ЦАП TDA1543 v3 – для продвинутых слушателей

ЦАП можно не только купить готовым, но и спроектировать самостоятельно. Николай Штаюра продолжает серию исследований по построению цап на TDA1543 предлагая нашему вниманию уже 3-ю версию ЦАП, которая получила в своей схемотехнике множество улучшений. Читаем, комментируем, пробуем спаять, благодарим Николая за полезную информацию.

Прошло уже около года с момента изготовления опытного образца ЦАП на основе TDA1543. Статья «ЦАП начального уровня», посвященная общим принципам построения устройств со смешанной обработкой сигнала и, собственно, данному ЦАП, была опубликована осенью 2016 г. Изначальный посыл и мотивация, побудившая меня к изготовлению данного ЦАП, была проверить – насколько преобразователи с параллельной структурой, к тому же без цифровой фильтрации, могут конкурировать хотя бы субъективно с современными сложными дельта-преобразователями, в частности реализованные в сегменте бюджетных потребительских устройств. TDA1543 – очень примитивный прибор, даже в эру царствования параллельных конвертеров он не вызывал особого восторга, а глядя в даташит, на объективные показатели (особенно в сравнении с дельта-преобразователями, которые в силу своего принципа работы весьма линейны на стационарных, детерминированных по времени, сигналах) хочется сразу выкинуть эту микросхемку в мусорник. Но к счастью, не существует прямой корреляции между количеством нулей после запятой в измеренных искажениях, вносимых ЦАП, и субъективным звучанием. Подтверждением этому является наблюдаемый в последние годы ренессанс ЦАП «мультибитной» структуры, получивший новый виток на основе дискретных R-2R точных матриц, совмещенных с арифметически мощными сигнальными процессорами (например, проект Soekris). Последние объективно уступают современным монолитным дельта-преобразователям, но субъективно звучат весьма приятно. Да и сама TDA1543 пользуется завидной популярностью, некоторые фирмы не стыдятся производить на ее основе портативные и стационарные ЦАП и продавать, причем за весьма немалые деньги.
На рынке существует множество реализаций ЦАП на TDA1543 и в основном весьма неграмотных с инженерной точки зрения. Камнем преткновения является такой ответственный узел, как преобразователь ток-напряжение (более подробно проблематика построения данного узла описана в моей статье «ЦАП начального уровня») и питающие структуры. На стадии
проектирования и изготовления опытного образца были заложены, хотя и в несколько упрощенной форме, более правильные с моей точки зрения, инженерные решения. В частности, я отказался от популярного и простого способа преобразования с использованием в качестве преобразователя ток-напряжение резистора большого номинала, а так же уделил внимание
грамотной организации питания (раздельные трансформаторы цифровой и аналоговой части, раздельные стабилизаторы на каждый функциональный узел, минимизация помех и т. д.).
Длительная эксплуатация ЦАП подтвердила правильность выбранных решений, а так же весьма высокие музыкальные способности данной простой микросхемы. Свойственная TDA1543 «певучесть» и плавность подачи, высокое разрешение в среднечастотном диапазоне, прекрасная эмоциональная передача вокала и инструментов среднечастотного диапазона, показали весьма высокий потенциал данного прибора. Но были выявлены и весьма серьезные
недочеты:
1) Стабилизатор аналоговой части. В качестве источника стабильного тока параллельного стабилизатора применена интегральная микросхема-стабилизатор LM317. Для гарантированной работы в режиме стабилизатора ей требуется перепад между входом и выходом не менее 3 B (а желательно больше), что не всегда удавалось достигнуть при применении существующего трансформатора, особенно когда напряжение в питающей сети опускалось ниже 220 в. Как итог, весь стабилизатор аналоговой части выходил из режима
стабилизации и по шинам питания шли большие пульсации.
2) Преобразователь ток-напряжение. Выбранный в качестве активного преобразователя полевой транзистор IRF610 при рабочем режиме (напряжение сток-исток 5 В и ток стока около 5 мА) весьма нелинеен, что приводит к большим искажениям с доминирующей 2-й гармоникой. Нужна ли такая красивая окрашенность – это вопрос личных предпочтений и субъективного восприятия слушателя, но мне хотелось применить в данном узле что-то более подходящее, линейное.
3) Выходной буфер. Применение простейшего эмиттерного повторителя с резистивной нагрузкой в эмиттере не является оправданным при эксплуатации в режиме больших токов (наушники в качестве нагрузки). В итоге – большие искажения с весьма нехорошим, «жестким» спектром гармоник.
4) Архитектура NOS в силу своих принципов значительно снижает вариативность подключаемых к ЦАП усилительных устройств. Традиционные многокаскадные, с ООС транзисторные усилителей мощности не являются верным выбором при работе с ЦАП без передискретизации и цифровой фильтрации.
Указанные недостатки весьма сильны и с ними нельзя смириться. Так как цифровая часть ЦАП с некоторыми оговорками меня устраивает, было принято решение спроектировать и изготовить новую аналоговую часть, в которой учтены ошибки и недочеты опытного образца (TDA1543 v1).
Итогом проработки схемных вариантов и экспериментов является последняя на
сегодняшний день версия ЦАП TDA1543 v3, принципиальная схема которой приведена ниже.

Рассмотрим по порядку схемные решения, которые позволили устранить недостатки предыдущих версий и в итоге более полно реализовать потенциал TDA1543.
1) Питание преобразователя ток-напряжение и выходного буфера выполнено на основе дискретного стабилизатора последовательного типа. Стабилизаторы на основе эмиттерного повторителя в виду отсутствия ООС отличаются гладкой характеристикой реакции на изменение тока потребления, малошумностью, инвариантностью параметров вне зависимости от величины емкости и типа выходных блокирующих конденсаторов, а также просты и не требовательны к
трассировки печатной платы. В качестве ИОН (источник опорного напряжения) регулирующего транзистора применен простейший параметрический стабилизатор на основе стабилитрона, для снижения шумов и пульсаций последнего использован ФШ (фильтр шума) на основе RC цепи с низкой частотой среза (≈1 Гц). Выход на рабочий режим ИОН возможен при входном
напряжении от 17,5 В, а итоговое выходное напряжение всего стабилизатора 15 В.
Питание непосредственно микросхемы-преобразователя более критично качеству напряжения и параметрам стабилизатора (выходное сопротивление, быстродействие, переходная характеристика, уровень шумов) и в данном случае я отдал предпочтение дискретному без ООС стабилизатору параллельного типа. Двухтранзисторный стабилизатор выполнен по мотивам «стабилизатора Назара» и имеет превосходные, для столь простого схемного построения, характеристики. Напряжение на выходе (5 В) имеет сверхнизкий уровень пульсаций, а выходное сопротивление (≈0,2 Ом) стабильно в широком диапазоне частот.
2) Первая версия ЦАП в целом показала работоспособность и неплохие параметры активного преобразователя на основе полевого транзистора включенного общим затвором (в режиме приемника тока), но недостатки указанные выше, в частности неоптимальный рабочий режим (работа на очень нелинейном участке передаточной характеристики), приводившая к повышенным искажениям, а также к достаточно высокому входному сопротивлению, побудили меня к выбору более удачного «кандидата» в этот узел. Выбор был сделан в пользу весьма линейного малошумящего биполярного транзистора Toshiba 2SC2240, предназначенного для применения в слабосигнальных входных цепях усилительных устройств. Этот весьма удачный прибор включен по схеме с общей базой и работает на линейном участке передаточной
характеристики при токе покоя Ik=4,6 мА. Непосредственно преобразование входного тока в напряжение происходит в коллекторной цепи на резисторе номиналом 1,5 кОм, а падение напряжения на резисторе эмиттерной цепи создает положительный стабильный постоянный потенциал 2,7 В , необходимый для корректной работы токового выхода TDA1543. По переменному току преобразователь имеет относительно низкое входное сопротивление.
3) Выходной буфер, выполненный на основе эмиттерного повторителя является в целом весьма простым и оптимальным решением для применения в каскадах малой и средней мощности, обеспечивая низкое выходное и высокое входное сопротивление. Работа в А классе (без отсечки коллекторного тока) на линейном участке передаточной характеристики позволяет получить малые искажения с субъективно приятным быстроспадающим спектром гармоник. В
опытном образце ЦАП эмиттерный повторитель был выполнен в самой простой реализации, с нагрузочным резистором в цепи эмиттера. Свойственные такому включению недостатки достаточно хорошо известны и описаны практически в любой литературе посвященной проектированию усилительных устройств. Для линеаризации эмиттерного повторителя необходимо зафиксировать эмиттерный/коллекторный ток, заменив резистор на источником стабильного тока (ИСТ). В данном случае ИСТ выполнен на транзисторе такого же типа,
рабочий режим последнего обеспечен ИОН на основе светодиода зеленого свечения, и при резисторе в эмиттерной цепи 33 Ом, ток создаваемый ИСТ, а соответственно и ток покоя всего выходного каскада составляет ≈ 45 мА.
4) NOS архитектура построения ЦАП в целом упрощает конструкцию, минимизирует помехи цифровой части (поскольку источник помех – ЦФ и тактовый генератор отсутствует) , но самый главный аргумент в пользу таких решений – избавляет от несовершенных процессов интерполяции сигнала, свойственных арифметически слабым цифровым фильтрам-
интерполяторам, особенно первых поколений. Дополнительным «бонусом» идет улучшение переходной характеристики преобразования, что особенно критично при восстановлении сигналов с быстрой скоростью нарастания (меандр, транзиент). Но есть у подобных устройств и весьма серьезный недостаток – повышенный уровень высокочастотных составляющих в выходном сигнале (при частоте дискретизации 44,1 кГц побочные продукты преобразования имеют значительную величину начиная с 22 кГц). Отдельно отмечу, что как правило ЦАП без ЦФ рекомендуют подключать к ламповым усилителям с высокой собственной линейностью без ООС. Впрочем, несколько каскадов на лампах с выходным трансформатором являются по сути весьма эффективным фильтром низкой частоты. Подключение к традиционным широкополосным ширпотребным усилителям мощности в виду их значительной нелинейности создаст большое количество новых интермодуляционных составляющих в выходном сигнале,
простирающиеся в том числе и в звуковую область. Заметность и восприимчивость таких искажений будет зависеть все же от топологии усилителя мощности, а так же от дальнейшего звукового тракта, слухового опыта слушателя и даже его субъективных предпочтений. Из своего
опыта отмечу, что усилители перегруженные внеполосными ВЧ помехами звучат субъективно излишне «мягко», с «вуалью» и потерей тонких деталей в «звуковом полотне».
TDA1543 поддерживает 4-х кратную передискретизацию сигнала (способна работать при частоте выборки 176/192 кГц ). При эксплуатации с усилителями мощности наиболее оптимально видится использовать ее именно в таком режиме. Непосредственно передискретизацию и цифровую фильтрацию можно осуществлять программно (мощности современных центральных процессоров ПК позволяют выполнять эту операцию весьма качественно), а непосредственно передача и преобразование данных с компьютера в I2S шину
возможна при помощи качественных USB или S/PDIF модулей, поддерживающих необходимые частоты дискретизации. Поскольку существующая цифровая часть ЦАП базируется на S/PDIF приемнике DIR9001, способного работать с частотами до 105 кГц, в данном случае возможна только 2х кратная передискретизация сигнала (88/96 кГц).
Аналоговый восстанавливающий фильтр после микросхемы-ЦАП является конечной важной частью преобразования, «вычищая» сигнал и придавая ему плавную форму. Весьма желательно иметь как можно больший порядок и более низкую частоту среза данного фильтра, особенно при низких частотах дискретизации (2х, 4х). Проектирование и качественная реализация таких фильтров низкой частоты сопряжена с определенными трудностями и находится в области компромиссов, как инженерных так и субъективных, к тому же неминуемо ведет к увеличению количества активных и пассивных элементов в конструкции. Было принято решение незначительно усложнить данный узел, по сравнению с первой версией ЦАП увеличен порядок фильтра и снижена частота среза до ≈40 кГц.
Конструктивно модуль ЦАП TDA1543 v3 выполнен на двухсторонней печатной плате размерами 80х50 мм и с помощью дистанционных втулок и винтов монтируется к существующей плате с цифровой частью.

Элементная база не претерпела значительных изменений по сравнению с первой версией.
Для неответственных цепей применяются керметные резисторы поверхностного монтажа типоразмера 1206. Резисторы преобразователя ток-напряжение и восстанавливающего фильтра – выводные угольно-пленочные, мощностью 0,25 Вт, фирмы Hitano. Резистор подстроечный многооборотный типа 3296W. Конденсаторы восстанавливающего фильтра – керамические однослойные (NPO), предназначенные для поверхностного монтажа, типоразмера 1206, Hitano.
Конденсаторы электролитические во входных питающих цепях и фильтре шума стабилизаторов – Hitano EXR. Конденсаторы после стабилизаторов и выходные – Nichicon Fine Gold.
Конденсаторы блокировочные, расположенные непосредственно у корпусов потребителей (возле TDA1543 и выходных эмиттерных повторителей) – пленочные, Hitano, серии MEB. Светодиод GNL-3004GD. Активные компоненты представлены фирмами ST Microelectronics, CDIL (транзисторы BD135-16, BD139-16, BD140-16), Philips (TIP 130), Toshiba ( 2SC2240 GR).
Спектрограмма выходного сигнала частотой 1 кГц с частотой дискретизации 44,1 кГц при полной шкале преобразования (соответствующая 1 В RMS на выходе) модуля ЦАП TDA1543 v3.

Для сравнения спектрограмма выходного сигнала частотой 1 кГц с частотой дискретизации 44,1 кГц при полной шкале преобразования (соответствующая 1 В RMS на выходе) модуля ЦАП TDA1543 v1.

Как видно, ЦАП TDA1543 v3 демонстрирует значительное объективное превосходство.
Уровень интегральной нелинейности ( THD) снижен практически в 4 раза!, с 0,25% до 0,06%.
Преобразователь ток-напряжение вносит нелинейности низких порядков (2-я гармоника на уровне -68 дБ, 3-я гармоника на уровне -90 дБ). Спектральные составляющие ниже 90 дБ это уже нелинейность самой TDA1543 и побочные продукты дискретизации. Подавление пульсаций стабилизатора, питающего выходной буфер, улучшено на 10 дБ.
Мне было интересно провести хотя бы объективное сравнение авторского ЦАП с весьма популярным и получившим положительные отзывы промышленным китайским аппаратом Lite DAC-AH 8xTDA1543. Поскольку у меня нет доступа к данному устройству, чтобы провести измерения в одинаковых условиях, пришлось искать результаты измерений в сети интернет среди пользователей данного ЦАП.

Анализ искажений приводит лишь к одному выводу – данный промышленный аппарат с инженерной точки зрения спроектирован неграмотно. Нелинейности и помехи сразу бросаются в глаза, видны гармонические составляющие как низших, но, что хуже, высших порядков и это при 8 корпусах TDA1543 – чтобы так сделать, надо постараться.
Прослушивание ЦАП TDA1543 v3 в NOS режиме на низкоомных наушниках открытого типа продемонстрировало превосходные субъективные показатели. Звук чистый, тонально ровный, с хорошим разрешением, артикуляцией и прекрасной передачей эмоциональной составляющей записей. Длительное прослушивание этого ЦАП совершенно не утомляет и даже увлекает (хочется слушать больше и больше). Отметил интересную особенность: на качественных
современных записях с преобладанием значительного количества среднечастотных инструментов звучание подается слитно и плавно, как бы «льется», «обволакивает», погружая в самую «гущу» музыкальных событий. Из недостатков можно отметить несколько сниженное разрешение в области высших частот.
В заключении можно сказать, что при незначительном усложненни схемы можно получить значительный прирост в качестве. Я рекомендую собрать этот ЦАП всем любителям качественного звука, тем слушателям, которые слушают музыку вдумчиво, истинным ценителям и меломанам.

Николай Штаюра
Краматорск, май 2017 г.