Простой ЦАП на CS4398⁠⁠

Решил написать первый пост про своё хобби.

Хочется рассказать о своём первом ЦАПе (цифро-аналоговый преобразователь).

Работа по созданию серии цифро-аналоговых преобразователей началась еще в 2016 году. Изучалась сопутствующая литература, выбиралась элементная база. Были заказаны инженерные образцы от известных производителей. Кстати, на тот момент гиганты полупроводниковой электроники свободно высылали свои детали всем желающим, причем за свой счет. Были получены сэмплы от Analog Devices, Cirrus Logic, Atmel. Сейчас к сожалению никто в Россию высылать не хочет, видимо санкции дают о себе знать.

На самом первом этапе выбор пал на ИМС ЦАП CS4398. Давняя любовь к циррусовским преобразователям началась еще со времен звуковых карт Creative, неплохое звучание X-Fi xtreme music на CS4382 дало толчок к освоению именно данных ДС ЦАП.

К моменту начала проектирования CS4398 в линейку циррусов позиционировался как Flagship perfomance, т.е. имеющий наилучшие характеристики. ИМС довольно древняя, начало 2000х годов. Совсем недавно появился CS4399, но в свободной продаже я их пока не увидел.

Основные характеристики CS4398:

— отношение сигнал/шум 120 дБ (SNR);

— динамический диапазон 120 дБ (DNR);

— уровень гармонических искажений -107 дБ (THD);

— взаимное проникновение каналов 120 дБ(Crosstalk);

— напряженческий выход, со смещением 2.5В (Vq), размах амплитуды 1В (RMS).

Очень порадовала разводка «ног» ИМС:

У имс CS4389 есть чёткое разделение аналоговой и цифровой части, что положительно сказывается на аналоговых характеристиках. ИМС ЦАП умеет принимать PCM и DSD потоки, имеет программный и аппаратный режим конфигурирования. Огорчает только отсутствие автоматического определения частоты отношения мастерклока к Fs и соответственно режима работы фильтра (в этом плане очень порадовал AK4490 от AKM). Поэтому для полностью автоматической работы ЦАП необходимо применять микропроцессор с подсчетом частоты LRCK. Питание цифровых цепей имеет широкий диапазон, от 1.8 до 5 В. Оптимальное на мой взгляд — 3.3В, что позволяет подключать широкий спектр источников сигнала, от SPDIF приёмников и SRC конвертеров (например TI SRC4192 имеет питание 3.3В) до USB интерфейсов на основе XMOS и т.п. ИМС.

Характеристики ЦАП:

— входной формат: PCM I2S, RJ, LJ от 16 бит 32кГц до 24 бит 192 кГц;

— выход небалансный, 2В (RMS);

— питание 4 канала: 5-12В, 8-12В, ±15В

Схема ЦАПа:

За время проектирования было собрано 7 макетов, v3.1 является окончательной. Были опробованы различные топологии выходного фильтра. В итоге по субъективному звучанию и результатам предварительного тестирования был выбран простой симметричный фильтр сумматор второго порядка.

На данной плате ЦАП реализован приём только PCM потока. На сегодняшний день ИМС CS4398 имеет довольно устаревшие характеристики по приёму DSD потока — DSD64. Аналоговый выход — не балансный, с амплитудой 2V(RMS).

Аналоговый фильтр был сделан простым, на основе симметричного фильтра сумматора второго порядка с небалансным выходом. Частота среза 30 кГц по уровню -3 дБ. Топология по Бесселю. В отличии от несимметричного фильтра из даташита, данный фильтр позволяет обойтись без выходного конденсатора, что положительно влияет на АЧХ в области низких частот. При тщательном подборе резисторов фильтра постоянная составляющяя на выходе должна сильно стремиться к нулю и составлять не более 2-5 мВ. Отсутствие выходного конденсатора предъявляет дополнительные требования к оконечному усилителю мощности, если вход усилителя так же без конденсатора. Необходима защита от постоянного напряжения на выходе, иначе в случае непредвиденных обстоятельств, при появлении постоянного напряжения, оно будет усилено в Ку раз и приложено к НЧ динамику акустической системы.

Графики АЧХ, ФЧХ и групповой задержки:

Расчет фильтра делал в программе FilterPro от Texas Instruments.

В будущем есть идея опробовать более сложный фильтр, на т.н. FDA ОУ (полностью дифференциальный ОУ). В макете такой фильтр совместно с фильтром сумматором показывает отличные характеристики (THD в районе 0.0005% при монтаже на «соплях»), а главное более детальное звучание. В макете будущего ЦАП «DA-03» с таким фильтром применен AK4490.

Многие слушатели различных ЦАП на основе CS4398 отмечают необычные высокие частоты. Я бы сказал что данная ИМС ЦАП отлично отыгрывает весь диапазон частот, тут скорее сказывается качество мастеринга аудиозаписей в студии. Прекрасно слышно работу мастера по сведению, если записано на аппаратуре среднего качества, слушатель этого ЦАПа обязательно это услышит. В стандартной версии применяется ОУ NE5532, обеспечивающее превосходное качество звучания. В максимальной версии возможно применение более качественного ОУ, в зависимости от вкуса конечного слушателя(в версии де-люкс я использую AD8066 — скоростной ОУ, с частотой до 145 МГц). ОУ должен иметь цоколёвку как у NE5532 и корпус SOIC8. Для максимального качества звучания необходимо применять плёночные конденсаторы WIMA или керамические с диэлектриком NP0. Резисторы в аналоговом фильтре должны иметь допуск по номиналу не хуже 1%.

В цифровой части возможно использование гальванической изоляции между ЦАП и источником звука. Развязка реализована на ADuM1400(обязательно CRWZ). Питание входной части может быть как 3.3В, так и 5В, что позволяет подключать широкий спектр источников цифрового сигнала. Конфигурирование в аппаратном режиме осуществляется с помощью DIP переключателей — необходимо задать формат входных данных и частоту работы фильтра. Опытным путем установлено, что оптимальная частота работы фильтра 96 кГц. Так же возможно программное управление ИМС ЦАП — на плате предусмотрен разъем Control. Питание возможно от 1.8 В до 5 В. Если питание управляющей части отличается от 3.3В, необходимо убрать джампер на плате. Управление возможно по протоколу I2C, т.к. на плате распаяны подтягивающие к плюсу питания резисторы (расположены ПОД DIP переключателем) при этом DIP переключатели необходимо держать в состоянии 0 (не закорочено) иначе возможно повреждение управляющих цепей, т.к. они будут закорочены на землю.

Для питания ЦАПа необходимо 4 питающих напряжения:

— положительное 5 -12 В для питания цифровой части;

— положительное 8 -12 В для питания аналоговой части;

— двухполярное 12-16 В для питания ОУ фильтра.

Питание аналоговых цепей осуществляется через малошумящие стабилизаторы TPS7A от TI. Если не отходить от даташита, шумовая полка находится ниже возможностей моих измерительных АЦП — ниже -150 дБ при уровне сигнала 0 дБ 2V (EMU 0404 PCIe на основе PCM1804 и АЦП собственной разработки AD-01 на CS5381).

Питание Vref ЦАП осуществляется от источника опорного напряжения REF195 от Analog Devices. Применение данной конструкции позволяет максимально стабилизировать напряжение VQ, что немного уменьшает уровень искажений и самое главное — развязывает питание аналоговой части ЦАП Va и Vref.

Конденсаторы, на выводах фильтра модуляторов должны иметь максимальное качество, поэтому было решено применить танталовые, с увеличенными номиналами относительно даташита. На выводе VQ 10 мкФ, на Vfilt 200 мкФ.

Рисунок гармонических искажений — классический для CS4398, третья гармоника выше второй и находится на уровне не выше -100 дБ. Так же следует отметить довольно высокий уровень гармоник высшего порядка. Для сравнения с AK4490 у AKM гармоники высших порядков находятся на гораздо более низком уровне.

Платы ЦАП были изготовлены в поднебесной. Заказывал с ALLPCB.COM, в счету 5 шт. по факту 7, что приятно порадовало. Качество плат очень высокое, дома изготовить ни ЛУТом, ни фоторезистом так не получится.

Плата в собранном виде:

Результаты измерений:

Собрал ЦАП в корпусе из пластика, трансформаторы поставил те, которые были под рукой. Входной приёмник сделал на CS8422 в аппаратном режиме, с преобразованием в 24 бита 192 кГц. На плате приёмника есть определенные косяки, поэтому выкладывать схему и печатку не буду, их нужно переделывать.

Звучание. Хотелось бы отметить влияние коэффициента гармоник на субъективное звучание: чем выше гармоники, тем хуже звучание. Сначала начинает портиться бас, как будто бьёт по ушам, далее начинает пропадать детализация звука. При уровне гармоник ниже -100 дБ всё встаёт на свои места. Звук я бы сказал стерильный. Прослушивание осуществляю на самопальном усилителе на TK2050 и акустика S-50, так же есть самодельный усилитель на TPA6120 и наушниках Sennheiser HD435. В ушах звук естественно лучше :) В целом своей первой разработкой остался очень доволен.

Сейчас в разработке ЦАП DA-03 на основе AK4490. На этот ЦАП возлагаю большие надежды. Применен более сложный фильтр на связке OPA1632+AD8066, малошумящие стабилизаторы в аналоговом питании, балансный/не балансный выход.

Фух, вроде всё написал, если остались вопросы, пишите в комментариях.

С уважением, Евгений.

г. Самара