走出误区,设计打造高品质DAC.doc

走出误区，设计打造高品质DAC

DAC解码器（下简称DAC）已日渐在国内的DIY朋友中流行起来，日常不少朋友曾问及笔者，用什么的芯片好，各个D/A芯片之音的音色有何分别？似乎大家都是认定，决定一台DAC的音质的因素是D/A芯片，其实这是一个较大的误解！笔者认为，导致音质的最大差距并不是在于D/A芯片，也不是用了什么二次锁相环电路，而是模拟输出电路与电源的供应！这可能会令不少人感到惊讶，因一直来所宣扬的都是说影响DAC品质的是D/A芯片，时基抖动等，对于模拟电路及电源稳压部分重要性甚少提及，这样也给不少人一个信息：用好的D/A芯片就会有好的音质。事实上，在同样档次的外围电路下这是正确的，但在笔者多年来亲手做过的DAC为数不少，多种常用的D/A芯片也做过了，对芯片的对比的机会也多，发现用设计良好的晶体管电路作输出的PCM58可以好于用运放输出的PCM63P-K。
对笔者说，DAC是属于数字产品，重点应在数字部分上，应在数字部分下大功夫，如加入二次锁相电路，模拟电路应属其次！其实，之所以用数字方式来处理音乐，就因为其失真度低，而音乐最后还是用模拟电路来放大再输出，再者，看看国产的千元级的DAC也用上了PCM63P-K作D/A转换，而几十倍价钱的进口DAC也可能是用PCM63的，但两者的音质差别之大却是无法形容，这时总不可以说国产的DAC中用的PCM63P-K比进口的DAC中的差太远吧，而究其原因，两者最大的差异在于模拟输出电路，这才是进口高档DAC与国产DAC的最大分别。进口高档的DAC往往使用了极为复杂的晶体管输出电路。
笔者曾机缘巧合得到一片富士通的锁相模块，尝试过在一台DAC中加入二次锁相环电路，效果比一般的锁相电路好，但结果，提升也并不大，还不如将输出的NE5532换成OPA2604的分别大，原因会是现在的DIR芯片的性能已相当不俗，与以前的YM3623之类的相比，其内部时钟锁相电路性能优异，令时钟的稳定性提高了不少。当然，用二次锁相电路再提高时钟稳定性会更好，但并不是所有的锁相电路都能比CS8412内部的好，一个优良的锁相电路的成本也不菲，且元件难觅，倒不如将更多的资源放在其他效益高的方面。（上述的富士通模块在以后也再没有找到。）

一直来笔者都钟爱于PHILIPS的TDA1541A与DAC7（TDA1547，此DAC的制作有机会再另文介绍），可能是个人的主观偏见,也因PCM系列的多BIT  D/A通常有LSB与MSB这两个调整端子,而笔者没有仪器去对此进行准确测试，未经调整会对D/A的转换精度有一定的影响，使PCM系列的芯片没能完全发挥,其他一些24BIT精度的1BIT的D/A芯片,声音又过于冷薄。
笔者认为这TDA1541A与DAC7这两个IC是设计相当完美的，DAC7相信不少朋友会认同，TDA1541A可能会有异议了，因其只是一个16BIT的早期设计，距今有二十年的历史了，但试想以PHILIPS这个开创CD机的钜子来说，TDA1541A是其多比特中的最好的D/A芯片，一直用了多年而没有推出更高级的多比特芯片，出于商业理由，如果不是一个完美的芯片的话是不会这样做的，各位不见PCM系列的D/A芯片出了一个又一个？
计师K。I。谓TDA 1541A：“这枚晶片其实是近乎完美的设计，只要其余线路配合得好，分分钟比任何24 bit晶片还要靓声。CD机重播余韵精细度不够是因其数码系统只是在一特定动态范围内工作低过最低数位（LSB或LSD）和高过最高有效数位（MSB）的信号，都不能馈入数码系统内，因为低过LSB的信号无法推动解码器，正是余韵在中途猝然消失的原因，高过MSB的会使解码器出现与音乐无关的怪声及高频剌耳现象。TDA 1541A采用一聪明作法，在LSB上注入了2至3dB的噪音，作用是使最弱音信号的电平混合了噪音电平后提高了2至3dB，避免触及LSB的危险界限，令CD的余韵听起来更畅顺通透自然。”
所以，笔者在平时帮朋友做DAC时会按朋友的要求使用PCM63，1704之类，当下决心更换自己所用的DAC时，依然选用了TDA1541A。在开始设计时，选定的工作方式为经典的四倍取样电路，与SAA7220P/B搭配，在之前已对比过将TDA1541A工作在八倍取样与无数字滤波器的NOS方式下的音质表现，感觉还是四倍取样最好，八倍取样时的动态凌厉，音色稍显清丽，而NOS方式时，中低频醇厚，但高频却表现不佳，如设置模拟滤波电路的截止频率高，则高频显得稍硬，与中低频难于熔合，如设置截止频率低时，虽然可以与中低频熔合了，但又觉得分析力不足，最终，还是在四倍取样时音质最为平衡，全频过渡自然。
至于D/A芯片出来后的I/V转换电路，用有源方式时会渗入了转换电路的音色特点，多数情况下，这种方式会突出了中低频，而高频显得逊色，分析力欠佳，而无源的I/V转换可以取得较平衡的音色，表现最为纯真，于是也采用无源方式的I/V转换电路，但这种电路的缺点是处理不好时信噪比较低，需要在设计时多加注意。
设计模拟滤波器电路时，理论上四倍取样应要有三到五阶的电路，实际上PHILIPS这个芯片组合结构的商品机多数会用两阶的模拟滤波器。而笔者在日常使用中发现，用一阶的模拟滤波电路音质更好，高频的相位变动少了，音质更显甜美，分析力更高，在此也不例外地采用这种方式。
由于输出模拟电路是最后的环节，对音质的影响也最大，所以一定要设计一个性能优异的电路，这里可以选用胆，运放或是晶体管电路，运放是最简单最常用的一种方式，但音质众所皆知，难于做出高档的效果。
用胆做得好音质也不错，但固有的噪音相对大，或许有发烧友认为这并不重要，但是细想一下，假如DAC有更低的噪音的话，就可以听多一些软件中的细致部分，你就会觉得信噪比的重要了，此外，用胆会令声音带有一种固有的音色，这也妨碍了音质的全面提高。多提一下是笔者发现现在的不少国产的DAC常使用SRPP电路作输出，其实笔者认为这并不适合，原因一，是阴极电路与SRPP电路本身的胆味不浓。二，是SRPP电路对负载的阻抗有一定的要求，必需在一定的负载阻抗下才会好声，但至于后面的设备的输入阻抗是多少，设计者不得而知，所以声音好否还要看用户的后面设备是否与设计者的设计目标阻抗匹配，也就是说要碰运气了，在极端的情况下，阻抗不匹配可能令SRPP产生严重的失真！
最终，目光还是放在晶体管输出电路上，这也是整机分析力及音质纯正的最大关键。因此要设计一个高性能高速的晶体管输出电路。或者有些对电路不太熟识的朋友会不解，其实分析力的重放在于输出放大器的噪音电平与上沿与下沿特性，如果上沿特性不好，在信号来了时不能准确及时跟上，信号消失后放大器只能跟上了原信号电平的一半或更低，令信号的幅度比信号缩小，听来自然会不清晰甚至是听不到，分析力也就差了，所以一般的DAC，即使数字部分用了分析力极高的D/A转换器，由于模拟电路的设计不良，大部分的细节还是放不出来。要上沿特性好只有选用高速放大器，而高速放大器可以有效减小对音质影响极大的TIM失真，令音质纯正悦耳。
笔者一向喜欢使用菱形差动电路，因其有着极平衡的音质，极低的失真度，且对于菱形差动电路来说，只要参数的设计合理，三极管的要求反而降低了，即使所有的三极管的误差高达一倍，电路还是十分稳定，音质还是很好的，这点在本刊九一年的有关文章中蔡贤先生也有提及，笔者在这种电路的功放中试过，有意换上了误差很大的三极管
出不接延时保护电路，开关机时喇叭一点的冲击声也没有。可以说是电路复杂了，制作反而更简单。
对于一个音响的系统，笔者是喜欢全程直耦的，而TDA1541A内部是使用单极电流的，会在放大器的输出端产生较大的直流电压，要解决这个问题可以有两种方法，一是使用单极电流补偿电路，二是使用直流伺服电路。使用单极电流补偿电路，会由于TDA1541在工作时的温度是需要一段的时间来稳定，在这段时间内，DAC输出的直流电压是相当不稳定，如果在稳定时调整为输出直流电平为零，则刚开机时最高可能有几百毫伏的直流电平输出，难于实现直耦。只有使用直流伺服电路时才可以令整机的输出保持零电平。虽然一直来不少人认为直流伺服电路的积分会对音质产生不良影响，但我认为这个观点是不成立的，因直流伺服电路的设计截止频率极低，往往只是一两赫兹或更低，距离音频的有效频带20HZ有足够的倍程，对音频的影响绝对比用耦合电容低得多。另外，高档的放大器中，几乎没有那个会不用直流伺服电路。
输出端不设有耦合电容，也没有什么值得担心，因如果DAC出现了问题输出较大的直流电压，后面的功放的保护电路一定会动作，不会对器材造成任何的损坏，所以可以放心地不用耦合电容，以得到最纯真的声音。
从广义角度上说，电源电路也应算是信号电路，所有的音频信号都是模拟电路控制电源来产生的，故此电源的纯净度与速度影响着音频信号，相信不少朋友也有过这种经验：用LM317更换LM78系列的稳压IC后音质会更好，而用TL431后又会更上一层楼，而笔者在多年的实践中，对比过多种稳压电源，最终一直坚持用简单的晶体管并联稳压电源。这种稳压电路在输入端使用了恒流源，其交流阻抗高可以对来自电网的干扰有较大的抑制，其直流阻抗低又可以降低稳压电源的内阻，且这个电路虽是简单，但设有温度补偿，令电压的稳定性比一些常见的并联稳压电源好，这在对数字电路供电时尤其重要。
完成设计的数字电路见图1。输出放大电路见图2。
在印板的设计上，将输出模拟放大器放大在数字电路的两边，虽然这样做不太规范，但这种布局可以有较高的分离度，实际中表达的音场更宽广，反正是DIY的，最重要是音质更好。绘制印板时要注意是高频的信号走线最好用弧形线，以有效减少信号的散失。至于音频部分，可以用弧形线，也可以用具现代感的45度角走线。完成布线后再使用大面积的铺铜地，既有屏蔽作用又可以降低接地电阻。数字电路部分是使用网格形铺铜地，模拟部分用实心铺铜地。
供电的布线设计不容忽视，尤其是数字部分，直接影响着数字电路的工作的好坏，，最好将一个0。1U的电容设计在IC的供电脚旁而将体积较大的100U去耦电容装排在另外的位置，这样做的目的是可以让数字部分做得更紧凑。在供电线上串联有一个低数值的电阻也可以提高IC工作的稳定性。电源线的走线以多条并联走线的电感最低，对于高速工作的数字电路是较好的方式。接地端的设计更加值得注意，在本DAC中，电源部分分离了数字与模拟的地线，然后在同轴输入端汇合接机壳，再由此处分到各部分，所有的输入输出端子都与机壳直接连接，无需绝缘，用一条铜线将其全部连通。这样的接地方式信噪比较好且分析力也好。
完成后的本DAC见图3。在元件的选取上，电阻基本上是以DALE为主，但这种电阻的音色过于醇厚而分析力欠奉，故在重要的部位用上的HOLCO以期望提高通透度。去耦电容用ELNA的SILMIC，容量的大小对低频量感的多少有一定的影响，可以按喜好而选用电容的容量，在SILMIC上并联RIFA电容也是为了提高音质的通透度，RIFA电容的音质也是从所佳知的，中高频柔和而纤细。在TDA1541A的两旁的内部去耦电容对音质的影响颇大，以前的旧型号CD机用TDA1541A的电路而音质不佳，这里也是一个原因，在这里用SOLEN是一个不错的选择，中频的厚润度比用RIFA更好一些。对于元件的选用是要整机搭配的，不是全用最好的元件就可以有好音质。
到电源的部分占了整机面积的一半，这也是高档机中的一个通常做法。在样机中，共使用了十组并联稳压电源对不同的电路部分进行分离供电，且每组电源都由独立的变压器绕组提供，以求更纯净的供电效果。在过往的制作中，发现此举确可以令音质有一定的提升。
设计与制作可以是花尽心机了，但出来的效果如何？这个才是真正的目标。在完成基本的调试与测试再通电一周后正式对这台DAC进行音质的比较。对象机是笔者的马兰士的CD16，此机是93年的机，比后期所出的CD16D等有后缀的音质要好，使用人见人爱的工业级的CDM4PRO，两片TDA1547推挽工作，马兰士的独门武器HDAM输出，机内是镀铜设计，重量为13KG，虽不是什么极品级机型，但也算是一代名机，有一定的代表性。
本DAC所用的转盘是自制的，用了臭名昭著的CDM12。1，多次改动过，效果也还可以，同轴线是一般几十元一米的高耐美线，特点是较中性，同轴接口用BNC型。邀来几位好友，同时开机，通电半小时，开始试机。
可能是笔者平时听习惯了马兰士的音色，所以做出来的机多数会校声到类同于马兰士，本DAC的音色也与马兰士的CD16也不例外地相似。这也打破了人们常说的1比特与多比特的音质差异的说法。CD16的音质已是相当不错，各个频段表现得较平衡，完全没有低档的马兰士机的那种过于蒙厚的表现，而在本DAC中，低频的份量上不如CD16，但相比下会觉得CD16的低频多而哄，控制力比CD16好得多，。不同位置发出的鼓声分得更清楚，中高频要显得圆润而清晰，演唱者的节奏明显，过渡音丝毫不失，感情丰富多彩，发音吐字清晰，轻易感受到演唱者的口形，而在CD16来说，显得有点拖泥带水而稍蒙稍粗。此外，可能是本机的输出电路左右分离设计吧，音场的宽度与深度比CD16稍好一些。
在场的听众简直可以用目定口呆来形容，因在他们认为，本机只是一台运用最经典的电路，在技术上根本不可以与被誉为惊世极品的的DAC7芯片组相比，在转盘上，两者也是差距极大，CD16所用的是顶级的工业级CDM4PRO，时钟电路也是低抖动设计，而本DAC的所用的转盘却没有使用什么特殊方式去抗时钟抖动。即使是马兰士的CD80，用的也是CDM4PRO，TDA1541AS1，音质上也与CD16相差甚远。
之后将本DAC的同轴信号取自CD16，音乐感，空间感有所增强，声音更显圆润，演唱者感情表达极为真实动人，总体上比用自制的转盘要好，当然这CD16的读碟系统也是公认最好音质的工业级CDM4PRO，与CDM12。1比肯定有差距了。这也说明了，本机的设计制作是达到了预期的效果。
总结本DAC，设计的重点在于模拟输出电路与电源供应，而不是在于数字电路。而CD16用的是三端的稳压电源，（可能比我们常的三端稳压IC要好吧），运放作放大，到输出才用HDAM模块，这部分应是劣于本DAC，而数字部分CD16的设计是比本DAC要好，但总体效果却是本DAC要比CD16好，这也说明了，DAC被影响最大的还是电源与输出模拟电路。
以现在流行的D/A芯片来说，转换精度达到16BIT已可以满足CD信号的要求，其失真加噪音也低于-90db，可以说，只要一台DAC的总输出可以保证这样的失真水平输出的话，音质一定不会差，但不少DAC中的模拟电路的失真却高得多，当然并非所有的失真也不好，但失真大的话音质肯定会与原信号有分别，即听到的可能已不是录制时的信号了，为此，设计一个低失真的输出模拟电路是一台DAC的关键所在，将电源也当作音频电路设计，不容掉以轻心。经过精心设计模拟电路与电源电路的DAC，即使是用经典的16BIT的D/A芯片，效果也将令人满意。