶片。

ESS公司的ES9038PRO作為目前為止行業內參數指標最高的晶片之一,晶片上集成了S/PDIF接口,通過採用採樣率的非同步轉換技術的Jitter消除電路,與前端傳輸Jitter去耦合,有很大的Jitter容忍度,HyperStream專利調製器能使Sigma-Delta調製器克服一些頻域暫態的非常線性,外加其它的一些技術,如失真矯正、8聲道可隨意切換的差分DAC、專用的超低噪聲線性電源(ES9311Q)等,作為性能最好的晶片,有許多的優勢。

ESS公司旗艦ES9038PRO方塊圖,摘自《SABRE PRO ES9038PRO Datasheet》,ESS March 5, 2019

AK4499,AKM公司的新旗艦,排列中引腳最多且價格最貴的晶片,動態範圍也達到了業內最高(與ES9038PRO平齊),但是沒有附帶SPDIF接口,所以如果在同等條件下考慮的話,綜合的性能指標,應該略低於單片的指標。另外AK4499為4聲道DAC,少於ES9038PRO;對DSD的支援最高為DSD512,也低於ES9038PRO的DSD1024。

引腳最多的AKM新旗艦AK4499,摘自《AK4499 Premium Switched Resistor 4ch DAC》, AsahiKASEI, 2019/02

ES9028PRO,與ES9038PRO幾乎是完全相同的晶片(包括功能和晶片包裝、引腳),只在兩處可以發現到差別:一是輸出阻抗大於ES9038PRO;二是動態範圍、失真和噪聲的指標低於ES9038PRO一個級別。綜合指標是否會高於同等條件下的AK4499(增加SPDIF接口等)尚沒有依據,略遜色於旗艦晶片。

ES9008、ES9018,也是32bit、8聲道的晶片,也採用了非同步採樣率轉換等技術,均為當時性能指標最高的晶片,但是ESS公司SABRE SOUND品牌下較早推出的晶片,使用的也是較早期的HyperStream調製技術,綜合性能在ES9028PRO之下。

AK4497是AKM公司的上一個旗艦晶片,有名望的晶片,2聲道DAC,各參數性能優秀,也支援32bit/768kHz和DSD512的音訊信號,指標略低於新旗艦AK4499。

曾經聲名大噪的1794(PCM1972、PCM1794、DSD1792、DSD1794),Texas Instruments(被收購的Burr-Brown,BB)公司最有名的晶片之一(系列),採用專有的ADVANCED SEGMENT(先進分段)調製技術。雖然推出時間比較早,但還是性能指標不低的晶片,不足之處是24bit的晶片,支援的採用頻率也有侷限。據此,可能應該向後排列,但如果對音樂信號位數(如32bit PCM)不是太刻意要求的話,還是很好的晶片。

CS4399和AD1955分別是Cirrus Logic和AnalogDevices公司最高階的音訊DAC晶片,AD1955時間較早但CS4399還是最近幾年的產品;WM8740、WM8741、WM8742是Wolfson半導體(屬於Cirrus Logic)公司的晶片,其中WM8741性能為最優;AKM公司的AK4490曾經是最暢銷的晶片,之後的替代產品AK4493和後來推出的其它型號的晶片有更好的性能;ESS公司的ES9026PRO、ES9016分別是定位低於對應的ES9038PRO和ES9018的產品,Sabre9006AS更是更早期晶片ES9006的替代品;PCM1795是Texas Instruments公司少數支援32bit的音訊DAC晶片,和PCM1796、PCM1798一樣,性能低於PCM1794系列,是比PCM1794、PCM1792級別稍低的產品。

排列稍靠後的晶片,基本上是各公司旗艦或最高階晶片之下,低一點級別的產品,或是時間較早的核心產品,性能指標不俗,與各旗艦相比,有較好的性價比。

再從另外的角度看一下排名情況。

按價格排名:

註:按當前官方銷售管道的各晶片銷售價格與其中最低價格相除得到價格指數。

按推出/上市時間排名:

註:以各廠商的官方商業文件和其它官方資料提供的信息作為時間依據;晶片WM8740/41/42的推出/上市時間尚不能確定。

5. 小結

ESS和AKM公司的晶片的推出時間較晚、技術較新,有較明顯的優勢。排名先後不等同於聲音的優劣,而且,每個人對聲音的評判會有自己的理解和標準。任何一款優秀的晶片都有可能帶來激動人心的好聲音;同樣,任何一款優秀的晶片,也都可能會受整機中其它部件的限制而發揮不出應有的性能,就比如120dB的動態範圍的來說,外圍電路要能夠實現這個性能也不是容易的。高階音訊DAC解碼晶片技術複雜、種類繁多,遺漏和差錯在所難免,歡迎指正、補充。

V2.0,2021年3月2日

參考資料:

1. The Data Conversion Handbook, ANALOG DEVICES, Walt Kester, Editor, ELSEVIER 2005;

2. Technical Details of the Sabre Audio DAC, Martin Mallinson and Dustin Forman, ESS Technology Technical Staff;

3. About Jitter:Digital Audio's weakest link, AMM ESS, October 2011;

4. TDA1541 Dual 16-bit DAC, Philips Semiconductors, November 1985;

5. TDA1541A Stereo high performance 16-bit DAC, Philips Semiconductors, February 1991;

6. TDA1547 Dual top-performance bitstream DAC, Philips Semiconductors, September 1991;

7. SAA7350 20-bit input bitstream conversion DAC for digital audio system, Philips Semiconductors, November 1991;

8. SABRE ES9008 Reference 8-Channel Audio DAC Datasheet, ESS TECHNOLOGY, INC., February 18, 2015;

9. SABRE ES9016 Ultra 32-bit 8-Channel Audio DAC Datasheet, ESS TECHNOLOGY, INC., May 8, 2015;

10. SABRE ES9018 Reference 32-bit Audio DAC Datasheet, ESS TECHNOLOGY, INC., May 8, 2015;

11. SABRE PRO ES9026PRO 32-Bit HyperStream II 8-Channel Audio DAC, ESS TECHNOLOGY, INC., May 5, 2019;

12. SABRE PRO ES9028PRO 32-Bit HyperStream II 8-Channel Audio DAC, ESS TECHNOLOGY, INC., July 6, 2020;

13. SABRE PRO ES9038PRO Flagship 32-Bit HyperStream II 8-Channel Audio DAC, ESS TECHNOLOGY, INC., March 5, 2019;

14. SABRE HIFI ES9038Q2M 32-Bit Stereo Low Power Audio DAC Datasheet, ESS TECHNOLOGY, INC., July 7, 2019;

15. SABRE HIFI ES9080 32-Bit High-Performance 8-Channel DAC Prodcut Brief, ESS TECHNOLOGY, INC., Dec 1, 2020;

16. SABRE HIFI ES9219 32-Bit Stereo Low Power DAC with Headphone Amplifier, Analog Volume Control, and Output Switch, ESS TECHNOLOGY, INC., February 27, 2020;

17. SABRE SABRE9006A Premier 8-Chnannel Audi DAC Datasheet, ESS TECHNOLOGY, INC., May 4, 2020;

18. AK4495S/95 Quality-oriented Premium 32-Bit 2ch DAC, AsahiKASEI, 2014/04;

19. = Preliminary = AK4191 Premium Digital ΔΣ Modulator, AsahiKASEI, 2020/02;

20. AK4377A Low-Power Advanced 32-bit DAC with HP, AsahiKASEI, 2018/02;

21. AK4490EN Premium 32-Bit 2ch DAC, AsahiKASEI, 2015/12;

22. AK4490 Premium 32-Bit 2ch DAC, AsahiKASEI, 2014/11;

23. AK4492 Quality Oriented 32-Bit 2ch DAC, AsahiKASEI, 2016/12;

24. AK4493 Quality Oriented 32-Bit 2ch DAC, AsahiKASEI, 2017/12;

25. AK4495S/95 Quality-oriented Premium 32-Bit 2ch DAC, AsahiKASEI, 2014/04;

26. AK4497 Quality Oriented 32-Bit 2ch DAC, AsahiKASEI, 2016/05;

27. AK4498 Quality Oriented Multi-bit Stereo DAC, AsahiKASEI, 2018/12;

28. AK4499 Premium Switched Resistor 4ch DAC, AsahiKASEI, 2019/02;

29. CS4398 120 dB, 192 kHz Multi-Bit DAC with Volume Control, Cirrus Logic, Inc. July 『05;

30. CS4399 130-dB, 32-Bit High-Performance DAC, Cirrus Logic, Inc. Dec 『16;

31. CS43131 130-dB, 32-Bit High-Performance DAC with Integrated Headphone Driver and Impedance Detection, Cirrus Logic, Inc. Oct 『17;

32. CS43198 130-dB, 32-Bit High-Performance DAC with Pseudodifferential Outputs, Cirrus Logic, Inc. Oct 『17;

33. WM 8740 24-bit, High Performance 192kHz Stereo DAC, WOLFSON MICROELECTRONICS LTD, July 2000;

34. WM 8741 24-bit 192kHz DAC with Advanced Digital Filtering, WOLFSON MICROELECTRONICS LTD, October 2007;

35. WM 8742 24-bit 192kHz DAC with Advanced Digital Filtering, WOLFSON MICROELECTRONICS LTD, February 2013;

36. PCM63P Colinear ™ 20-Bit Monolithic Audio DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTER, Burr-Brown Corporation, January, 1998;

37. PCM1702P PCM1702U BiCMOS Advanced Sign Magnitude 20-Bit DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTER, Burr-Brown Corporation, June, 1995;

38. PCM1704 24-Bit, 96kHz BiCMOS Sign-Magnitude DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTER,Burr-Brown Corporation, February, 1999;

39. PCM1794A 24-BIT, 192-kHz SAMPLING, ADVANCED SEGMENT, AUDIO STEREO DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTER, Texas Instruments, NOVEMBER 2006;

40. PCM1792A 24-BIT, 192-kHz SAMPLING, ADVANCED SEGMENT, AUDIO STEREO DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTER, Texas Instruments, NOVEMBER 2006;

41. PCM1795 32-Bit, 192-kHz Sampling, Advanced Segment, Stereo Audio Digital-to-Analog Converter, Texas Instruments, MARCH 2015;

42. PCM1796 24-BIT, 192-kHz SAMPLING, ADVANCED SEGMENT, AUDIO STEREO DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTER, Texas Instruments, NOVEMBER 2006;

43. PCM1798 24-Bit, 192-kHz Sampling, Advanced Segment, Audio Stereo Digital-to-Analog Converter, Texas Instruments, MARCH 2015;

44. DSD1792A 24-BIT, 192-kHz SAMPLING, ADVANCED SEGMENT, AUDIO STEREO DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTER, Texas Instruments, NOVEMBER 2006;

45. DSD1794A 24-BIT, 192-kHz SAMPLING, ADVANCED SEGMENT, AUDIO STEREO DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTER, Texas Instruments, NOVEMBER 2006;

46. DSD1796 24-BIT, 192-kHz SAMPLING, ADVANCED SEGMENT, AUDIO STEREO DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTER, Texas Instruments, NOVEMBER 2006;

47. AD1955 High Performance Multibit Σ-Δ DAC with SACD Playback, Analog Devices, Inc., 2002;

48. CS8416, 192kHz Digital Audio Interface Receiver, Cirrus Logic, AUGUST '07.


文章來源:每日頭條知乎 作者:非常何馬

沒有留言:

張貼留言