Внутренняя структура
мультибитных ЦАП в корне отличается от однобитных собратьев. Сразу хочется отметить обязательный атрибут мультибитных ЦАП – токовый выход. В таких ЦАП для преобразования используется источник опорного напряжения, нагруженный на многозвенную прецизионную резистивную матрицу R-2R с постоянным сопротивлением, коммутируемую прецизионными МОП ключами. Количество звеньев R-2R и МОП ключей на единицу меньше, чем разрядность ЦАП. То есть, для 20-и разрядного ЦАП требуется 19 звеньев R-2R и столько же ключей. Поступающий на ЦАП цифровой код преобразуется в параллельную шину и коммутирует соответствующие ключи, которые и задают требуемую величину выходного тока. По своей структуре мультибитные ЦАП являются преобразователями параллельного действия.
Мультибитные ЦАП, с точки зрения производителей, имеют один единственный недостаток – высокую себестоимость ввиду сложности изготовления на одном кристалле прецизионных резисторов и МОП ключей и трудоемкой операции лазерной настройки каждого чипа. Эти ЦАП всегда обладают немонотонностью и нелинейностью ХП, но в отличие от однобитных ЦАП, погрешность смещения и усиления, а также дрейф усиления у мультибитников намного меньше. Как мультибитные ЦАП преобразуют сигналы малых уровней можно видеть на
рисунке №5.
Субъективное звучание мультибитных ЦАП полностью противоположно звучанию однобитных. Мягкое приятное звучание инструментов на высоких частотах, мощные изящные низкие частоты, богатый и насыщенный тембрами звук, потрясающая локализация и широкий (если не сказать «широченный») динамический диапазон. И, несмотря на худшие (по сравнению с однобитными ЦАП) показания измерительных приборов, мультибитные ЦАП очень точно звучат на музыкальных композициях с обилием тихих звуков. Конечно, без недостатков не обойтись и здесь. Самый существенный недостаток – высокая цена на мультибитные ЦАП, менее существенный, но все же присутствующий – труднодоступность.
Рисунок №5
В следующей теме я хотел бы затронуть
цифровые фильтры (ЦФ). Этот элемент цифрового тракта в последнее время все больше норовят исключить. Причины, как правило, приводят две:
1) ЦФ принципиально искажает цифровую информацию;
2) Субъективная причина – звучание без ЦФ лучше.
Категорических противников ЦФ достаточно много. Например, небезызвестная в аудиофильских кругах фирма «AudioNote», и наш соотечественник Андрей Маркитанов, выпускающий цифро-аналоговые преобразователи под маркой «MARKAN».
Поскольку вторая из перечисленных причин отказа от ЦФ является субъективной, рассматривать ее особого смысла не имеет. Более подробно остановиться следует на первой причине, то есть об искажениях ЦФ информации, представленной в цифровом виде.
Упрощенно говоря, процесс цифровой фильтрации заключается в масштабировании цифровой информации с помощью весовых коэффициентов. Входные цифровые слова перемножается на определенные коэффициенты, которые рассчитываются при проектировании ЦФ. Разрядность коэффициентов равна разрядности входных цифровых слов. Как несложно подсчитать, умножение, например, 16-и разрядного цифрового слова на 16-и разрядный коэффициент дает 32-х разрядный результат. В процессе фильтрации производятся интерполяция и аппроксимация цифровых данных, то есть добавление новых цифровых отсчетов и вычисление для них значений мгновенных уровней амплитуд. Наличия аппроксимирующих функций в описании ЦФ не упоминается (это результат цифровой фильтрации), но я не могу по-другому объяснить появление на выходе DAC, содержащего ЦФ, синусоидального сигнала частотой 20 кГц, который в процессе дискретизации с fs = 44,1 кГц описывается 2-3 значениями амплитуд, то есть является треугольным. Как происходит процесс интерполяции условно показано на
рисунке №6. В верхней части рисунка изображен синусоидальный сигнал, который описан пятью значениями мгновенных уровней амплитуд, в нижней части – сигнал после восьмикратной интерполяции. Красным цветом показаны формы сигналов, которые можно будет наблюдать осциллографом на выходе DAC с ЦФ и без него.
ЦФ характеризуются:
полосой пропускания, полосой заграждения, пульсациями в полосе пропускания и величиной ослабления в полосе заграждения. В качестве примера, на
рисунке №7 приведены характеристики высококачественного цифрового фильтра SM5847AF.
Некоторые ЦФ (например, PMD100 и упомянутый выше SM5847AF) имеют в своем составе функцию дизеринга (Dithering) – подмешивание псевдослучайного шумового сигнала в младшие разряды с целью уменьшения шумов квантования.
Рисунок №6
Рисунок №7
Применение ЦФ значительно упрощает построение выходного аналогового фильтра после ЦАП и снижает к нему требования. Преобразование данных стандарта CDDA при использовании ЦФ с 8x передискретизацией происходит на частоте 352,8 кГц. Отфильтровать аналоговым фильтром (от которого требуются минимальные искажения АЧХ и ФЧХ в диапазоне звуковых частот) полезный сигнал от цифрового шума, возникающего на частоте 352,8 кГц и ее гармониках, значительно проще, чем от шума на 44,1 кГц.
Некоторой разновидностью ЦФ являются
асинхронные преобразователи частоты дискретизации (Asynchronous Sample Rate Converter – ASRC), осуществляющие преобразование fs с некратными значениями (например, 44,1 кГц в 96 кГц). Такие преобразователи – неотъемлемый атрибут всех мультиформатных цифровых источников (компьютерные звуковые карты, DVD-проигрыватели). При использовании таких преобразователей, действительно, можно вести речь об искажениях цифровой информации, поскольку, во-первых, требуются более сложные методы интерполяции и аппроксимации, а во-вторых, новые цифровые отсчеты (в отличие от кратной передискретизации в ЦФ), не добавляются к существующим, а заменяют их, причем следующими с другими, некратными исходным, временными интервалами.
Наверное, любой аудио-любитель, знакомясь с описанием цифровых источников, сталкивался с таким понятием, как
джиттер. Во многих печатных изданиях с обзорами и тестами аудиоаппаратуры авторы упоминают про джиттер и его пагубное влияние на звук. Но пока ни в одном из подобных журналов я так и не нашел подробного описания, что такое джиттер, на что он оказывает влияние, и вообще, стОит ли его бояться.