Простой ЦАП на CS4398

Сейчас хочется рассказать о своём первом ЦАПе. Работа по созданию серии цифро-аналоговых преобразователей началась еще в 2016 году. Изучалась сопутствующая литература, выбиралась элементная база. Были заказаны инженерные образцы от известных производителей. Кстати, на тот момент гиганты полупроводниковой электроники свободно высылали свои детали всем желающим, причем за свой счет. Были получены сэмплы от Analog Devices, Cirrus Logic, Atmel. Сейчас к сожалению никто в Россию высылать не хочет, видимо санкции дают о себе знать.

На самом первом этапе выбор пал на ИМС ЦАП CS4398. Давняя любовь к циррусовским преобразователям началась еще со времен звуковых карт Creative, неплохое звучание X-Fi xtreme music на CS4382 дало толчок к освоению именно данных ДС ЦАП.

К моменту начала проектирования CS4398 в линейку циррусов позиционировался какFlagship perfomance, т.е. имеющий наилучшие характеристики в их линейке. ИМС довольно древняя, начало 2000х годов. Совсем недавно появился CS4399, но в свободной продаже я их пока не увидел.

Характеристики ЦАП:

— входной формат: PCM I2S, RJ, LJ от 16 бит 32кГц до 24 бит 192 кГц;

— выход небалансный, 2В (RMS);

— питание 4 канала: 5-12В, 8-12В, ±15В

На данной плате ЦАП реализован приём только PCM потока. На сегодняшний день ИМС CS4398 имеет довольно устаревшие характеристики по приёму DSD потока — DSD64. Аналоговый выход — не балансный, с амплитудой 2V(RMS).

За время проектирования было собрано 7 макетов, v3.1 является окончательной. Были опробованы различные топологии выходного фильтра.

Аналоговый фильтр был сделан простым, на основе симметричного фильтра сумматора второго порядка с небалансным выходом. Частота среза 30 кГц по уровню -3 дБ. Топология по Бесселю. В отличии от несимметричного фильтра из даташита, данный фильтр позволяет обойтись без выходного конденсатора, что положительно влияет на АЧХ в области низких частот. При тщательном подборе резисторов фильтра постоянная составляющяя на выходе должна сильно стремиться к нулю и составлять не более 2-5 мВ.

Расчет фильтра осуществлялся в программе FilterPro от Texas Instruments.

Многие слушатели различных ЦАП на основе CS4398 отмечают необычные высокие частоты. Я бы сказал что данная ИМС ЦАП отлично отыгрывает весь диапазон частот, тут скорее сказывается качество мастеринга аудиозаписей в студии. Прекрасно слышно работу мастера по сведению, если записано на аппаратуре среднего качества, слушатель этого ЦАПа обязательно это услышит. В стандартной версии применяется ОУ NE5532, обеспечивающее превосходное качество звучания. В максимальной версии возможно применение более качественного ОУ, в зависимости от вкуса конечного слушателя(в версии де-люкс я использую AD8066 и LME49720 ). ОУ должен иметь цоколёвку как у NE5532 и корпус SOIC8. Для максимального качества звучания необходимо применять плёночные конденсаторы WIMA или керамические с диэлектриком NP0. Резисторы в аналоговом фильтре должны иметь допуск по номиналу не хуже 1%.

В цифровой части возможно использование гальванической изоляции между ЦАП и источником звука. Развязка реализована на ADuM1400(обязательно CRWZ). Питание входной части может быть как 3.3В, так и 5В, что позволяет подключать широкий спектр источников цифрового сигнала. Конфигурирование в аппаратном режиме осуществляется с помощью DIP переключателей — необходимо задать формат входных данных и частоту работы фильтра. Опытным путем установлено, что оптимальная частота работы фильтра 96 кГц. Так же возможно программное управление ИМС ЦАП — на плате предусмотрен разъем Control. Питание возможно от 1.8 В до 5 В. Если питание управляющей части отличается от 3.3В, необходимо убрать джампер на плате. Управление возможно по протоколу I2C, т.к. на плате распаяны подтягивающие к плюсу питания резисторы (расположены ПОД DIP переключателем) при этом DIP переключатели необходимо держать в состоянии 0 (не закорочено) иначе возможно повреждение управляющих цепей, т.к. они будут закорочены на землю.

Для питания ЦАПа необходимо 4 питающих напряжения:

— положительное 5 -12 В для питания цифровой части;

— положительное 8 -12 В для питания аналоговой части;

— двухполярное 12-16 В для питания ОУ фильтра.

Питание аналоговых цепей осуществляется через малошумящие стабилизаторы TPS7A от TI. Если не отходить от даташита, шумовая полка находится ниже возможностей моих измерительных АЦП — ниже -150 дБ при уровне сигнала 0 дБ 2V (EMU 0404 PCIe на основе PCM1804 и АЦП собственной разработки AD-01 на CS5381).

Питание Vref ЦАП осуществляется от источника опорного напряжения REF195 от Analog Devices. Применение данной конструкции позволяет максимально стабилизировать напряжение VQ, что немного уменьшает уровень искажений и самое главное — развязывает питание аналоговой части ЦАП Va и Vref.

Конденсаторы, на выводах фильтра модуляторов должны иметь максимальное качество, поэтому было решено применить танталовые, с увеличенными номиналами относительно даташита. На выводе VQ 10 мкФ, на Vfilt 200 мкФ.

Рисунок гармонических искажений — классический для CS4398, третья гармоника выше второй и находится на уровне не выше -100 дБ. Так же следует отметить довольно высокий уровень гармоник высшего порядка. Для сравнения с AK4490 у AKM гармоники высших порядков находятся на гораздо более низком уровне.

Платы ЦАП были изготовлены в поднебесной. Заказывал с ALLPCB.COM, в счету 5 шт. по факту 7, что приятно порадовало. Качество плат очень высокое, дома изготовить ни ЛУТом, ни фоторезистом так не получится.

На данный момент собрано 2 варианта:

— стандартный, без гальванической развязки и с ОУ в фильтре NE5532;

— расширенный, с гальваническим изолятором I2S шины на ADuM1400, ОУ в фильтре — LME49720.

Основные отличия стандартной и расширенной версии:

— гальваническая изоляция;

— питание Vref (в стандартной без REF195 от VA через резистор);

— более качественный ОУ.

Печатная плата одна и та же, просто в стандартной версии не всё распаяно.

Вариант с LME49720 звучит немного мягче и приятнее чем с AD8066, так же хочется отметить более высокий уровень гармоник на AD8066.

Печатная плата имеет размер 50х100 мм.

Звучание. От компьютерной ЗК отличается. С игровыми картами отрыв больше. В ЗК Creative x-fi меньше деталей в звуке. Если сравнивать с проф сегментом — всё не так однозначно. EMU 0404 PCIe имеет AK4395 в качестве ЦАП. EMU звучит более мягко. На «DA-01» звук более яркий.