In diesem Artikel stellen wir Ihnen einige Hintergründe zu den Konstruktionsprinzipien des Grimm Audio ‘Major DAC’ Digital-Analog-Wandlers in unserem MU2 Musikstreamer vor. Die Umwandlung eines digitalen Signals in ein analoges war schon immer eine große Herausforderung, was die Fülle der DA-Wandlungskonzepte, die im Laufe der Jahre das Licht der Welt erblickt haben, deutlich zeigt. Unserer Erfahrung nach erfordert eine hohe Audioqualität eine extreme Linearität und einen großen Dynamikbereich. Auch wenn die moderne Chiptechnologie sehr fortschrittliche Implementierungen ermöglicht, scheint keine davon den High-End-Audio-Enthusiasten vollständig zufrieden zu stellen. Um diese Einschränkungen zu umgehen, haben sich einige Unternehmen mehr Designfreiheit verschafft, indem sie einen ‘diskreten DAC’-Ansatz verfolgten, bei dem alle digitalen und analogen Stufen des DACs im eigenen Haus entwickelt werden. Das war auch für uns eindeutig der richtige Weg. In einem dreijährigen Projekt haben wir einen einzigartigen Digital-Analog-Wandler entwickelt, der eine optimale Kombination aus dedizierter DAC-Vorverarbeitung im FPGA und unserer eigenen diskreten DAC-Hardware bietet.
Bestehende Techniken verwenden entweder eine Multi-Bit-Konvertierung, eine Single-Bit-Konvertierung (Bitstream) oder eine intelligente Kombination dieser Verfahren, die sogenannte Pulsweitenmodulation (PWM). Die herkömmliche Multi-Bit-Konvertierung verwendet einen Spannungspegel pro Bit, was eine extreme Präzision der Linearität der größeren Bitschritte erfordert. Der größte Bit-Schritt ist beispielsweise viele tausend Mal größer als der kleinste Bit-Schritt, sollte aber die gleiche Präzision haben wie der kleinste Schritt, da sonst das Hinzufügen des kleinen Schritts keinen Sinn macht. Es ist extrem schwierig, mit dieser Technik eine Genauigkeit von mehr als 18 Bit zu erreichen. Infolgedessen zeigen diese Arten von DACs Verzerrungen der Mikrodynamik in der Musik. Außerdem kann das Übersprechen der Steuersignale für die Umwandlung zu einem körnigen oder rauen Klangcharakter führen.
Um diese Probleme zu umgehen, führte Philips Ende der 80er Jahre die ‘Bitstream’-Ein-Bit-Technologie ein. Später wurde sie für SACD als ‘DSD’-Format übernommen. Theoretisch ist ein Single-Bit-DAC von Natur aus linear, da der Single-Bit-Spannungspegel immer ‘präzise’ ist. Aber ein Ein-Bit-Wandler kann natürlich nur zwei Signalpegel anstelle der Tausenden eines Mehr-Bit-Wandlers darstellen, was bedeutet, dass er einen viel höheren Rauschpegel hat. Damit diese Technik für Audio funktioniert, wird die eigentliche Umwandlung durch sehr schnelles Umschalten des Einzelbitwerts durch Oversampling erzeugt und dann das hohe Rauschen mit Hilfe eines Noise Shapers aus dem Audioband in den unhörbaren Bereich oberhalb von 20 kHz gedrängt.
Dieser Prozess bringt leider weitere Herausforderungen für einen DA-Wandler mit sich. Zum Beispiel gibt es strengere Anforderungen an die Jitter-Leistung des Taktgebers. Außerdem wird bei dieser Technik unvermeidlich eine beträchtliche Menge an Hochfrequenzenergie auf den DAC-Ausgang gelegt, was für die nachfolgenden Verstärkungsstufen schwierig sein kann. Außerdem modulieren die Hochfrequenzkomponenten in einer Einzelbit-Architektur auf eine Weise, die vom Audiosignal abhängig ist. Aufgrund dieser signalabhängigen Effizienz arbeiten digitale Noise-Shaper-Systeme mit begrenzter ‘Stabilität’. Infolgedessen werden die Transparenz und die hörbare Kohärenz beeinträchtigt.
In einem PWM-DAC wurden die Nachteile der Einzelbit-Architektur überwunden, indem ein paar Bits (z.B. 5) verwendet und ihre Werte durch eine variierende Breite des einzelnen Bitstroms dargestellt wurden (PWM steht für “Pulse Width Modulation”). Da es immer noch nur zwei Spannungspegel gibt, bleibt das System von Natur aus linear. Auch hier ist ein Noise Shaper erforderlich, um das DAC-Signal zu erzeugen. Anders als bei der Einzelbit-Architektur arbeitet der Noise Shaper jetzt jedoch mit einer konstanten Effizienz. Der Nachteil ist, dass eine noch höhere Taktfrequenz als bei der Ein-Bit-Lösung erforderlich ist. Und, was noch wichtiger ist, die Implementierung eines solchen Noise Shapers erfordert extreme Rechenleistung. In der Praxis führt dies zu einer unzureichenden Implementierung, was sich unweigerlich in einer schlechteren Klangqualität niederschlägt.
Der MU2 ‘Major DAC’ wurde auf dem optimalen Mittelweg zwischen all diesen Optionen platziert. Er verwendet eine 1,5-Bit-Architektur. Die Amplitudenlinearität ist inhärent garantiert, da der 1,5-Bit-Wert mit einer Ein-Bit-D/A-Zelle im ‘PWM-Stil’ dargestellt wird. Wie bei PWM-DACs läuft der Noise Shaper mit einem effektiv konstanten Wirkungsgrad und realisiert einen linearen Betrieb über den gesamten Dynamikbereich, wie in den Grafiken unten dargestellt.
Dies erfordert immer noch umfangreiche Rechenleistung, die dank der schlanken 1,5-Bit-Architektur vollständig genutzt werden kann, um ein fehlerfreies System in einem leistungsstarken FPGA zu realisieren. Die im
Um das daraus resultierende starke Hochfrequenzrauschen zu filtern, bevor es in den analogen Signalweg gelangt, wird eine sogenannte FIR-DAC-Topologie verwendet, die 16 DAC-Zellen pro Kanal nutzt. Und wenn wir schon beim Thema Filtern sind: Es ist erwähnenswert, dass der Eingang des Noise Shapers von unserem extrem präzisen “
Im analogen Signalpfad wird besonders darauf geachtet, dass die Schönheit und Transparenz der DAC-Ausgangssignale erhalten bleibt. Der analoge Signalweg ist vollständig symmetrisch aufgebaut und verwendet sehr hochwertige Schaltungen, Komponenten und Layouts. Das Signal wird durch einen erstklassigen, relaisbasierten Lautstärkeregelungsabschnitt geleitet, so dass der analoge Ausgang des MU2 direkt in einen Leistungsverstärker eingespeist werden kann. Zusätzlich können bis zu zwei analoge Quellen angeschlossen werden, so dass der MU2 sowohl als digitaler als auch als analoger ‘Hub’ in Ihrem HIFI-System fungieren kann.
Wichtige DAC-Funktionen:
- Fehlerfreies Noise Shaping11. Ordnung
- 1.5bit Architektur, 1bit Zelle, bei 512fs Rate
- 128fs Durchgängig reines Nyquist-Oversampling-Verfahren
- Intelligente, erweiterte Ansiedlungstechnologie
- Intersample-Overs ohne Clipping unterstützt
- FIR-DAC-Topologie mit 16 Abgriffen
- Vollständig symmetrischer analoger Signalweg
- Ultrastabile lokale Stromversorgungstechnologie
