Доработка внешнего ЦАП Musical Fidelity M1 DAC. 

Превратности выбора

Когда возникла потребность во внешнем ЦАП, естественно встал вопрос выбора. Разнообразие предложений и диапазон стоимости поражал. Довольно простое устройство, отсутствует какие-либо механические узлы, с реализацией всей схемы в большинстве случаев на одной плате приводило к разбросу стоимости от $100 до $10,000. При этом себестоимость оформления корпусов явно не тянула на такие суммы. Т.е. цена вся вложена в электронику? Или в маркетинг? (Маркетинг – это общепринятый способ безнаказанного публичного обмана)

Но даже если вся схема будет напичкана еще доступными дорогими параллельными ЦАП с ЦФ, например РСМ1704 с DF1706 и ОУ AD8620, дотянуть до высот в несколько тысяч долларов на одной плате в утилитарном корпусе достаточно сложно. Т.е., значит во всем этом очень много маркетинга. И вот тогда выбор устройства должен быть подчинен соответствию четким критериям/требованиям:

- Наличие пересинхронизации или upsampling’а и высококачественного генератора с малым фазовым шумом

- В основе схемы ысококачественная микросхема ЦАП с динамическим диапазоном не хуже 115dB и THD+N не выше 0.001%

- Наличие входов SPDIF, TOSLINK и USB с верхними рабочими частотами сэмплирования не менее 96кГц.

- Желателен моно-режим ЦАП для лучшего разделения каналов и получения максимально возможных параметров качества.

- Ну, и цена должна быть адекватной содержимому.

С последним критерием не все на первый взгляд так однозначно - у каждого свой порог чуствительности, основанный больше на представлениях добре и зле :-). Понимание предела разумности каждый формирует самостоятельно.

Все это должно было дать хорошую платформу для последующей модернизации ЦАП.

В результате, осознанный выбор был сделан в пользу Musical Fidelity M1 DAC на основании очень хороших результатов тестирования обновленной версии устройства (http://www.stereophile.com/content/musical-fidelity-m1-dac-john-atkinson-january-2013), upsampling'у до 192кГц на достаточно современной микросхеме SRC4392, и в немалой степени вот этой фразе с сайта производителя: “At the heart of the M1 DAC is a pair of Texas Instruments Burr-Brown DSD1796 DAC chips in dual-differential mode,…” (http://www.musicalfidelity.com/m1dac/), из которой можно было сделать предположение, что в ЦАП установлена пара микросхем DSD1796, работающих в моно режиме. Несмотря на то, что фотографии содержимого блока М1 DAC показывали наличие только одного чипа DSD1796, но существовала тайная надежда, что на обратной стороне платы тоже стоит такой же чип.:

Что же оказалось на самом деле?

…Не случилось. Обратная сторона платы оказалась девственно чиста от каких-либо элементов. Чип DSD1796 присутствует в единственном экземпляре и, соответственно, работает в стандартном стерео режиме. Однако это обстоятельство не так уж удручающе, т.к. в моно режиме ЦАП с довольно сильноточным выходом может вызвать проблемы с линейностью последующих каскадов схемы. Наличие именно DSD1796, а не DSD1792 может оказаться даже преимуществом, т.к. микросхема ЦАП работает с фиксированным входным потоком 192KHz, а на такой частоте сэмплирования ее искажения меньше, чем у DSD1792/DSD1794:

   

                      График для DSD1796                                                     График для DSD1792/DSD1794

Существует еще разница в работе/эффективности цифровых фильтров и она уже в пользу DSD1792, но характеристики ЦФ у DSD1796 тоже достаточно хорошие.

Дальнейшее обследование устройства показало следующее:

- Генератор Yoke на частоту 24.576MHz установлен достаточно высокого качества, что дает Total correlated jitter менее 14ps согласно измерениям на MAR Ltd.

- Применяется асинхронный Sample Rate Converter SRC4392I, что очень неплохо.

- Схема I/V преобразователя и аналогового фильтра сделана не мудрствуя лукаво и без каких-либо умственных усилий со стороны производителя – она просто взята из datasheet'а на микросхему DSD1796:

 

Одни из немногих отличий в схеме М1DAC от даташита состоят в том, что емкость С5 составлена из двух – 4700pF и 0.022uF, а на выходе вместо R9 на 100ohm стоят неполярный электролит на 47uF и ФНЧ/делитель из резисторов 47ohm/10Kohm с емкостью 1000pF.

Дальше начинаются «слезы конструктора». Преобразователь I/V собран на счетверенном 13-ти центовом ОУ MC33079N. Дешевле, видимо, найти не смогли. В отличие от NE5534 у этой микросхемы меньше нагрузочная способность выходов и ограничение тока может наступать уже при 15mA. Выходные ОУ тоже не отличаются качеством – это старые (но не добрые) JRC5532DD.

Посмотрим какие же эпюры выходных токов этих микросхем, к примеру на частоте 20KHz, на самом деле:

 

Выходные токи достигают 20…22mA! Это действительно может приводить к ограничению выходного тока ОУ. Налицо явный промах разработчиков. Вообще, выбор столь низкоомных сопротивлений в цепях фильтра с целью улучшения шумовых характеристик схемы с биполярными входами ОУ разумным не назовешь. Но если бы разработчики стремились сместить рабочие точки в зону работы выходов в классе А без переключения плеч ОУ, то это можно было сделать и не загоняя микросхему в режимы ограничений тока. А так, пока ток покоя выходов микросхем составляет 10.3mA и 6.8mA, давая суммарную рассеиваемую мощность на микросхеме МС33079 около 0.57W. При этом выходы все равно работают в режимах АВ.

АЧХ фильтра не выявила неожиданностей.

Все очень традиционно. Приоритеты, закладывавшиеся при расчете фильтра, носят, как обычно, маркетинговый характер – максимально гладкая АЧХ в диапазоне до 20KHz без оглядки на поведение графика ГВЗ.

Несмотря на выявленные недостатки и применение местами весьма дешевых комплектующих, звучит ЦАП весьма неплохо. Он заметно лучше доработанной версии DVD-2910 при воспроизведении CD, дает заметное улучшение глубины сцены, разделение инструментов. Однако, по сравнению с доработанным DCD-755AR с параллельным ЦАП PCM1702 (ЦФ – SM5845AF) и ОУ AD8620, заметно некоторое отсутствие послезвучий и ревербераций акустических инструментов. Возможно, доработка устройства позволит если не превзойти систему с параллельным ЦАП, то хотя бы достичь ее уровня.

Итак, несмотря ни на что, выбор M1 DAC в качестве платформы для доработки себя оправдал.

 

Модернизация

Схемотехника преобразователей I/V с последующим ФНЧ для ЦАПов с токовым балансным выходом уже настолько устоялась, что изобрести здесь что-либо новое довольно сложно. Необходимо просто разрешить те проблемы, которые разработчики стандартного устройства сами нагородили. Речь идет о тщательном анализе схемы, получения от нее требуемых характеристик АЧХ и выведения всех ОУ в линейные режимы с работой выходов исключительно в классе А.

Первым делом была решена задача исправления АЧХ:

Сохранив параметры по затуханию вне звукового диапазона, была убрана нелинейность графика ГВЗ. На частоте 20KHz спад АЧХ составляет 0.5dB, что является вполне допустимой жертвой, принесенной на алтарь линейности ГВЗ.

Сама схема сохранила свою структуру, т.к. изменению подверглись только номиналы частотно задающих цепей. При этом часть цепей, например в I/V конверторе, полностью сохранилась. Схема теперь выглядит так:

Изменению подверглись следующие элементы (Номера согласно приведенной выше схеме): R8, R15, C3, R9, R11, C1, C6, R7, R13, C10, C9.

Выходные электролиты, естественно, были закорочены. Это привело к появлению небольшого постоянного напряжения на выходах в пределах 16mV. При подключении к ЦАП внешних устройств этот фактор необходимо учитывать. Резисторы R16 и R17 на схеме – эквивалент нагрузки выхода ЦАПа.

Другим изменением в схеме стало добавление резисторов R5 и R18 к выходам ОУ U3 и U4 соответственно. R5 смещает рабочую точку выхода делая ее 5.4mA вместо прежних 6.8mA. При этом выход микросхемы всегда работает в классе А:

Графики токов выходов приведены тоже для частоты 20KHz и из них видно, что все выходы микросхем работают без переключения плеч выходных каскадов. Ток покоя выходов микросхем U1 и U2 стал 4.9mA вместо 10.3mA.

Особого внимания заслуживает выбор типа ОУ для ЦАП. В данном случае ради общей концепции построения звукового тракта исключительно на полевых транзисторах выбор был сделан в пользу микросхемы ОРА1652/ОРА1654. Упрощенная схема ОУ дает основание надеяться, что если разработчики ее на входе, выходе и в УН поставили полевые транзисторы, то и остальная часть схемы реализована в том же русле. Даже с технологической точки зрения такой подход можно считать оправданным.

 

Декларированная нелинейность ОУ в размере 0.00005% (-126dB) также впечатляет, в то время как остальные параметры достаточно «традиционны» (Полоса пропускания 18MHz, скорость нарастания 10V/uS), но достаточны в данном применении. Например, скорость нарастания выходного сигнала ОУ U1 и U2 в данной схеме не может превышать 1.5V/uS, а U3 - 0.9V/uS даже для идеального ОУ. Таким образом, OPA1652 имеет многократный запас по скорости нарастания.

 Т.к. новые ОУ выпускаются в корпусах SO-8, то для их установки пришлось воспользоваться переходниками.

При работе с устройством выявился один интересный момент – питание микросхемы DSD1796 в оригинальной схеме ЦАП составляло всего 4.29V, что выходит за рамки допустимых значений по datasheet производителя (от 4.75 до 5.25V). Реализовано это на основе простейшего эмиттерного повторителя (на плате обозначен как TR1) с RC фильтром (1Kohm/10uF) на входе от стабилизатора +5V типа L7805CV и питающегося от +12V. Принимая во внимание приведенную выше диаграмму зависимости THD+N от питающего напряжения, такое решение вызывает много вопросов. Поэтому возникла необходимость довести уровень питающего напряжения до значений, соответствующих минимуму искажений с помощью следующей схемы (мини модуль установлен прямо на место транзистора TR1):

 

Микросхема ОРА1652 официально допускает однополярное питание от 4.5 до 40V и выходные токи до 30mA. Чтобы не перегружать выход и ввиду наличия двух ОУ в корпусе было применено параллельное включение повторителей. Это также обеспечивает улучшение шумовых характеристик схемы питания. Питающее напряжение микросхемы DSD1796 в итоге стало 4.95V (Выходное напряжение L7805CV в данном образце составляет 5.05V).

Однако, внедрение данного модуля повлекло неоднозначные последствия. Дело в том, что изменения проводились последовательно, с проверкой результатов прослушиванием. Если первый этап (Изменение характеристик фильтров, замена ОУ, перевод в класс А выходов микросхем) привел к однозначному улучшению звука, который стал более «прозрачным» и практически сравнялся по качеству с эталонной  системой (для данного эксперимента это был доработанный DCD-755AR на основе SM5845/PCM1702 с AD8620), сохранив отличную локализацию звуковых образов оригинального M1 DAC, то на втором этапе  введение модуля питания на микросхеме ОРА1652 привело к некоторому «размытию» звуковой сцены, а естественность звучания инструментов улучшилась. Звук ЦАП был немного натуральнее CD-плеера, на что, видимо, оказало влияние повышение напряжения до номинального, но условные размеры источников звука были одинаковы по четкости, т.е. немного «размылись» по сравнению с тем, что было до установки модуля на микросхеме. Анализ ситуации привел к нахождению причины этого явления. Проблему вызвал повышенный шум входа на полевых транзисторах с изолированным затвором в низкочастотном диапазоне (1…100 Гц), где фильтрация установленными в цепи питания DSD1796 конденсаторами малоэффективна. В этом диапазоне шум ОРА1652 на порядок превышает решения на дискретных элементах и малошумящих микросхемах с биполярными транзисторами на входе.

Учитывая это, модуль питания был преобразован в следующий вариант, также обеспечивающий 4.95 В на выходе:

Использованы относительно малошумящие транзисторы (ВС860В и 2N3904) в конфигурации двойного повторителя. Первый эмиттерный повторитель на транзисторе Q2 работает с током покоя около 0.8 мА, который задается источником тока на транзисторе J1. Резистор R1 необходимо подбирать до получения требуемого тока Q2. Транзистор Q1 обеспечивает весь оставшийся ток в нагрузку – 19.2 мА. Новый модуль также установлен на место транзистора TR1 оригинальной схемы:

 

Еще некоторые изменения/доработки на плате.

-     Входной RC фильтр вновь установленного модуля был оптимизирован путем замены резистора R48 (по маркировке на плате) на 3Kohm.

-     Емкости С37 и С38 (маркировка на плате) были заменены на 47uF/63V.

-  Емкость С52 (маркировка на плате) была заменена на 47uF/63V с низким значением ESR (менее 0.25ohm, Nichicon серии UPM)

-     Снизу платы были установлены четыре дополнительных емкости по 2.2uF/25V (типоразмер 1210) в цепь питания аналоговой части микросхемы DSD1796, и две в питание операционного усилителя, как это показано на фото:

-        Емкость С36 (маркировка на плате) была заменена на 330uF/10V и отрезана от шины +5V резистором 33ohm для улучшения развязки линии питания основного генератора. Дорожка подрезается с двух сторон и делается обход, как показано на фото выше.

 

Измерения.

В упомянутом выше обзоре в Stereophile.com John Atkinson недвусмысленно дал понять господам из Musical Fidelity, что их изделие не отвечает заявленным характеристикам в части разделения каналов. Заявленные -105dB в полосе частот от 20Hz до 20KHz выполняются  только в полосе от 70Hz до 3КHz:

Первым делом после всех доработок было проверить именно этот параметр. И надо сказать, что он оказался весьма неплох и стал больше отвечать уровню высококлассной техники благодаря снижению В РАЗЫ импульсов токов по сигнальным цепям и цепям питания после перевода работы выходных каскадов ОУ в класс А:

Разделение каналов в доработанном блоке M1DAC лучше 120dB практически во всем диапазоне звуковых частот и при измерениях определялось, на самом деле, разрешением канала измерения.

Искажения толком замерить не удалось, т.к. их уровень, как и ожидалось, оказался на уровне искажений измерительного канала. Можно предположить, что данная схемотехника аналоговой части ЦАП полностью реализовала возможности микросхемы DSD1796. В левом канале измеренный уровень искажений составил 0.000451%, а в правом 0.000493%:

Измерения представлены для уровня сигнала -16dB и проводились подачей сигнала с программного генератора (96KHz/24bit) через интерфейс USB с ноутбука №1 на соответствующий вход M1DAC. Сигнал снимался с RCA  выходов ЦАПа и подавался на устройство E-MU 0404, подключенное по USB ко второму ноутбуку с установленным ПО спектроанализатора. Доминируют же в искажениях гармоники АЦП канала измерения. Однако, выявилась и незначительная проблема - в правом канале при уровне выходного сигнала выше -16dB имеется незначительный рост искажений, оставляющий значение THD в рамках техтребований на микросхемы DSD1796 и определяемый исключительно второй гармоникой :

Возможной причиной этого является особенность установленного экземпляра микросхемы DSD1796. Однако, просмотрев большое количество измерений представленных MAR Ltd. на milleraudioresearch.com можно сделать вывод, что такой рост искажений на 10-15dB при приближении к уровню 0dBFs скорее характерная особенность микросхем ЦАП от TI. Причем, такое рассогласование каналов по искажениям тоже не редкость, а "нестандартным" можно считать поведение именно канала с меньшими искажениями. При уровнях же сигнала ниже -15dB линейность ЦАП оказалась лучше приведенных значений в даташит.

 

Заключение.

 Как результат проведенных изменений можно констатировать тот факт, что внешний ЦАП (M1 DAC), подключенный к CD плееру DCD-755AR по оптическому цифровому интерфейсу обеспечивает заметно лучшее звучание, чем встроенный ЦАП на основе SM5845/PCM1702 с AD8620. Выражается это прежде всего в более четкой фиксации размеров источников (встроенный ЦАП дает несколько чуть более размытую «картину» сцены). Естественность звучания акустических инструментов, также лучше представлена доработанным M1 DAC.

В заключение, хочется отметить результат сравнения доработанного ЦАП M1 DAC с устройствами очень высокого уровня на основе микросхем SABRE32 ES9018 - получилось по-настоящему аудиофильское устройство, т.е. предпочтение какому-либо из ЦАПов отдать было сложно.

 

 

Примечание.

При подключении внешнего ЦАПа M1 DAC в систему необходимо учитывать, что входной фильтр импульсного блока питания имеет выход на контакт защитного заземления в разъеме питания и на корпус устройства, а системный ноль (аналоговая «земля») схемы через резистор 47ohm (и емкость 0.1 uFx250 V) имеет связь с корпусом. 

 

Страница создана:  1:45 22.03.2013