音频解码芯片排行 高端HIFI发烧音频DAC解码芯片排名

小编 2024-10-06 方案设计 23 0

高端HIFI发烧音频DAC解码芯片排名

音频“解码器”中最核心、重要的器件,无非就是“解码”(DAC,数模转换)芯片了,大家常常很关注音频DAC芯片的选用,也热衷于对其优劣的讨论。

本文尝试对当前最优秀的高端音频DAC芯片的结构、技术和性能等做简单介绍,作一个排名,以供大家参考。

尽管如此,任何一个优质的音频DAC芯片(无关排名),都有可能被用来实现整机的好声音。想必,我们要客观地认识DAC芯片的重要性,更要客观地认识芯片的整机配合的重要性。所以,本文并不提倡唯“芯”主义

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音频DAC芯片的类型

1970年代,开始有了单片集成电路(IC)的DAC,就算是开启了DAC的芯片时代。而最早的DAC芯片是从使用加权电阻的结构,双极晶体管的工艺(处理)技术开始的。

1975年的8位DAC芯片DAC08,摘自 《The Data Conversion Handbook》, ANALOG DEVICES, 2005

1)分压式

在音频应用,传统的技术是使用分压式结构的(R-2R是分压式的一个特例),多位(并行输入)的PCM(脉冲编码调制)数据格式,为了改善精度和提高速度,降低功耗,工艺逐步采用互补双极集体管、薄膜电阻加激光矫正和现在的CMOS电路等。这类芯片中,著名的有如Burr-Brown公司(2000年被Texas Instruments收购)R-2R结构的几款芯片:

PCM63:支持20位/96kHz的PCM音频信号,动态范围108dB;

PCM1702:1995年推出,20位,动态范围110dB;

PCM1704:1999年推出,24位,动态范围112dB。

这些芯片都采用了一些特别手段来改善性能,如使用“符号量级(sign-magnitude)”架构在零位附近采用小的级差、互补的两套DAC电路来产生绝对的电流,激光矫正的电阻等措施,来减少过零失真和差分误差。

R-2R DAC芯片PCM1704,摘自《PCM1704 24-Bit, Datasheet》,Burr-Brown Corporation, February, 1999

Philips半导体公司(2006年与Motorola半导体合并成立成为NXP半导体公司)还推出了的数字流(串行输入)的DAC芯片如:

TDA1541/TDA1541A:16位,推出时间分别为1985年和1991年,信噪比95dB和110dB,使用10位+6位的分压器,其中低位6位使用3个2位进行轮换,实现动态元件适配(DEM)功能,来降低失真,TDA1541A按差分线性误差从高到低还分为/N2/R1、/N2和/N2/S1的级别;

TDA1547:1991年推出,1位(支持20位PCM信号),信噪比113dB,动态范围108dB,需与SAA7350数字流电路配合使用。分离芯片的布局和独立声道设计,有很好的声道分离度(115dB),通过切换电容分压网络来进行数模转换,很适合当时的高端CD机等设备使用。

数字流DAC芯片TDA1547框图,摘自《 TDA1547 Datasheet》 Philips Semiconductors, September 1991

2)Sigma-Delta

性能更好(动态范围更大、噪声和失真更小)、数量更多的是,使用多位Sigma-Delta调制器的,音频DAC芯片。有名的有如:

美国Analog Devices(AD)公司的AD1955;美国Cirrus Logic(CL)公司的CS43xx系列,英国Wolfson半导体公司(2014年被Cirrus Logic收购)的WM87xx系列,美国Texas Instruments(TI)公司的PCM179x和DSD179x系列,美国ESS公司的SABRE SOUND技术品牌下的ES90xx和ES90xxPRO系列,日本Asahi Kasei Microdevices(AKM)公司,2007年的全球第一款32位的AK4397,和之后VELVET SOUND技术品牌下的AK44xx系列,等等。

当下,ESS、AKM、Cirrus Logic、Texas Instrument等公司是目前高端音频DAC芯片的主要供应厂商。

3)FPGA/CPLD

随着芯片技术的进步,实现DAC功能的方法也有更多的选择,FPGA(现场可编程门阵列)或CPLD(复杂可编程逻辑器件)可以用来按设计人的需要来实现DAC的功能。这类器件的厂商主要是美国的Xilinx和Intel(被收购的Altera)公司。

主流芯片

由于技术的局限,R-2R DAC芯片在性能上再提高有很大的困难,FPGA或CPLD来实现DAC技术细节不统一,而采用Sigma-Delta技术的芯片,由于动态范围大、噪声低、CMOS电路成本低且容易在片上增加其它处理功能等优势,是目前音频市场也是高端音频市场的主流芯片。

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芯片构成

音频DAC芯片的构成主要有以下几种形态:

1)基本DAC

音频DAC芯片最基本的功能部件,是一个多路转换器接收各种格式的音频信号(DSD或PCM)、过采样和数字滤波器、调制器和数模转换输出等。AKM公司的AK4499、AK4497和Texas Instruments公司DSD1794等芯片就是采用这样的构成的,如下图所示:

基本DAC芯片构成

这样的芯片需要和外部的数字音频接收芯片配合使用,才能接收如SPDIF(索尼飞利浦数字接口或索尼飞利浦数字互联格式)/AES(美国音响工程协会)/EBU(欧洲广播联盟)等标准下的串行音频数据。Cirrus Logic公司的CS8416就是一款典型的数字音频接收芯片。

数字音频接收芯片CS8416框图,摘自《CS8416 Datasheet》,Cirrus Logic, Inc. AUGUST '07.

2)带数字音频接收器

有的芯片会把数字音频接收器集成到同一个DAC芯片中,如ESS的ES9038PRO、ES9028PRO等,集成了一个SPDIF功能块。这样,采用更高程度SoC(片上解决方案)设计思路带来的好处,不仅可以减少芯片数量、减少电路板的占用面积、减少外部干扰、减少耗电等,更重要的是,可以更方便地进行数据处理,来实现一些技术手段。

带SPDIF接收器的DAC芯片

SPDIF数字音频接收器设置比较

3)独立调制和独立数模转换

芯片如目前尚未上市的AKM的AK4191,是一个独立的64位调制器,支持DSD1024和高达1536kHz采样频率的PCM信号,与AK4498独立数模转换芯片组合使用,可以实现高密度的音频播放。

4)片上解决方案(SoC)

芯片如Cirrus Logic公司的CS43131、CS43198等,在基本DAC功能块后,附带了模拟滤波器,可以直接输出模拟信号;如ESS公司的ES9219、ES9080,AKM的AK4377A等,附带功率较大的模拟放大器,可直接接入耳机;再如ESS的ES9038Q2M等,采用低功耗设计。SoC设计简化整机组成和材料,体积减小,降低成本。这些芯片是以应用为导向的,比如面向移动电话或移动设备使用等。

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技术手段

目前高端音频DAC芯片,几乎都是使用了性能较好的多位Sigma-Delta调制器的,采用了如过采样和数字滤波、噪声整形、动态元件适配(DEM)等技术。除此以外,各厂商还开发出了各自的技术,来进一步提高芯片的整体性能。

1)异步采样率转换(ASRC)技术

常规芯片跟踪音频时钟的方式是使用PLL(锁相环)技术。下图所示,是一个典型的PLL电路原理图。PLL实质是一个反馈电路,用来跟踪输入信号的时钟和变化。

常规PLL电路原理图,摘自《CS8416 Datasheet》,Cirrus Logic, Inc. AUGUST '07.

通过仔细的设计和元器件的选择,PLL可以实现很好的时钟跟踪的性能,并控制Jitter(时基抖动)在较小的水平。但是,PLL电路的性能容易受信号质量、传送线路质量、器材、干扰和速度等因素的影响,在高速的状态下性能受限制。

ESS公司使用了异步采样率转换的技术,通过适当的计算,使DAC的时钟与音频信号时钟保持一致但与暂态变化脱离,芯片使用本地产生的时钟信号,DAC的Jitter仅取决于本地晶振的固有性能,实质性地来消除信号中和传输中的Jitter,降低对前端信号质量、连接线、器材等的要求。ESS公司Sabre DAC的SPDIF接口能够达到很宽裕的Jitter容忍度。

Sabre DAC的Jitter消除电路原理图,摘自《 About Jitter》AMM ESS, October 2011;

芯片不同时钟来源比较

2)HyperStream调制器

ESS公司的低阶级联的调制器,称为HyperStream调制器,使调制深度接近100%,并且保持调制器稳定,从而降低Sigma-Delta DAC的暂态(频域)非线性和噪声。

3)过采样率倍增器(OSR Doubler)

Sigma-Delta DAC都采用过采样技术来扩大动态范围,再通过噪声整形来降低音频频带内噪声。早期的DAC芯片的过采样频率还在较低的水平,如4~16倍的标准音频采样频率,现在的芯片可以做到更高的频率,来进一步提高DAC的性能。日本AKM公司,在数字滤波中采用过采样率倍增器(OSR Doubler),来增加输入信号的范围、降低音频带内噪声、同时降低功耗,其高端DAC芯片如AK4490等,过采样倍数可达到256倍。

4)分段DAC

按所处的位置和所起作用的不同,分段数字信号高位和低位,再有目的地分别进行处理,可以提高DAC的性能。Texas Instruments在PCM179x和DSD179x系列等芯片中采用了这项技术,称为“先进分段DAC",来增加动态范围和提高对Jitter的容忍度。

Texas Instruments的“先进分段DAC”原理图,摘自《DSD1794A Datasheet》Texas Instruments, NOVEMBER 2006

5)其它技术

为了尽可能地改善音频DAC芯片的性能,厂商还会采取其它一些的技术,如:数据加权平均(DWA)、增益矫正和失真补偿、基准参考电压矫正、电流输出、低输出阻抗、差分互补输出、外部数字滤波、低噪声线性电源,等等。技术手段是多样的,且有些技术还处于保密之中,因此也难以一一罗列和描述。

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高端音频DAC芯片排名

动态范围是音频DAC有代表性的性能参数,以下就按此性能高低并结合其它因素,对最高端部分的音频DAC芯片进行排名。

高端音频DAC芯片排名:

注:动态范围数据为各厂商公布的各对应芯片的最大值。排名未包括应用导向(如含有模拟放大器SoC)、独立调制器、独立数模转换器和停产的等芯片。

ESS公司的ES9038PRO作为目前为止行业内参数指标最高的芯片之一,片上集成了SPDIF接口,通过采用采样率的异步转换技术的Jitter消除电路,与前端传输Jitter去耦合,有很大的Jitter容忍度,HyperStream专利调制器能使Sigma-Delta调制器克服一些频域暂态的非常线性,外加其它的一些技术,如失真矫正、8通道可随意切换的差分DAC、专用的超低噪声线性电源(ES9311Q)等,作为性能最好的芯片,有许多的优势。

ESS公司旗舰ES9038PRO框图,摘自《 SABRE PRO ES9038PRO Datasheet》,ESS March 5, 2019

AK4499,AKM公司的新旗舰,排列中引脚最多且价格最贵的芯片,动态范围也达到了业内最高(与ES9038PRO平齐),但是没有附带SPDIF接口,所以如果在同等条件下考虑的话,综合的性能指标,应该略低于单片的指标。另外AK4499为4通道DAC,少于ES9038PRO;对DSD的支持最高为DSD512,也低于ES9038PRO的DSD1024。

引脚最多的AKM新旗舰AK4499,摘自《 AK4499 Premium Switched Resistor 4ch DAC》, AsahiKASEI, 2019/02

ES9028PRO,与ES9038PRO几乎是完全相同的芯片(包括功能和芯片包装、引脚),只在两处可以发现到差别:一是输出阻抗大于ES9038PRO;二是动态范围、失真和噪声的指标低于ES9038PRO一个级别。综合指标是否会高于同等条件下的AK4499(增加SPDIF接口等)尚没有依据,略逊色于旗舰芯片。

ES9008、ES9018,也是32位、8通道的芯片,也采用了异步采样率转换等技术,均为当时性能指标最高的芯片,但是ESS公司SABRE SOUND品牌下较早推出的芯片,使用的也是较早期的HyperStream调制技术,综合性能在ES9028PRO之下。

AK4497是AKM公司的上一个旗舰芯片,有名望的芯片,2通道DAC,各参数性能优秀,也支持32位/768kHz和DSD512的音频信号,指标略低于新旗舰AK4499。

曾经声名大噪的1794(PCM1972、PCM1794、DSD1792、DSD1794),Texas Instruments(被收购的Burr-Brown,BB)公司最有名的芯片之一(系列),采用专有的ADVANCED SEGMENT(先进分段)调制技术。虽然推出时间比较早,但还是性能指标不低的芯片,不足之处是24位的芯片,支持的采用频率也有局限。据此,可能应该向后排列,但如果对音乐信号位数(如32位PCM)不是太刻意要求的话,还是很好的芯片。

CS4399和AD1955分别是Cirrus Logic和AnalogDevices公司最高端的音频DAC芯片,AD1955时间较早但CS4399还是最近几年的产品;WM8740、WM8741、WM8742是Wolfson半导体(属于Cirrus Logic)公司的芯片,其中WM8741性能为最优;AKM公司的AK4490曾经是最畅销的芯片,之后的替代产品AK4493和后来推出的其它型号的芯片有更好的性能;ESS公司的ES9026PRO、ES9016分别是定位低于对应的ES9038PRO和ES9018的产品,Sabre9006AS更是更早期芯片ES9006的替代品;PCM1795是Texas Instruments公司少数支持32位的音频DAC芯片,和PCM1796、PCM1798一样,性能低于PCM1794系列,是比PCM1794、PCM1792级别稍低的产品。

排列稍靠后的芯片,基本上是各公司旗舰或最高端芯片之下,低一点级别的产品,或是时间较早的核心产品,性能指标不俗,与各旗舰相比,有较好的性价比。

再从另外的角度看一下排名情况。

按价格排名:

注:按当前官方销售渠道的各芯片销售价格与其中最低价格相除得到价格指数。

按推出/上市时间排名:

注:以各厂商的官方商业文件和其它官方资料提供的信息作为时间依据;芯片WM8740/41/42的推出/上市时间尚不能确定。

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小结

ESS和AKM公司的芯片的推出时间较晚、技术较新,有较明显的优势。排名先后不等同于声音的优劣,而且,每个人对声音的评判会有自己的理解和标准。任何一款优秀的芯片都有可能带来激动人心的好声音;同样,任何一款优秀的芯片,也都可能会受整机中其它部件的限制而发挥不出应有的性能,就比如120dB的动态范围的来说,外围电路要能够实现这个性能也不是容易的。高端音频DAC解码芯片技术复杂、种类繁多,遗漏和差错在所难免,欢迎指正、补充。

V2.0,2021年3月2日

参考资料:

1. The Data Conversion Handbook, ANALOG DEVICES, Walt Kester, Editor, ELSEVIER 2005;

2. Technical Details of the Sabre Audio DAC, Martin Mallinson and Dustin Forman, ESS Technology Technical Staff;

3. About Jitter:Digital Audio's weakest link, AMM ESS, October 2011;

4. TDA1541 Dual 16-bit DAC, Philips Semiconductors, November 1985;

5. TDA1541A Stereo high performance 16-bit DAC, Philips Semiconductors, February 1991;

6. TDA1547 Dual top-performance bitstream DAC, Philips Semiconductors, September 1991;

7. SAA7350 20-bit input bitstream conversion DAC for digital audio system, Philips Semiconductors, November 1991;

8. SABRE ES9008 Reference 8-Channel Audio DAC Datasheet, ESS TECHNOLOGY, INC., February 18, 2015;

9. SABRE ES9016 Ultra 32-bit 8-Channel Audio DAC Datasheet, ESS TECHNOLOGY, INC., May 8, 2015;

10. SABRE ES9018 Reference 32-bit Audio DAC Datasheet, ESS TECHNOLOGY, INC., May 8, 2015;

11. SABRE PRO ES9026PRO 32-Bit HyperStream II 8-Channel Audio DAC, ESS TECHNOLOGY, INC., May 5, 2019;

12. SABRE PRO ES9028PRO 32-Bit HyperStream II 8-Channel Audio DAC, ESS TECHNOLOGY, INC., July 6, 2020;

13. SABRE PRO ES9038PRO Flagship 32-Bit HyperStream II 8-Channel Audio DAC, ESS TECHNOLOGY, INC., March 5, 2019;

14. SABRE HIFI ES9038Q2M 32-Bit Stereo Low Power Audio DAC Datasheet, ESS TECHNOLOGY, INC., July 7, 2019;

15. SABRE HIFI ES9080 32-Bit High-Performance 8-Channel DAC Prodcut Brief, ESS TECHNOLOGY, INC., Dec 1, 2020;

16. SABRE HIFI ES9219 32-Bit Stereo Low Power DAC with Headphone Amplifier, Analog Volume Control, and Output Switch, ESS TECHNOLOGY, INC., February 27, 2020;

17. SABRE SABRE9006A Premier 8-Chnannel Audi DAC Datasheet, ESS TECHNOLOGY, INC., May 4, 2020;

18. AK4495S/95 Quality-oriented Premium 32-Bit 2ch DAC, AsahiKASEI, 2014/04;

19. = Preliminary = AK4191 Premium Digital ΔΣ Modulator, AsahiKASEI, 2020/02;

20. 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. Oct ‘17;

33. WM 8740 24-bit, High Performance 192kHz Stereo DAC, WOLFSON MICROELECTRONICS LTD, July 2000;

34. WM 8741 24-bit 192kHz DAC with Advanced Digital Filtering, WOLFSON MICROELECTRONICS LTD, October 2007;

35. WM 8742 24-bit 192kHz DAC with Advanced Digital Filtering, WOLFSON MICROELECTRONICS LTD, February 2013;

36. PCM63P Colinear ™ 20-Bit Monolithic Audio DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTER, Burr-Brown Corporation, January, 1998;

37. PCM1702P PCM1702U BiCMOS Advanced Sign Magnitude 20-Bit DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTER, Burr-Brown Corporation, June, 1995;

38. PCM1704 24-Bit, 96kHz BiCMOS Sign-Magnitude DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTER,Burr-Brown Corporation, February, 1999;

39. PCM1794A 24-BIT, 192-kHz SAMPLING, ADVANCED SEGMENT, AUDIO STEREO DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTER, Texas Instruments, NOVEMBER 2006;

40. PCM1792A 24-BIT, 192-kHz SAMPLING, ADVANCED SEGMENT, AUDIO STEREO DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTER, Texas Instruments, NOVEMBER 2006;

41. 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.

(结尾)

音频解码芯片介绍(除ESS和AKM公司之外的芯片及总结)

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)

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。

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。

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。

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。

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 。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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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