Высококачественный ЦАП AH-D6.1 на AK4493 / AK4490, премиальная версия AH-D6

Прошло уже 2 года с момента выхода AH-D6, цап получился весьма удачным, при своем скромном бюджете ЦАП получил хороший отклик от радиолюбителей, повторивших конструкцию. Видя, как в бюджетную плату, ставятся топовые компоненты, мною было принято решение разработать новую, уже четырехслойную плату и внести некоторые улучшение в базовую конструкцию AH-D6.

Кроме перехода на четырехслойный дизайн платы были внесены следующие изменения в конструкцию:

Выходной ОУ в звене вычитателя был буферизирован ЭП, что позволило использовать многие ОУ без значимого роста искажений на нагрузку от 1кОм и выше, что также снизило влияние на итоговое звучание различной кабельной продукции.
В аналоговом фильтре было добавлено звено первичной пассивной фильтрации.
В фильтре теперь используются резисторы типоразмера 1206 (впрочем запаять 0805 в имеющиеся посадочные места никто не запрещает), так в топовых сборках можно рассмотреть применении melf-резисторов 0204 метрики, которые как раз соответствуют типоразмеру 1206. Кроме этого, замечу, даже обычные толстопленочные резисторы типоразмера 1206 шумят меньше, чем их мелкие собратья, так что даже в бюджетном исполнении установка резисторов 1206 дает небольшой плюс.
Оптимизирована и улучшена схема питания цепей опорного напряжения AK449х.
Добавлены дополнительные цепи коррекции ОУ в стабилизаторах ИОН-ФШ-ОУ, что позволило с большинством применяемых ОУ избежать паразитной генерации и звона при отказе от отвязывающих резистор между выходом стабилизатора и выходной емкостью.
С переходом на 4-слойный дизайн была значительно оптимизирована трассировка платы.
Решено было более оптимально распорядиться местом под стабилизаторы питания цифровой части. Так применительно к AK4493 было принято решение отказаться от использования встроенного LDO, поэтому на плате был выделен отдельный стабилизатор для питания ядра чипа (DVDD-1.8В). Питание же микроконтроллера и TVDD было объединено.
Был произведена оптимизация применяемой элементной базы, подобрана более удачная комбинации ОУ для аналогового фильтра.

Внимание! Так как питание микроконтроллера и ak4490/ak4493 стало общее, то в случае прошивки уже собранной платы, убедитесь, что Ваш программатор сконфигурирован для подачи 3.3в на Atmega88 (еще лучше вообще не подавать с него питания на плату, сняв джампер выбора подаваемого напряжения). Подача 5В на плату ЦАП может привести к полному выходу из строя микросхемы ЦАП!!!

Схема

Устройство допускает применение в место AK4493EQ младшего чипа AK4490EQ, в этом случае не распаивается вся линия питания DVDD+1V8 с U21 (см. схему питания цифровой части) и рекомендуется уменьшить номиналы R15 и R17 до 1кОм, что увеличит питание VDDL/R до 5,5В (производитель допускает безопасное повышение напряжения до 7.2В). Такая разница в 0.5-0.6В между Vref и VDDL/R является оптимальной для AK4490EQ, так как позволяет получить дополнительное снижение искажений.

К сожалению для ak4493, такой трюк не возможен и приходится довольствоваться разницей в пределах 0,25В.

Схема питания цифровой части

Схема аналогового фильтра

Для нового ЦАП с учетом применения melf резисторов Vishay (размера 0204) был рассчитан новый вариант аналогового фильтра.

В ФНЧ звене рекомендуется применение ОУ: OPA1656, OPA2156, с ухудшением: OPA2810, OPA1642, OPA2141, OPA2140. В звене разностной обработки: OPA192, OPA828, с ухудшением OP42, OP1611, OPA827, OPA1641, AD744 и с большой оговоркой OPA189. Выбор был сделал из более чем 10-ка разных ОУ, как на основе объективных измерений, так и по результатам многократных прослушиваний. OPA192 прямо сказать удивили, фактическими измерениями (c ЭП показатели искажений на уровне opa828) и качеством звучания, что заставило закрыть глаза на даташит.

Что касается OPA189, то новые (купленные в 2022г.) экземпляры показали заметное изменение в сторону увеличения THD с ростом частоты (но не критичное, до 0.0004% на частоте 15кГц при наличии ЭП), чем мои первые экземпляры 0.00026%, купленные на заре их выхода в официальном магазине TI. Что позволяет предположить, наличие подделки (что маловероятно, внешний вид без подозрений, покупались в Терраэлектронике) или, что вероятнее, обновление кристалла — изменению номиналов внутренней коррекции. Для OPA192 не могу исключать аналогичной истории, но то, что у меня на руках, меряется отлично, см. замеры ниже.

AD8065 применять в этой схеме нельзя в связи с большой вероятностью получить генерацию, один из двух экземпляров так и норовил сорваться в генерацию, второй же работал стабильно и показал достаточно хорошие результаты замеров в D6.1 на уровне 0.00021% для 15кГц (В D6 их применение допустимо, но с хорошими блокировочными емкостями по питанию).

Еще пара возможных фильтров, с распространенными номиналами:

ФНЧ 5,9k -> 6,8k и 2,61k -> 2k емкости 1n — > 680p и 390pf -> 330pf, в звене разностной обработки 2,7k и 330pf.

ФНЧ 5,9k -> 4,7k и 2,61k -> 1k, емкости 1n -> 1,5n и 390pf -> 470p, в звене разностной обработки 2,7k и 330pf.

Печатная плата

Цап AH-D6.1 выполнен полностью в габаритах AH-D6 на четырехслойной печатной плате размером 100х69мм.

Замеры искажений AH-D6.1 топовой версии на AK4493

Замеры производились на новый АЦП, собственные искажения которого оставляют ~ 0.00003% при уровне входного сигнала в 0,6V RMS. Необходимое согласование уровней выполнялось набором делителей и сдвигом шкалы. На сетевые наводки < 1кГц, пока прошу не обращать внимания, это огрехи измерительного стенда. В фильтре замеряемого экземпляры были установлены OPA1656 и OPA192 (для OPA828 замеры практически идентичны, остальные оу меряются хуже).

Ниже приведены замеры для полной шкалы ЦАП, 0ДБ — что соответствует для AK4493 — 2,5В амплитудного напряжения на выходе фильтра, при нагрузке 2кОм, для разных частот: 1кГц, 5кГц, 10кГц, 15кГц.

Спектр сигнала 1кГц, 0Дб

Спектр сигнала 5кГц, 0Дб

Спектр сигнала 10кГц, 0Дб

Спектр сигнала 15кГц, 0Дб

Замеры искажений AH-D6.1 версии на AK4490

Привожу для примера замеры боле простой версии ЦАП с чипом AK4490.

Спектр сигнала 1,08кГц, 0Дб

Спектр сигнала 1,08кГц, -3Дб

Спектр сигнала 1,08кГц, -7Дб

Прошивка и конфигурация

Полностью соответствует таковой из AH-D6

Звучание ЦАП

Как видно искажения ЦАП находятся на низком уровне, даже на 15кГц их уровень остается очень низким. Это обеспечивает высокую прозрачность и общую комфортность звука.

Субъективно на мой слух ЦАП получился весьма музыкальным (от аналогового фильтра на ОУ я ожидал меньшего) уровень звучания заметно превосходит не только китайские поделки, но и многие популярные любительские конструкции, которые довелось послушать. При правильной сборке и применении оригинальных комплектующих ЦАП достойно может конкурировать со значительно более дорогими ЦАП-ми других авторов.

Дополнение

Для отработки новой версии ЦАП была сделана также двухслойная версия платы AH-D6.1. Для широкой публики публикация проекта 2-слойной платы не планируется, чтобы не занимать более бюджетную низшу AH-D6. Многие наработки и рекомендации и так вполне применимы в AH-D6.

В инженерной версии платы нет дополнительных нагрузочных резисторов R99 и R100, применение этих резисторов позволяет вывести транзисторы стабилизатора на линейный участок характеристики и получить максимально ровное выходное сопротивление последнего. Так как мест под емкости с избытком, резисторы можно установить на их позиции.

Также в последствии в 4-слойку был добавлен R101, который решает проблему генерации некоторых особо кривых экземпляров LP5907 в случае отсутствия нагрузки. Тот редкий случай, если гальваническая развязка не используется, а стаб все же распаян на плате.

Также отсутствует емкость С114 (добавлена на всякий случай во избежание возможных генераций LP5907, хотя сам с таким почти не сталкивался.

Отзывы, обсуждение вопросов по запуску и отладке ЦАП AH-D6.1

Ссылка для заказа 4-слойной печатной платы в Китае у PCBWay

ЦАП AK4490 и его китайские реализации

Китайские производители очень активно реагируют на выход новых моделей DAC (ЦАП), и вслед за известными брендами представляют свои продукты по значительно меньшей цене. Я прослушал некоторое количество китайский ЦАП, но об их звучании и чего они стоят, расскажу в другом материале. Взяв на прослушивание у знакомого любителя качественного аудио именитый и довольно недешевый американских ЦАП позиционировавшийся сайтами audiomania.ru и так далее, как звук класса Hi-End, я был крайне недоволен и разочарован звучанием. И конечно в этот момент китайские производители-искусители подкинули свои варианты.

Ожидать от звучание китайских ЦАП чего то сверхъестественного не стоит, но прослушивание американского цап как бы мне сказало — хуже быть уже не может. Меня также заинтриговали технические возможности новейшего цап AK4490 от Asahi Kasei Microdevices. Почему именно Asahi Kasei?

Я знаком со звуком звуковой карточки EGO-SYS [email protected], что установлена в моем компьютере уже несколько лет и она построенна на ЦАП от Asahi Kasei Microdevices. При всей бюджетности реализации, плохой детализации и разделении каналов, в бюджетных решениях цап от Asahi Kasei звучал более естественно и вдохновленно, нежели “металлизированный” PCM1798.

И это было на старом ЦАП, а AK4490 позиционируется по datasheet не меньше, не больше, как (цитата): “32-битный 2-канальный Премиум цап нового поколения. Новейшие технологии и достижения лидера индустрии использованы, чтобы достичь минимальных искажений и максимального динамического диапазона. В цап встроен новый емкостной фильтр “OSR Doubler”, который имеет лучшие параметры. Кроме того в ЦАП заложены еще 5 разных 32-битных цифровых фильтров.” Прежде чем рассказать о выборе конкретной реализации этого ЦАП китайскими производителями, я останавлюсь на его характеристиках. Помимо уже названной 32-битности, меня порадовало, что ЦАП AK4490 поддерживает частоты до 768000 герц для потока PCM. Для DSD поддерживается поток с частотой 11,2 миллиона герц. Еще раз перечитайте предложение выше. Кроме того используется 256 кратный оверсемплинг. Цифровые фильтры используют 8 кратную передискретизацию (352,8 кГц). Маленький джитер, низкие искажения, цифровой регулятор громкости с 255 положениями.

Моно-режим. Возможность использования внешних цифровых фильтров. Если непонятно зачем вообще нужен цифровой фильтр — именно он из ступенек рисует плавную огибающую воссоздающую аналоговый звук. Есть встроенный клок (часы). Заявленные данные мне понравились, как это будет звучать на самом деле можно узнать, только прослушав ЦАП. Поэтому я в китайском интернет-магазине рассмотрел разные варианты реализации этого DAC/ЦАП. К сожалению ни одна реализация не задействует все возможности ЦАП. например из фильтров везде включен только “OSR Doubler” (как перевел google, имеющий “влажный и нежный тембр”), но не реализовано кнопки или через драйвер возможности использования других фильтров, что довольно досадно. Глобально я увидел, что в Китае больше всего предложений по двум вариантам продукта. Первый вариант — это спаяная плата, к которой нужно дополнительно подключить трансформатор с переменным напряжением,

а второй вариант — уже готовый цап в миниатюрном корпусе, в котором есть разъем для подключения блока питания с постоянным током (типа телефонной зарядки).

Стоимость примерно равная — около 4000 руб. Предположение, что ЦАП за такие же деньги в виде платы будет реализован лучше при внимательном рассмотрении схемы не оправдалось. Оказалось, что реализация в виде платы всего лишь содержит в себе выпрямитель питания — большие конденсаторы и диодный мост, что и съедает большую часть места. На оставшемся текстолите размещен сам цап и операционный усилитель AD827. Т.е. ожидать от такой спартанской реализации ЦАП чудес не приходится. Куда интереснее оказался ЦАП SU0 XMOS U8 AK4490. Хотя изначально задумано, что к нему подключено бюджетное питание в виде телефонной зарядки, сама реализация ЦАП намного интереснее. Прежде всего поддержка USB реализована через микросхему XMOS, которая сама является довольно мощным вычислительным процессором с частотой 500 Мгц. На плате так же установлены два тактовых качественных генератора. Один генератор обслуживает частоты 44.1/88.2/176.4/352.8 кГц. Второй генератор частоты 48/96/192. Т.е. изначально виден более продуманный подход к достижению качественного звучания. Установлены неплохие конденсаторы.

Операционный усилитель NE5532 вставлен в “кроватку” и может быть легко заменен на любой совместимый по желанию. И все это помещено в аккуратный аллюминиевый корпус. Минус очевиден — питание. Но в данном случае, по сравнению с вариантов платы с уже находящимся на плате выпрямителем, ничто не мешает самостоятельно организовать полноценное питание. Я для данного варианта реализовал простую схему выпрямления тока со стабилизацией. Как источник питания я использовал китайский R-Core трансформатор выдающий напряжение 9 и 15 вольт. На самом деле, без нагрузки измерения показали, что напряжение с него идет более 10 вольт. Я решил стабилизировать питание на значении 9 вольт.

Для этого была приобретена микросхема зарубежного производства 7809, являющаяся стабилизатором питания на 9 вольт и выдерживающая силу тока до 1 ампера.

Для выпрямления тока я взял диоды Шоттки, которые как известно имеют очень высокую скорость,по сравнению с обычными диодами. Ток с трансформатора попадал на диодный мостик из диодов Шоттки и далее уже выпрямленный заходил в конденсатор — я поставил, какой был в наличии — электролитический на 6800 mF 25 вольт зашунтированный неполярным конденсатором на 330 mF. Далее выпрямленный с 9 вольтового отвода ток, который после выпрямления становился 9*1,4142=~13 вольт попадал на стабилизатор 7809 и уже с него стабилизированный на 9 вольт попадал в еще один сглаживающий конденсатор на 2000 mF 25 вольт, чтобы быть максимально “гладким”. Т.е. на стабилизаторе рассеивалось 13-9 вольт — 4 вольта, поэтому я прикрутил его к радиатору. В результате по замерам данный “блок питания” выдает стабилизированные 9,06 вольт. Плата этого блока была нарисованна в Sprint-Layuot и распечатана на бумагу, в последствии перенесена методом ЛУТ на плату. Хотя я ЛУТ-ом делал ранее довольно сложные платы, в этот раз все пошло немного не так — не нашлось нормальной глянцевой бумаги, а с обычной краска переносится очень плохо. Поэтому в итоге все равно пришлось зачерчивать дорожки перманентным фломастером, перед травлением хлористым железом.

Изначально работа конструкции была проверена и замерена на макетной плате и меня все устроило. Для корпуса блока питания ЦАП я использовал корпус от компьютерно CD-ROM, куда все уместилось без проблем. Так как изделие еще не собрано до конца, то могу показать только предварительные испытания на макетной плате. Таким образом я подготовил полигон (приличный источник питания) для потенциально неплохого ЦАП AK4490. Что же получится по звучанию, когда совместится данный “блок питания” и китайский ЦАП на AK4490 я расскажу, как только данное устройство доедет до меня. Будет ясно стоило ли оно того, но в любом случае изготовление блока питания для ЦАП было увлекательным занятием.