Kompromisslos musikalisch auch zum Selbstbau
1-Bit contra Multibit

oder warum die Multibit-DA-Wandler besser sind.

Warum die Multibit- oder "R-2R-" DACs PCM1704 die Besten sind: Es gibt zwei kommerziell genutzte Verfahren zur Rückwandlung digitaler Audio-Daten in die analoge Welt, das DELTA-SIGMA- oder 1-Bit- und das R-2R- bzw. Multibit-Verfahren. Beide Systeme können als Audio-DACs je nach Typ 16 - 24 Bit und etwa 32 - 96, oder gar 192 kHz-Sample-Rate verarbeiten. Das DELTA-SIGMA-Verfahren ist ein rein digitales System, dass mit einer sehr viel höheren Taktrate als das Eingangs-Signal aus Teilen desselben "Mittelwerte" bildet, die erst nach Passieren eines Tiefpasses das analoge Signal repräsentieren (deshalb "rein" digital).


Quelle: Das Bild wurde dem Artikel "DIGITAL AUDIO" von BurrBrown entnommen, siehe www.ti.com

Das Bild zeigt den komplexen Aufbau eines modernen DELTA-SIGMA-DACs, der praktisch alle Teile der digitalen Signalkette enthält. Neben dem Digitalen Filter FIR-1, 2 + 3, ist ein Interpolations-Schaltkreis vorhanden, der die für "Oversampling-DACs" notwendigen Zwischenwerte bildet. Die beiden folgenden Blöcke sind für die DELTA-SIGMA-Konversion zuständig, und obwohl mit sehr hoher Sample-Rate gearbeitet wird, ist ein Tiefpass nach wie vor erforderlich. Der anschließende Verstärker kann beim Beispiel-DAC BurrBrown PCM1710 Lasten ab 600 Ohm treiben, und liefert ein analoges Ausgangs-Signal in Form von Spannung (ca. 3 Volt pp).


Quelle: Das Bild wurde dem Datenblatt des PCM1739 von BurrBrown entnommen, siehe www.ti.com

Das Bild oben zeigt den schematischen Aufbau des von der HiFiWERKSTATT eingesetzen "advanced" DELTA-SIGMA-DACs PCM1739, der praktisch alle Teile der digitalen Signalkette enthält, die hier nur als Funktions-Blöcke dargestellt sind. Die digitalen Audio-Daten müssen zuvor nach L/R-Clock, Bit-Clock und Daten aufgeschlüsselt werden, per Mode Control können diverse Ein- und Ausgabe-Formate der Daten gewählt werden. Anschließend folgt das Oversampling und das digitale Filter, bevor die Daten kanalgetrennt und DELTA-SIGMA gewandelt verstärkt und gefiltert werden. Trotz des relativ aufwändig erscheinenden Power-Supply benötigt der PCM1739 nur eine "einfache" Versorgungs-Spannung von +5Volt für den analogen, und +3,3Volt für den digitalen Teil. Natürlich sollten die Versorgungs-Spannungen für den analogen und digitalen Teil getrennt aufbereitet und aufwändig gesiebt werden. Für beste Ergebnisse ist die sorgfältige Trennung der digitalen und analogen Massen erforderlich, das Design folgt im Prinzip den "Richtlinien" für rauscharmen analogen Aufbau.


Quelle: Das Bild wurde dem Artikel "DIGITAL AUDIO" von BurrBrown entnommen, siehe www.ti.com

Das Bild oben zeigt einen detailierteren Ausschnitt des Aufbaus der eigentlichen Wandler-Sektion des im Bild vorher gezeigten 4th-order-multi-level DELTA-SIGMA-DACs PCM1710. BurrBrown nennt dieses Verfahren "advanced 1-bit DAC", was sich in etwa mit "fortschrittlichem 1-Bit DAC" übersetzen läßt. Fortschrittlich, weil statt nur einer vier verschiedene Spannungen dargestellt werden können (=4 Bit). Am Ausgang des Multi-Level DELTA-SIGMA-Blocks steht kein direktes Äquivalent des analogen Eingangs-Signals, sondern vielmehr ein "Durchschnitt" des digitalen Eingangs-Signals. Erst nach dem Passieren eines Tiefpasses entspricht das analoge Ausgangs-Signal dem digitalen Eingangs-Signal.
Der "Zero Code Detection" Schaltkreis wird benutzt, um den Ausgang des DAC stummzuschalten, wenn kein Eingangs-Signal anliegt (=Null), z.B. während der Leerstellen zwischen 2 Musiktiteln auf einer CD. Die mögliche System-Dynamik der DA-Wandler wird gemessen, indem ein digitales Eingangs-Signal aus lauter Nullen angeboten wird. DELTA-SIGMA-DACs mit Zero-Detection liefern hierbei hervorragende Messwerte, da der analoge Ausgang intern schlicht auf MASSE gelegt ist. Die Zero-Code-Detection kann nur auf digitaler Ebene erfolgen, und läßt sich deshalb bei R-2R-DACs nicht realisieren. Hiermit haben wir einen "wunderbaren" Hinweis, dass Messwerte allein nicht alles sind.


Quelle: Das Bild wurde dem Artikel "DIGITAL AUDIO" von BurrBrown entnommen, siehe www.ti.com

Das Multibit- oder R-2R-Verfahren arbeitet mit internen Spannungs-Referenzen, die entsprechend der ankommenden Bits an- oder abgeschaltet werden, und summiert das korrekte, analoge Ausgangs-Signal ergeben, allerdings als Strom (=I), nicht als Spannung (=V). Die Spannungs-Referenzen haben, beginnend vom Kleinsten (=LSB), jeweils den doppelten Wert des Vorgängers, der exakte Wert wird durch 2 Widerstände eingestellt, vergleichbar einem hochwertigen, geschaltetem Potentiometer. Für einen kompletten DA-Wandler müssen noch Digitales Filter, "I zu V-Konversion" und Tiefpass ergänzt werden. Im Bild oben ist der Vollständigkeit halber die I zu V-Konversion, über den eingezeichneten Operations-Verstärker (das Dreieck ganz links) angefügt, dieser Teil gehört nicht zu einem Multibit-DAC wie PCM1704, sondern muss extern ergänzt werden.


Quelle: Das Bild wurde dem Datenblatt des PCM1704 von BurrBrown entnommen, siehe www.ti.com

Das Bild oben zeigt den schematischen Aufbau des von der HiFiWERKSTATT eingesetzen Multibit-DAC PCM1704, der deutlich weniger "Teile" enthält als der zuvor gezeigte PCM1739. Die digitalen Audio-Daten müssen zuvor ebenfalls nach L/R-Clock, Bit-Clock und den eigentlichen Daten aufgeschlüsselt werden. Das Oversampling erfolgt bereits im vorgeschalteten Digitalen Filter DF1706, das auch die Trennung der Daten für linken und rechten Kanal besorgt. Der DAC ist aus 2 x 23-Bit-DA-Wandlern aufgebaut, die so trickreich verschaltet sind, das am Ende volle 24 Bit Auflösung erreicht werden. Die Offset-Control verhindert, dass am Ausgang Gleichstromreste das Signal verfälschen können. Der Power-Supply ist deutlich aufwändiger als beim PCM1739, da als Versorgungs-Spannung sowohl +5Volt als auch -5Volt benötigt werden. Bezüglich der "Reinheit" der Versorgungs-Spannungen und des Layouts gilt das Gleiche wie beim PCM1739.


Quelle: Das Bild wurde dem Artikel "DIGITAL AUDIO" von BurrBrown entnommen, siehe www.ti.com

Vergleich der unterschiedlichen DACs: Beide Systeme haben Vor- und Nachteile, DELTA-SIGMA-DACs rauschen prinzipbedingt deutlich stärker als R-2R-DACs, und benötigen deshalb auf der digitalen Ebene sogenannte "Noise-Shaper", die das Rauschen auf Frequenzen oberhalb 20kHz verlagern, trotzdem benötigt man "mehr" Filter im analogen Ausgang, um das Rauschen in akzeptablen Grenzen zu halten. Das Rauschen ist auch der Hauptgrund, warum die Auflösung bei kleinen Pegeln (-60dB und weniger), schlechter ist. Beachte im Bild oben die unterschiedliche Skalierung, die Kurve beim 1-Bit-DELTA-SIGMA-DAC liegt um 8dB höher (= schlechter) als beim Multibit-DAC. Dafür sind DELTA-SIGMA-DACs allerdings mindestens Faktor 10 preiswerter als R-2R-DACs, aufgrund der höheren Integration fällt der Preisvorteil in der "realen" Welt eher noch größer aus.
Die aufwendig gemachten BurrBrown PCM1704 bestehen (ebenso wie PCM1702) intern aus 2 DACs, die "Rücken-an-Rücken" (=Colinear) montiert sind, und so die diesem Verfahren inherenten Nachteile praktisch ausschalten. Dank Laser-getrimmter Widerstände ist die Genauigkeit der Reproduktion des Eingangs-Signals deutlich besser, die Unterschiede werden desto größer zugunsten des R-2R-Verfahrens, umso geringer der Pegel. Zusätzlich sind R-2R-DACs sehr viel toleranter gegen Jitter, da intern mit der gleichen Sample-Rate wie die des Eingangs-Signals gearbeitet wird.


Quelle: Das Bild wurde dem Artikel "DIGITAL AUDIO" von BurrBrown entnommen, siehe www.ti.com

Der Aufbau eines "realen" CD-Spielers, mit einem DELTA-SIGMA-DAC (oben), und mit einem R-2R-DAC. Links im Bild ist der "Mechanik-Block", ein DSP oder Mikroprozessor bereitet das vom Laufwerk generierte Signal soweit auf, dass es für die DA-Wandler "verdaulich" ist. Beim DELTA-SIGMA-Verfahren wird dann eigentlich nur ein einziger Baustein benötigt, plus "einfache" Stromversorgung (+ 5 Volt), und schon hat man das analoge Ausgangs-Signal. In der "realen Welt" folgt auf den DAC meist noch ein Puffer-IC, um Beschädigungen des DAC durch zu niedrige Lastimpedanzen auszuschließen, und oft wird nochmal gefiltert, um das Rauschen auf akzeptable Werte zu verringern.
Beim Multibit- oder R-2R-Verfahren wird neben dem eigentlichen DAC, im Bild oben PCM1702, noch ein Digitales Filter und eine aufwändige Schaltung zur Generierung des analogen Ausgangs-Signals benötigt, sowie einen Tiefpass, der meist als "aktives" Filter um einen OP-AMP aufgebaut wird. Dennoch zeigt das Bild nur die halbe "Wahrheit", da der DELTA-SIGMA-PCM1710 beide Stereo-Kanäle, der PCM1702 aber nur einen Kanal verarbeitet. Der Aufbau mit dem PCM1704, und dem (neueren) Digital-Filter DF1706, ist prinzipiell genauso. Beide brauchen eine aufwändige Stromversorgung, da + 5 und - 5 Volt benötigt werden, beide Spannungen müssen neben hoher Konstanz möglichst stör- und rauscharm sein, da sonst eine deutliche Verschlechterung der Störabstände droht, und Abstriche bei der Genauigkeit der Reproduktion leiser Signale in Kauf genommen werden müssen.

Schlussfolgerung: Wenn Geld, Platz und Stromverbrauch keine Rolle spielen, der Entwickler eine höchstwertige analoge Ausgangs-Stufe bauen kann, und bei der Stromversorgung keine Kompromisse eingegangen werden (müssen), sind die 24-Bit-Multibit-PCM1704 von BurrBrown allererste Wahl.
Müssen aus Kosten- oder sonstigen Gründen irgendwo Abstriche gemacht werden, können aktuelle 1-Bit-Wandler, wie z.B. BurrBrown PCM1739 oder CRYSTAL CS4396, das bessere Ergebnis "liefern". Aktuelle DELTA-SIGMA-DACs verarbeiten bis zu 192 kHz-Sample-Rate, was -theoretisch- gigantische Störabstände ergibt, aber an den prinzipiellen Schwächen dieses Verfahrens nichts ändert. BurrBrown plant unseres Wissens nach derzeit (8/2003) keine 192 kHz-Version des PCM1704, damit wird (wohl) noch für einige Jahre der PCM1704, in einer entsprechend hochwertig aufgebauten Schaltung, den Massstab definieren, an dem sich alle Anderen messen lassen müssen !!

Quelle: Alle "aufbereiteten" Bilder zur Funktionsweise der DACs sowie Teile des Textes, wurden der Abhandlung "DIGITAL AUDIO" von Robert Watson und Richard Kulavik entnommen, die man als .pdf-Datei auf der BurrBrown bzw. Texas Instruments Homepage finden kann. Diese Abhandlung ist für Interessierte, die des Englischen mächtig sind, wegen weiterführender Informationen, sehr lesenswert. Sollten sich, bei der Übersetzung oder Interpretation der Texte und Messungen, Fehler eingeschlichen haben, ist dafür allein die HiFiWERKSTATT hoer-wege verantwortlich.


Quelle: Das Bild wurde dem Datenblatt des PCM1704 von BurrBrown entnommen, siehe www.ti.com

Zum Schluss noch zwei Bilder aus dem Datenblatt des PCM1704, die eindrücklich die hohe Genauigkeit der Reproduktion selbst kleinster Signale zeigen. Das Bild links zeigt die Wiedergabe eines 1 kHz-Sinustons bei einem Pegel von -110dB mit 24 Bit / 96kHz Auflösung. Einen Pegel von -110dB mit Worten zu beschreiben, ist nicht ganz einfach, aber im Vergleich dazu müßte man Flüstern schon als SCHREIEN bezeichnen !!
Das rechte Bild zeigt im Prinzip das Gleiche, es stehen aber nur 20 Bit zur Kodierung des Tons zur Verfügung, mit sichtbar schlechterem Ergebnis, womit gezeigt wird, dass sich das Upsampeln auf 24 Bit prinzipiell lohnt. Nebenbei ist es wohl überflüssig, darauf hinzuweisen, dass man solche "low level"-Darstellungen in Datenblättern zu DELTA-SIGMA-DACs vergeblich sucht !!

Aussichten: Wie bereits gesagt, haben beide Verfahren Vor- und Nachteile, was liegt deshalb näher, als beide in einem DAC zu vereinen ? BurrBrown hat eine ganze "Familie" neuer DACs vorgestellt, die nach diesem Prinzip arbeiten. Wir haben uns den PCM1794 ausgesucht, der nach dem Digitalen Filter die Daten in 6 hohe (upper) und 18 niedrige (lower) Bits aufteilt, die dann in jeweils eigenen DA-Wandlern prozessiert werden. Die 6 hohen verarbeitet im Prinzip ein R-2R-, die 18 niedrigen ein 5-Level-DELTA-SIGMA-DAC. Die Daten werden anschließend aufsummiert, so dass ein Signal mit bis zu 64 möglichen Werten entstehen kann. Es folgt ein DWA (=data-weighted-averaging), also eine Berechnung Daten-gewichteter Durchschnittswerte, durch die das Rauschen drastisch verringert wird. Der DAC liefert wie der PCM1704 Strom am Ausgang, aber als differentielles Signal. Dadurch können mit geeigneten analogen Schaltungen Gleichtakt-Störungen des DA-Wandlers sehr gut unterdrückt werden. Zusammen mit dem PCM1794 haben wir in der Zwischenzeit einige DA-Wandler gebaut, aktuell (5/2016) ist unser DAC-UP-PCM1794 MK-II lieferbar, den wir nach wie vor für einen der besten, derzeit erhältlichen DA-Wandlern halten.

Das Bild oben zeigt das "Innenleben" des PCM1794, das bis auf minimale Abwandlungen dem des 1-Bit-PCM1739 entspricht. "Neu" ist lediglich der Current-Segment-DAC und die Auslagerung der analogen Ausgangs-Stufe. Im Bild unten zeigen wir zwei Diagramme, die die theoretische Leistungs-Fähigkeit des neuen Konzepts illustrieren. Der PCM1794 ist eigentlich ein zweikanaliger DAC, kann aber per externem Digital Filter als "MONO-DAC" konfiguriert werden, was zu außerordentlicher Störarmut führt, die Werte liegen um fast 20 dB unter denen des PCM1704, wie das Diagramm links zeigt. Das Diagramm rechts weist den PCM1794 als typischen 1-Bit-Wandler aus, soll heißen, das Rauschen steigt außerhalb des Hörbereichs (=20kHz) deutlich an, aber nicht so stark wie z.B. beim PCM1739.

HiFiWERKSTATT hoer-wege
Stephan Horwege
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