SABRE HiFi 要聽就聽最好的!!: 音訊DAC技術指南:高階解碼晶片排名 |
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![]() 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。 ![]() 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。 ![]() 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。 ![]() 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: ![]() 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。 ![]() 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。 ![]() ![]() 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。 ![]() 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。 ![]() ![]() 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。 ![]() 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: ![]() ![]() 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。 ![]() 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: ![]() 按推出/上市時間排名: ![]() 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. 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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. 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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 |
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