用 Cirrus 旗艦級(Flagship) DAC 晶片自製一部高級數位輸入的類比式前級擴大機


2007年4月15日星期日

   目前市面上可以買到的頂級數位類比轉換器就屬半導體大廠 Cirrus Logic 的 CS4398 以及 TI 的 Burr-Brown 公司所出的 PCM1792A 了,這兩家所出的頂級 DAC 各有特色,他們都做到最高可達到 192KHz 的取樣頻率、24位元、平衡式類比訊號輸出、數位式音量控制,每級音量控制可達 0.5dB 以及多種數位濾波方式可供選擇,但是他們也有各自不同的特色,CS4398是採用平衡式類比電壓輸出,數位類比轉換採用前衛的多位元 Delta-Sigma 結構,動態範圍達120dB,總諧波失真達-107dB,而 PCM1792則是採用平衡式類比電流源輸出,類比數位轉換更是採用前衛的區段DAC結構,ICOB解碼,3段5階式 Sigma-Delta 以及 DWA技術,號稱在使用 9Vrms 輸出的 Mono-mono 結構下,動態範圍可達 132dB,總諧波失真及雜訊之和可達到0.0004%,從這兒不難發現,這兩家公司無不使出渾身解數,用盡最尖端科技,來追求音響的完美最高境界。


    其實這兩家所開出來的規格可以說是人類耳朵所無法分辨出來的,就算是一般實驗室級的儀器設備都很難分辨其高下,但是就是有一群完美主意的音響迷,即使僅憑藉著幻覺也要一分高下,這就是 “發燒友“ 對完美音響的執著與堅持。


    這部機器總耗電量在五瓦特以下,在待命狀態下更是低到三瓦特,因此不用關機,所以沒有電源開關,整個電路為全平衡設計,也就是說從數位轉換成平衡式類輸出後一直到最後的平衡輸出端子,全部是平衡電路,連音量控制都使用兩套獨立的平衡控制,目的是藉由全平衡電路,已達到將電路上的共模雜訊降至最低,以產生純淨超低失真以及較高動態範圍的聲音輸出,以下就對這部機器的各個功能電路做一個簡單的介紹,首先來看看它的輸出入界面,從下面照片可以看到,它有四組數位訊號輸入,分別是專業平衡式數位輸入、光纖 TOSLINK 數位輸入,以及RCA,BNC各一組非平衡式數位輸入,右邊是一組平衡式類比輸出,中間則是110V交流市電電源供給輸入。




  1. 電源供給電路:

    共使用五組各自獨立的電源穩壓器,並作雙層穩壓以達到最高水準的純淨穩定直流電源,全部採用350KHz 的高頻隔離穩壓,以取得對地的高度隔離,完全隔絕交流哼聲,大幅降低由市電傳來的聲頻雜訊干擾,以及最好的電源濾波效果,由市電供給的110V/60Hz 先經過一個數位穩壓器產生 24V 的直流電,這個穩壓過的直流電同時經過四組數位式穩壓器分別輸出兩組5伏特的直流電分別供應數位控制電路及 DAC 的類比電路使用,另外兩組獨立的 +15V/-15V 雙電源分別供應左聲道及右聲道類比訊號處理電路使用,讓左右聲道完全獨立運作,提高左右聲道分離度,杜絕因左右聲道互相干擾所產生的互調失真(Cross talk distortion)。

  2. 微處理器控制電路 AT89C52 MPU它的主要功能如下:

    1.四個大型LED顯示器,用來顯示音量及機器工作狀態,這四個紅色LED是高亮度型,所以很省電。

    2.一個紅外線接收器,位於上面所述LED左方,用來接收紅外線遙控器控制。

    3.點亮面板左上方四個輸入訊號顯擇的 LED 及右上方顯示工作或待命狀態的澄、藍雙色LED。

    4.接收面板三個控制按鈕以進行 輸入訊號選擇、靜音、進入待命狀態、以及音量大小控制、LED亮度控制。

    5.SPI界面,對CS8416傳送控制命令及接收狀態資料。

    6.SPI界面,對CS4398A DAC 傳送控制命令及接收狀態資料。

    7.SPI界面,經由 PGA2310 控制音量大小及靜音。

  3. AES3/SPDIF/IEC60958 標準數位訊號轉換器 CS8416:
    CS8416 是一個將一般數位音響如CD/DVD唱盤或電腦等送來的 AES3/SPDIF/IEC60958 標準數位聲音訊號轉換成 DAC 晶片所能接受的 PCM 數位訊號,這顆晶片可處理 32KHz 到 192KHz 的數位傳輸訊號,並且可以最多選擇八個數位訊號輸入源,它有一個很強的相位鎖住 (PLL) 能力,以便得到很低的脈波抖動率(Clock Jitter)。

  4. 數位類比轉換器 (DAC) CS4398:
    之前已經介紹過它驚人的威力,這裡不在重述,它是這部機器的心臟,接受由 CS8416 傳來的 PCM 數位聲音訊號,將它轉換成雙聲道平衡式電壓訊號。它內部含有一個數位音量控制,但是因為數位音量控制會降低聲音品質,因此我將這項功能給它關閉,用後面的 PGA2310 純類比音量控制取代,以達到高性能的訴求。

  5. 類比低通濾波器:
    這個電路是根據 Cirrus 建議的電路設計的,在Cirrus網站上可以找到參考電路圖 (CDB4398 Evaluation Board for CD4398) ,它的設計計算公式也在網站上的 AN48 有詳細公式及說明,因此要找到市面上買得到的電阻、電容值並不難,電阻採用Dale及英國 Hocol 的高級金屬膜電阻,濾波電容則是用最高級的 WIMA Black Box 音響專用金屬薄膜電容,OP 在 Evaluation Board 上是建議使用 LT1128,但是在這兒,我使用更高等級的 OPA627BM, 這是 BB 專為音響做的頂級金屬殼OP放大器。

  6. 平衡式類比音量控制器 PGA2310:
    這顆 PGA2310 用數位訊號去控制純類比音量的控制器,是目前音響界當紅的炸子雞,它的各項優點在美國著名的 Jeff-Roland 公司網站上讚譽有加,早已被該公司著名的前級擴大機機種採用,PGA2310 是一顆內含兩個音量控制的立體聲控制器,在這裡我模仿 Jeff-Roland 使用兩顆,每一顆的兩個聲道用來控制同一聲道的正、副兩個半週,如此不僅可以達到全平衡電路的目標,而且因為左右聲道因此不必工作在同一顆IC內,如此將可以大幅提升左右聲道的分離度,不會有左右聲道交互作用而產生 Crossatlk 互調失真。

PGA2310內部也有一個類比音頻擴大機,最大可以放大到+32dB,也就是40倍的電壓放大,當音量控制在輸出訊號電壓小於輸入時,也就是說增益等於或小於 0dB 時,PGA2310不會有電壓放大的動作,它只會是相當於一個標準純電阻衰減音量的電路,因此不會產生失真或劣化音質的現象,最多可以衰減到-95.5dB,它的電器特性當然勿庸置疑得相當優秀,動態範圍120dB,總諧波失真及雜訊和小於 0.0004%,每段音量控制為0.5dB,誤差可以控制在正負 0.05dB 範圍內。

這顆IC的輸出能力也很強,可以直接接到這個前級的輸出端,不須再多加一個輸出級,如此少一個香爐少一支香,也減少產生失真及雜訊的機會。



    以上是我對這部機器的簡單介紹,接下來我已透過網路郵購,從美國直接購得 BB 的 PCM1792A DAC 晶片組,預備做一個 Mono-mono 的DAC,已完成接受另一個 DAC 世界挑戰的心裡準備,敬請期待。