音频DAC解码芯片浅谈(除ESS和AKM外解码芯片介绍)

数字-模拟转换器(DAC)对数字音频源如各种CD机、SACD机、便携播放器和手机等是核心零件之一(虽然不一定贵)。DAC负责把解码好的数字音频流,转换为模拟音频信号。在这个处理过程中,芯片起到关键的作用。

本系列文间旨在介绍各大家的DAC芯片、参数指标等,并尽量介绍其声音特点,希望大家喜欢。

需要注意的是,唯芯片论不管是发烧友中还是非烧友中都是普通存在的。但实际上,DAC芯片只是决定音质关键因素之一,而非唯一因素,甚至可以说不是最重要的因素。周边电路设计、时钟精度,模拟电路设计,元器件选择及电源处理,对最终音频设备的声音起到至关重要的作用。请读者必须清楚这一点!很多以前牛逼的解码器材现在仍然牛逼,它们差的不过是支持的格式的不足而非声音。现在很多解码用了比以前好得多的芯片,声音一样很烂,究其原因也很简单,水桶效应而已。周边电路和元件选择,模拟电路才是决定性的!

d/a数字/模拟转换器大致可以粗分为两大主流:一是多bit,另一个则是1bit。以发展时间的长短来说,多bit是在cd唱盘问世时就出现的,而第一代的 1bit产品则是约在1990代初期才在市场上出现。多bit和1bit以结构上分析到底孰优孰劣?举例来说,一串用细绳穿起来的珠链。我们用两种方法将细绳上的珠子取下来,第一种方法是:分若干次取,每次取下固定数量的珠子;第二种方法是:有多少颗珠子就取多少次,每次只取一个珠子。实际上,第一种方法就相当于多比特方式,只有接收到全部16位数码后,才进行一次解码处理。第二种方法就相当于单比特方式,一个数码位一个数码位、连续不停地解码处理。就多bit而言,它的优点是没有所谓的再量化的过程,因此噪音较低;除此之外,亦有较佳的动态表现。但传统的多bit在low level的情况有非线性失真人及过零失真(zero cross)的问题,若想克服需要使用非常复杂的电路结构,这就造成了多bit dac晶片在追求高品质的目标下,同时也要负担高昂的代价。相对地以1 bitdac它的优点是先天上就不存在过零失真的问题,类比波形的线性良好,再则生产成本较低,这就是市场上中低价位的cd player大量使用1 bit dac的原因。然而1 bit dac需要更高的频率的clock,以及它在“再量化”的过程中会造成若干讯息失落,这也是它挤身hi-end器材困难的原因。

本系列前两篇文章中已经介绍了目前主流的两家解码公司及产品了(ESS和AKM),这篇文章中介绍其它的一些芯片公司及产品。

其实除了这些外,还有一种特殊的解码方式,即R2R分立元件的解码方式,采用这种方式全球公司非常的少,著名的英国dCS和国内的Holo Audio就是其中代表性的两家。本系列文章将在下一篇中讲到他们及相关产品。

一、多bit芯片介绍

1、Burr Brown(布尔 布朗)

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Burr Brown(布尔 布朗)公司隶属于半导体业界著名的重量级厂家德州仪器公司(TI),其最为人熟知的DAC芯片莫过于PCM1704。众多Hi End厂家都对其大加赞赏,其中包括不少坚持传统两声道的Hi End厂家,如Mark Levinson最顶级的解码器NO.360(4495美元)就采用了PCM1704。它是一块精密的24bit D/A转换芯片,拥有超低失真和低电平响应线性。其采用了2μm BICMOS制造工艺和一种非常独特的示意数量型架构(Sign Magnitude)。在其内部设计了两个23bit完全互补的D/A转换器,从而取得24bit的精度。这两个D/A转换器公用一个时钟参考,公用一个R2R型梯形电阻网络,通过不断分压来取得准确的数位电流源信号。R2R梯形电阻网络使用的双平衡电流回路可以确保在任何电平下对电压信号都有理想的跟踪能力。这两个D/A转换器在内部数据计算上完全独立,可以有非常线性的电平响应,尤其是在低电平(即小音量)下线性良好。R2R梯形电阻网络里的电阻都是将镍铬薄膜电阻经激光微调制得的,因此精度足够高。另外,两个D/A转换器也是经过精密配对才加以使用的。

PCM1704 的信噪比达到了令人惊异的 120dB, 并且是标准型 K 级芯片。 其总谐波失真和噪声达到了0.0008%(-101.94 dB),也是标准型K级芯片。 标准型K级的动态范围达到了112dB。 PCM1704的取样频率范围为16~96kHz,过取样频率为96kHz的8倍过取样。另外,其输入音频数据格式为20bit或24bit,快速电流输出为±1.2mA/200ns,电源电压为±5V。

音频DAC解码芯片浅谈(除ESS和AKM外解码芯片介绍) 第4张

PCM1704是1999年2月推出的产品, 以今天不断发展的眼光来看略微显得有些落后,尤其是它的取样频率只有96kHz。Burr Brown公司于今年4月29日推出了可以取代PCM1704地位的新一代DAC芯片PCM1738。其采用先进程序段(Advanced Segment)芯片架构设计,此结构可以取得更高的动态范围和时基抖晃的容差。 虽然信噪比略微降低至117dB, 但动态范围却加宽至117dB, 总谐波失真和噪声也降低到0.0004%(-107.96 dB),取样频率范围是10~200kHz 。PCM1738可以通过光纤界面另外连接数字滤波器和对应SACD的DSD解码器,同时其内置8倍过取样数字滤波器、数字补偿、数字去加重和软静噪。它的全比例输出电压为2.2Vrms,微分电流输出为±2.48mA。这是一块专为多声道放大器设计的DAC芯片。

除此外,一些老掉牙的BB芯片仍然有时会出现,如20BIT的PCM63,这应该是BB公司最为经典的DAC芯片了,有着优异的性能指标和 不错的听感。在以前的很多高档机上总是见其身影。

20BIT的PCM1702,这个是BB公司用来替代PCM63的产品。有着比PCM63更好的性能指标,但不知是什么原因,很多人是宁愿喜欢PCM63的声音而不大愿意接受PCM1702的声音,估计可能是PCM63比PCM1702更容易得到厚暖的声音。

PCM1702和PCM63和PCM1704 都采用了BB公司独有的COLINEAR结构,它在每一个声道使用了两个的19bit的DAC分别负责正负半周的讯号,再将DAC的电流输出部分合2为一,这个结构不但有着多Bit DAC的高动态特性,更成功解决了在一般多Bit DAC上所出现的过零失真的问题,使输出的线性获得改善。

BB公司大部分的DAC芯片通常分为三级,分别是:标准型的P后缀,较高级的PJ后缀,高等级的PK后缀,内部结构完全一样,在性能上略有不同。

PCM1792:1794和1792的技术指标,性能,脚位,都是一模一样的。他们区别在于,1794支持硬件控制,1792支持软件控制。由于1792设计还需要加一个软件写入,保修代换都比较麻烦,所以一般HIFI设计人员都更喜欢用1794或1704。结果1794的销售量是1792的好几倍,用的厂家多,周边电路设计更成熟。

PCM1794:继1704后新出来的芯片,性能指标公认的世界第一(当时)。细节,动态,解析力和1704一样无可挑剔,也有相当不错的音乐味道,声音效果和PCM1704几乎一模一样。是属于,宽松大气,举重若轻,非常轻松悠闲,低音动态表现也非常到位,听感轻松,能静能动类型。就是价格比较贵,需要更复杂的配套线路,才能达到最高最强的效果。听过好的1704/1794后,声音很难忘怀。国外很多用1704/1794,作为核心,做出万元以上的解码器比比皆是。更有甚者,采用2并联或2差分+2并联(一共4个),作为解码,这样它的动态也可以大1倍,电流驱动能力强1倍,以达到极高效果。声音也更厚实。

PCM1798:1794,1792,1798是3兄弟,PCM1798是1794/1792的简化版,性价比高一些。

PCM1793:按照PCM的定位,比1798还要低2档,也属于做性价比的产品,不过周围配套电路简单。

PCM系列芯片效果极佳,但对设计者功力要求极高,设计不好也很容易出恶声,如果要买DIY圈的作品不建议选择这个。

2、ADI公司的AD1862

这是Analong Devices公司所生产的20BIT DAC芯片,AD1862的讯号/杂音比非常优良,在外接二个旁路电容的状态下,讯号/杂音比可以高达119dB,而20BIT的分辨率也使它有120dB的动态范围,典型的应用就是DENON的DG2560了。在此要说明一点,某些半导体厂商在较高级的晶片出厂之前,将成品进行测试并就其性能分类,因此即使是同一品牌、同一编号的dac,在性能和价格上还有分别。AD1862分成AD1862N 和AD1862N-J两个等级。

ad1862的外观是16pin的塑胶dip包装,电路结构大致由三个部分所构成。串列讯号输至一个20bit的解码部分转化成并列讯号传送到20bitdac,将数位讯号转换成类比电流讯号输出,另有一组参考电压源供应给20bit dac部分。

它除了使用在数位音响之外,亦使用在电子合成乐器、专业录音的数位混音器及各种效果器上,应用的范围相当广泛。

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3、PHILIPS的TDA1541和TDA1543

TDA1541和TDA1543都是16BIT的DAC芯片,TDA1541可以称为16BIT芯片的中的王者了。其优异的THD+N性能指标连许多所谓的18BIT DAC芯片也追赶不上的。特别是其可以外接的阶梯旁路点容,更成为DIY玩家调整声音所喜爱。MARANTZ和PHILIPS的是该DAC芯片的主要用家,特别是MARABTZ连其顶级CD上也使用了他。

TDA1543也是16BIT的DAC,其只有8个引脚,可算是极简单的DAC芯片了。但其高频的失真也算的上是惨不忍睹的了。TDA1543有后缀带A的TDA1543A和不带的TDA1543,这两个型号接受的数据格式是不同的,不可以直接代换。其分别是:TDA1543A是接受MSB 16BIT的数据信号,不可以接受IIS数据格式的。而TDA1543则是只接收IIS数据格式的。

TDA1541则有4种,档次由低到高的排列分别是:TDA1541A,TDA1541A/R1,TDA1541A/S1,TDA1541A/S2,他们的性能数据是不同的,其主要分别表现在S/N和-60DB时的THD+N的失真,这4个型号都是只接受IIS的数据格式。

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TDA1541虽然是16BIT的,但效果超一流,中音温暖迷人,音乐味道浓郁。属于温暖甜美类型,适合中小编制古典和人声。

4、SANYO的LC7881和LC78820,LC7881是16BIT的,而LC78820则为18BIT,以前的一代平价 CD机CEC891使用的DAC芯片就是LC78820。而LC7881则多数使用在平价机中,其性能没有 PCM56好。

到多BIT的DAC芯片,还有一个是不得不提的,就是ULTRA ANALOG公司的D20400A,有着 良好的性能指标和听感以一身的20BIT的DAC芯片,当年只有在高价的器材中才可见其身影。

现在的DAC芯片生产阵营可是比多BIT的强大得多了。计有PHILIPS的比特流技术,松下的 MASH,CS公司的DELTA SIGMA,SONY的PULSE,还有日本AK和NPC。

二、1bit的芯片介绍

1、philips saa7350

saa7350是飞利浦公司生产的1 bit dac,每一片saa7350可以提供两声道的平衡输出。

当它与20bit八倍超取样的数位滤波器连接,左右声道的数位讯号经输入介面送进杂讯整形滤波器,出来成为1 bit 讯号,再进入由cmos闸和电容组成的1 bit d/a将1 bit 讯号变成连续讯号,最后透过类比低通滤波器输出。

philips的dac7解码模组中就有使用到saa7350,实际上该说它只用了saa7350的前半总再加上两枚tda1547 1bit converter,tda1547的功能大致相当于saa7350的杂讯整形滤波器输出的1 bit讯号,然后经过tda1547的1 bit d/a至积分线路,再经由低通滤波器输出由saa7350+tda1547再加上npc的sm5803和其他周边元件就是dac7数位模组,广泛地使用在飞利浦和其他厂牌的1 bit d/a系统中。

dac7的作法虽然仅将saa7350中的后半总另外使用,却使得类比部分免于受到数位部分的严重干扰,使线性更加完善,否则飞利浦也不会如此浪费去使用和saa7350类比部分功能重复的tda1547晶片。

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早期的1bit dac为达到多bit相当程度的精确度,必须使用非常高频的colck。若是用1bit d/a以一个lsb表示16bit的资料,clock频率将高明达44.1khzx(216-1)=2.8900935ghz,才与16bit相当就需要近3ghz的时钟频率。这样看来,似乎1bit dac没有什么前途。还好后来又陆续发展△∑调变方式,又演进到“多级杂讯量化抑制技术”mash(multistage noise shaping)使1bit dac可以比以前使用较低倍的clock就能得到更高的精确度。在今天,大多数的1bit解码单元都有应用到上述技术,所以不论是mash、△∑、 ∑deco,其实都是1bit。

2、Crystal公司的CS4396/4397和CS43122

Crystal公司在数字音频界也具有很高的地位,其1999年7月推出的CS4396和CS4397足以与PCM1704平起平坐。 CS4396采用非常流行的多比特 Delta Sigma 解码方式, 拥有24bit的解码精度,同时内置数字滤波器。CS4396依据飞利浦开发的动态单元匹配技术(Dynamic Element Matching)将脉冲数码调制(Pulse Code Modulation)信号转换为脉冲密度调制(Pulse Density Modulation)信号,最后通过开关电容构成的低通滤波器将数字信号转换为模拟信号。 这种多比特芯片结构拥有更低的频带外噪声,对时基抖晃的敏感程度也降低不少。当时,CS4396的取样频率最高已经达到192kHz, 信噪比也达到了令人惊异的120dB,总谐波失真和噪声达到了-100dB, 动态范围则达到了120dB(超过了PCM1704)。CS4397的性能参数与CS4396没有什么太大差别,区别之处只在于CS4397可以提供外接PCM或SACD的DSD内插式滤波器。1999年10月,Crystal推出集成度更高的CS4391/4392,其内部不仅包含四阶Delta Sigma解码,数字滤波器更包含模拟输出滤波器和音量控制。它的取样频率最高仍为192kHz,但动态范围降低到了107dB,总谐波失真和噪声达到了-97dB 。

音频DAC解码芯片浅谈(除ESS和AKM外解码芯片介绍) 第12张

在2000年12月, Crystal 公司推出了性能更为优越的DAC芯片CS43122,它采用了第2代的动态单元匹配技术,获得了高达122dB的动态范围。它的信噪比仍然是令人惊异的120dB,总谐波失真和噪声达到了-102dB,是当年性能最好的DAC芯片之一。

CS4397声音中性,音乐感染力好,解析力和动态都高于TDA1541,音乐味道高于AD1955,是介于1541和1955的风格中间。这特特性造就了声音比较厚实,高音最细腻,属于中性偏温暖类型的声音,声音甜美。大量名机选用,例如美国MBO的机器,参考线路多,设计成熟。

CS43122:比CS4397效果更好,音色稍有区别。为当年水晶公司的顶级款。不过芯片现在已经停产了。

3、ADI公司的AD1853

Analog(模拟器件)公司在DAC芯片领域也有一席之地, 1998年年底该公司推出了最顶级的DAC芯片AD1853。它是世界上第1片可以适应DVD Audio 192kHz取样频率且拥有多比特Delta Sigma解码功能的芯片。 其完全适应DVD Audio的全部格式,支持48kHz、96kHz、192kHz的取样频率,支持24bit的数据宽度,支持红皮书标准,内置速度为50 μs/15 μs数码去加重滤波器( 取样频率为32kHz、 44.1kHz和48kHz),并且它的截止通频带内补偿高达115dB。AD1853内含完美差分线性还原技术,可以大幅降低噪声。其内置数据非规律型定向技术, 可以将感染时基抖动 (Jitter)的可能性降之最低。 最优秀的是它的总谐波失真加噪声在单声道时为 -107dB, 立体声时为-104dB。 虽然过去两年多了, 但仍然没有任何DAC芯片拥有如此低的噪声和失真。AD1853在其他方面的性能也丝毫不差。 其A计权单声道不静音取样频率为 48kHz 情况时的信噪比为120dB, 立体声时为117dB; A计权单声道不静音取样频率为48kHz情况时动态范围为119dB,立体声时为116dB。单从数据上看,它也可以成为世界上最好的DAC芯片之一(同时也是数据规格最严格的厂家之一),并且将此记录保持了两年多。Analog后面推出比AD1873更高档的DAC即AD1955。

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这样好的芯片不会无人赏识,金嗓子在它生产的两声道解码器和CD机中全部使用AD1853,而天龙也在其所有顶级多声道放大器和CD 机中广泛使用AD1853。

AD1853芯片和AD1955的细节和动态很好,能量感也好,除了PCM1704/1794,其细节/动态/解析力相当高,属于凶悍类型。但有的人觉得声音象白开水,缺少音乐性。AD1955的设计需要会软件编程的,如果只用硬件是很难完全发挥优势的。

4、NPC公司的SM5865

超过AD1853的DAC芯片只有NPC公司的SM5865。NPC在业界也具有较高的知名度,像马兰士的高级CD唱机就大量使用NPC的SM5872作D/A转换,但在多声道环绕声放大器之中NPC的身影不常见。然而,NPC的DAC芯片质素之高丝毫不逊色于世界上任何一个厂家。SM5865采用了飞利浦第2代动态元素配对技术、 三阶Delta Sigma噪声整形器,31级量化,从而获得了目前世界上最低的DAC芯片总谐波失真特性。其总谐波失真加噪声只有0.0003%,也就是-110.5 dB。它的音频带内量化残留噪声也非常低,甚至可以省去低通滤波器。输出级也采用了差分电路,可以输出非常准确的模拟信号。SM5865仍采用24bit的转换精度,最高取样频率也是192kHz,动态范围为117dB,信噪比为120dB。需要指出的是SM5865是单声道芯片。

5、Wolfson——WM8741

音频DAC解码芯片浅谈(除ESS和AKM外解码芯片介绍) 第16张

WM8741是Wolfson公司推出的代表产品,Wolfson是目前消费性电子市场高效能混合讯号芯片领导大厂,致力于设计和供应突破性产品,包括超低功耗和高效能的音讯元件、微机电麦克风、电源管理IC和噪音消除方案,构成完整的Wolfson AudioPlus产品组合,协助Wolfson目前客户数码消费性电子产品建立竞争优势,并实现全新终端使用者经验。

音频DAC解码芯片浅谈(除ESS和AKM外解码芯片介绍) 第18张

WM8741将超高性能的带外噪音及线性度,以及特有的可编程高品质数字滤波器结合在一起,该器件可生成比过去传统的数字模拟转换器更加自然的“模拟感觉”声音。通过特有的低阶调制器和多位数字模拟转换器(DAC)架构,可获得较低的频段外噪音和高品质的线性度,从而提高声音质量。WM8741独到地对传统DAC中发现的非自然预响和延迟影响进行特定处理,为音乐回放提供了更清晰、更自然的声音。

WM8741的指标很高,但实际听音效果逊色于他的技术指标。和PCM1794/PCM1792还是没法比。总体来说属于声音细腻甜美类型,比较平和的声音,带有一些欧洲英国味道。缺点是,兼容性相对CS4398差一些,如果硬控和软件设计不太好的话,容易出一些奇怪的问题。这芯片和AD1955一样,产品线路设计和调音对声音影响比较大。英国“莲”比较喜欢用WM8741,有欧系的模拟音乐味道。

6、Cirrus Logic——CS4398

CS4398的生产厂家是Cirrus Logic公司,该公司是精密线性电路和高品质混合信号芯片的供应商。以自己的品牌和商标出售其产品,所生产的产品被应用于海量存储(磁存储和光存储)、音频设备(专业、消费领域和个人计算机)、精密数据转换等领域。在过去的十年间,Cirrus Logic公司获得60多项行业一,其中许多项技术确立了新的相应的工业标准。

音频DAC解码芯片浅谈(除ESS和AKM外解码芯片介绍) 第20张

CS4398是一个完善的立体声24位/192千赫数字至模拟(D/A)转换系统。该D/A系统具有数字去重、0.5分贝步长音量控制、ATAPI声道混合、可选快速和慢速数字插补滤波器、以及一个采用失配定型技术电容错配消除失真的过采样多位Delta-Sigma调节器。该系统还配备一个多元素转换电容和带差分模拟输出的低通滤波器。表现的出来的声音:较为温暖细腻,富有情感,细节表现出色。CS4398是CS43122停产后推出的新的芯片,为现在水晶公司最高级别款。声音风格类同于CS43122,现在与CS4397一起并肩作战于DAC解码芯片市场。周围电路设计好了,动态决不逊色于PCM1704/1794等更高指标芯片。表现出来的声音:温暖细腻,大概是这几款顶级芯片里面最细腻的了,听唱歌非常好,富有情感,细节表现好,动态指标也非常高,柔中带刚。

音频DAC解码芯片浅谈(除ESS和AKM外解码芯片介绍) 第22张

正在热销的马兰士解码耳机放大器一体机HD-DAC1的解码模块使用的就是CS4398,配搭马兰士HDAM-SA2模块,使HD-DAC1不仅驱动耳机表现出色,还可作为纯解码器连接其它功率放大器或一对有源扬声器。

音频DAC解码芯片浅谈(除ESS和AKM外解码芯片介绍) 第24张

最终总结:

在同样周边设计水平基本一样的条件下,DAC芯片音效,综合排名(实际声音表现跟电路关系巨大,仅供参考):

第1名:PCM1794/PCM1792/PCM1704。(目前世界第一效果的芯片,24BIT时代最好的芯片,价格也比下面几款贵了好几倍)

第2名:ESS9018/9028/9038(目前世界指标最高的芯片,支持到32位/500KHZ,1BIT的高速芯片,是BB公司强有力的竞争者)

第3名:CS43122/CS4398/CS4397/CS4396。(最好的CS43122停产了,否则也有能力和PCM1794来比美,可惜,现在能大量买到的只有CS4398了)

第4名:AKM4497/4490/4395,便宜又实惠的解码芯片,指标不高素质上有所欠缺但听感不错。其中4497可以排入第4,其余的只能排到第8名前面。

第5名:AD1955(由于AD1955发挥随设计水平变化很大)

第6名:WM8741(这芯片声音效果不比CS4398差,只不过兼容性逊色于CS4398)

第7名:PCM1702(20BIT时代的较好芯片之一)

第8名:TDA1541/TDA1547。(16BIT时代的最好的芯片。毕竟20年前的老黄忠了,16BIT的从指标来说就比24BIT的落后了1024倍。)

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