DACチップの性能を比較してみました PCM1704とES9018

■DACチップの比較

今回用いたDACチップのスペックとその解釈について比較してみました。単純にスペックを比較すると圧倒的に差があるのですがよくよく見るとそうでもないのです。

■DACチップのスペック比較

チップ型名
ES9018
PCM1704
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原理

ΔΣ型
マルチビット
 
フォーマット
PCM
DSD
PCM
 
Fs/bit
384kHz/32bit
768kHz/24bit
1704はx8 オーバー・サンプリンク・゙フィルターと組合わせると96kHzまで
CH数
8ch
1ch
 

THDN

DR

 

-120dB

135dB(mono)/120dB(8ch)

 

-102dB

112dB

(Shibasoku725C)

 
出力電流
3.903mAp-p
+-1.2mA
 
電源

Digital 1.2V, 3.3Vx3

Anaolg 1.2Vx2, 3.3Vx2

Digital +-5V

Anaolg +-5V

9018の電源供給端子はさらに多い
組み合せチップ
 

通常 8x digital filterDF-1704とセットで使用

 

 

入力(PCM)

BitCLK

LRCLK

Data

BitCLK

LRCLK

Data

 
OSC

100MHz

(384kHz使用時)

なし
1704は水晶発振器は必要なし
発売
2009年
1999年?
 
価格
約10,000円
5,000円(流通当時)
1704は1chなので2、4(XLR)個必要
標準回路
ESS社の標準回路はアナログ部が貧弱 アナログ回路に長けている ESS社の標準回路だと高周波だらけになる
チップ端子レイアウト
アナログとデジタル端子が交互に並ぶので基板設計しにくい デジタル・アナログに別れている  
備考
基板設計次第で音質が大きく変わるむづかしいチップ デジタルフィルターとセットで96kHzと謳っていたが実は高速・高性能

既に廃番です

 

■PCM1704は実は超高性能

PCM1704は古いDACチップで今では生産中止となっています。流通時でも1個5000円位して、しかも1CHですからステレオでは最低2個、バランスにすると4個必要ですので相当高額なデバイスです。単に高価であるということではなく高価にならざるを得ない理由がありました。このDACチップはラダー抵抗に電流を流してアナログ信号を発生させるのですが、最小ビット付近の抵抗値に非常な高精度が要求されます。半導体は抵抗の精度が出しにくいので製造後にレーザーでトリミングして抵抗値を校正していました。そのため高価にならざるを得なかったのです。

 PCM1704のデータは古い測定器で測った控えめなスペック

それとデータシートをよく見ると、どう考えても実際のスペックは公称値よりもいいのです。スペックはよくても実際の性能は悪いのというのはよくあることですが、なんとこの場合は逆ではないか?と思えるのです。PCM1704は元々Barbrouwn社が開発したもので、この会社は結構j控えめにデータを出す会社だったのではないかと。それとデータはPCM1704が開発された時代は古いのです。データシートによると、何しろ測定データをとっていたのが、この古いShibasokuの歪率計725Cです。今ならAudioPrecision社の高性能オーディオアナライザーを使って、あるものも見えないことにしてしまうくらいお手の物ですが、この頃は逆に歪率系の残留歪を見ているようなものだったかもしれません。

現にデータシートをよくよく見てみると,ベースラインは-140dB程度で確かに最新のDACチップと比べると若干見劣りがします。ただ最近のDACチップ測定では
・測定器が進歩している
・測定器で平均化している
・IV変換部の出力電圧を高くして測定している
等、測定結果がよくなるように条件を微妙に変えているので1対1での実力比較にはなっていないのです。

この図は-90dB の信号を再生した時の信号スペクトルですが、ノイズレベルは-140dBで歪のレベルでも-126dB位です。最大信号レベルを2V(+6dB)とするとダイナミックレンジは146から132dBという事になります。

 

 

一方こちらは-120dBを再生した時のオシロの波

形です。-120dBが再生できていているのですからかなりの実力です。

■基板レイアウトに改良の余地がある

PCM1704の時代が古かったのか、データシートの実装は今なら常識の当たり前のレイアウトが出来ていません。普通デジタル入力部とアナログ出力部は基板のベタアースの部分を別にして、ノイズが混入しにくくするのは現在では当りまえなのですが、PCM1704のデータシートの標準パターン例ではアナログもデジタルも区別がありません 。この点に留意して実装すればスペックよりも更に良くなる可能性があります。

■OPアンプにも改良の余地がある

データシートで推奨しているOPアンプは当時は高性能でも今となっては古く、現代の最高性能のOPアンプを使用すれば、ノイズレベルは-6dbくらいになる計算です。そうなると実力は現在のDACチップ比べても相当なものです。

オーディオアナライザ~でDAコンバータ~を調べてみました (やっべ~ぞ)

ローデシュワルツのオーディオアナライザーUPLを導入したことを以前お知らせしました。今日はその測定例を紹介します。

オーディオアナライザ~R&SのUPL

このオーディオアナライザーは相当古いものです。基本的にコンピューターで計測を制御していますが、OSが何しろWindows95の前のMS-DOSですから。それで安全か?ですって、まちがいなく安全で安心です。何しろLANもUSBもついていませんから。

その代わりデータの転送に偉い苦労します。付いている媒体はFDDフロッピーディスク、ただこれにデータ保存する手順がテキストコマンドをハッカーのようにバチバチ打たないといけないので、使い物になりません。マウスなんておしゃれなものも(オプションにはあるようだが)付いていません。

とは言えオーディオアナライザーとしての基本性能は極めて優秀で、今でも立派に通用します。これまで使用していたパナソニックのVP-7723Aよりも一桁下のTHDを測定できますし、何よりFFTによる解析機能に優れています。

測定結果は測定器の10インチぐらいのディスプレイに表示されるので、それで不便はないのですが、画像くらいは取り込みたい。やろうとするとこの様なフローになります。

外部モニター用のVGA出力はありますので、これを一度ビデオ信号に変換し、ビデオキャプチャーで今のPCに取り込めます。こう書くと簡単ですが、ここにたどり着くまでに相当の労力を費やしました。

それにこのオーディオアナライザーUPLにはデジタルの入出力もついているので、DAコンバーターの測定にも便利です。

今回はDAコンバーターの測定結果を紹介しましょう。

DAコンバーターDACFA0(PCM1704)のスペクトル  Fs=48kHz

下の画像はこの測定器UPLからSPDIF信号(Fs=48kHz)光で1kHzサイン波を出力して、弊社のDAコンバーターのアナログ出力を調べたものです。 0dB出力時にで約2V(6dBV)の出力が出ていて、THD+Nが0.006%であることがわかります。スペアナ波形(横軸の単位はkHzです)を見ると、THDの主成分は第2高調波であることがわかります。

ノイズも含めて0.006%というのは相当に優秀でカタログスペックの約2倍に収まっています。カタログスペックよりも悪いと思われるかもしれませんが、カタログデータはFs=768kHzで、しかもフィルターを入れ、かつ平均値を取っているようなので(カタログデータと言うものはそういうものです)、この実測データは相当いい感じです。

DAコンバーターDAC-FA0の歪分布

こちらはDAC-FA0の高調波歪み分布です。次数が高くなるに従って減少していっています。

次にもう少し新しいDACチップのTHDを見てみましょう。こちらは試作したUSB-DACで使用したESS社のES9018の特性です。THD+Nは0.0075%でPCM1704と同程度です。ただ、スペクトルを見てもらうとわかるように、高調波歪はほとんどなくむしろノイズの方が主成分に見えます。(ES9018の方がTHDがずっと小さく見えるのは縦軸のスケールが異なるからです)

ES9018のスペクトル、Fs=48kHz

 

ES9018の歪分布

こちらのTHD成分を見たのがこちらで、第2から第9高調波まで同程度に検出されています。ただノイズを除いた全THD成分は0.0013%と非常に小さい値です。ES9018は内部でノイズシェーピングをしているのですが、可聴帯域までノイズがおりてきているのでしょうか?

以上はFS=48kHzのデジタル信号を入力した時のデータですが、残念ながら測定器UPLでは48kHzが上限です(何しろ古いので)。

かわりにサンプルレートコンバーターで96-384kHzまでアップサンプリングして入力した結果がこちらになります。

ES9018/Fs=96kHz

ES9018/Fs=96kHz

ES9018/Fs=192kHz

 

ES9018/Fs=384kHz

サンプリングレートを上げると高調波歪が逆に増加していることがわかります。悪化したといっても0.001%レベルですから、悪化というより”見えすぎちゃって困るの~”という感じですが。

使用したサンプルレートコンバーター(SRC)はAK4137です(実はこのAK4137相当なくせ者です)。THDが悪化したのはDACチップのせいではなく、SRCの影響である可能性もあります。SRCを使う限りTHDの特性上はメリットが無い様です。

とまあ、こんな解析も簡単にできるようになりました。

DVDプレーヤー SD-9500の続き -DVD-Audioを聴いてみた-

HDCDを聴く目的で購入したDVDプレーヤーSD-9500の音質が良かったと報告しましたが、このプレーヤーの目的はそれだけではありません。もう一つはDVD-Audioを聴きたかったからです。DVD-Audioって何?CDに映像用DVDが付いてるってこと?って言われそうですが、DVD-Audioはいわば幻のハイレゾ、早すぎたハイレゾです。なぜ今時DVD-Audioをやるかと

オーディオデザインの音すごくいい

BIG BAND STAGE 甦るビッグバンドサウンド DVD-Audio (192kHz,24bit)とCDの2枚組

いえば、・・・・答えは簡単、聴きたいソフトがあるからです(たったひとつですけど)。

このDVD-Audioは192kHz,24bitで立派なハイレゾです。ハイレゾ音源はもっぱらダウンロードが主流ですが、実際にはDVDの様なメディアに入っている方がおじさんにはとっても便利なのです。

もちろん廃番ですが中古でやっとこさ入手できました(中古で5000円近くしてとっても高いんですけど・・・・)。

今普通に流通しているのはCD+SACDのハイブリッド版のこちらです。

714csPxrJqL._SL1500_

CD+SACDのハイブリッド版

このCD・SACDは録音が凄くよくて気持ちが良いです。低域に厚みがあってぐいぐい押してきます。またSACDで聴くと中高音がなめらかになって更にいいのです。DVD-Audioで聴いたらどんなだろう?と常々考えていました。

結果はどうでしょうか?

実を言うとDVD-Audioの方はあまり良くなかった。中高音がかえって聞きづらくなってしまっていまいた。ちょっと音がヒスを起こしている感じですね。これはDVD-AudioというよりDVDプレーヤーの癖が悪い方に強調されてしまったのかもしれません。順番をつけるとこんな感じですね。

PCMが悪いのでもなくDVD-Audioが悪いわけでもないと思います。いろいろな結果が出るのがオーディオなので。

 

順位 プレーヤー フォーマット 音質
1 DCD-SA1 SACD 高音のきつさがなく滑らかで、同時に低音の量、質ともに向上していて1番良い。すべてが気持ちいい音
3 SD-9500 DVD-Audio PCM版で192kHz24bitなので1番良いのでは?と期待したが、CDよりも少し良い程度。Jazz系はSD-9500の高域の粗さの様な物が強調され合わないのかもしれない。
2 DCD-SA1/

SD-9500

CD SACDに比べるとちょっと高音がきついというか、ざらつくのが残念、ただ録音が非常によくCDでも素晴らしい。クラッシックではSD-9500がとても良く感じたが、このCDでは逆に劣るかもしれない。

DACの構成はこうなっています

近日中に発売予定のDACの構成を紹介します。

できる事はすべてやりました。

構成
・入力:3系統(同軸1系統、同軸or光1系統、光1系統)
32-96KHz、16-24bit
・マスタークロック: 水晶発信器+PLLによる高精度化回路内蔵
・サンプルレートコンバーターを使用して96KHz24bitに変換及びリクロック
・ラダー型抵抗型DACの最高峰PCM1704採用
・ディスクリート構成高速IVコンバーター
・3段/6次/-36(dB/oct)アナログ・ディスクリート・ローパスフィルター(デジタルフィルターは使用していません)
・電源は低インピーダンス(10mΩ)ローノイズ電源(10uV、BW=100KHz)をアナログ用、デジタル用に独立して供給
(通常の3端子レギュレーター電源の1/5~1/10の低ノイズ特性)

・高周波領域はベタアース、低周波は1点アースとなる2wayアース開発しました

・高周波ノイズを解消するため実装パターンを徹底的に検討

 内部写真はこんな感じ

音質は10/8からのハイエンドショーでお披露目します。

DACの音質差をわかっていただくために一工夫必要かも・・・。

正面写真

後ろから

10月中旬からホームページで購入も含めてご案内します。
第一ロットは11月初旬の出荷になると思います。

特性の一部ももついでにUpしておきます。図形を小さくした方がエレガントなんだけれど、面倒なので元サイズ(でかいですが)で掲示しておきます。
-14dBの正弦波1KHz
当たり前の波形じゃんと思ったあなたへ、当たり前でもないのです・・・。このあとで比較用に50万円出して購入したお勉強CDPの波形を出しますので比較してください。(もちろん買ったときはいいと思って買ったんで、勉強用では有りません)


これが再生を停止しているときの残留波形、結構ノイズがあるジャンてそれはUSBオシロなので入力ショートでもこのくらいのノイズがあります。

横軸は0-125MHzです。これが停止時のノイズ波形から求めたFFT周波数スペクトル。もう検出限界をみているようなものです。

何が言いたかったかというとDAC-FA0には高周波ノイズがまったく乗っていないということ。これは凄い事なんです。パターン技術その他で相当頑張ったんです。

比較のために50万円のお勉強CDPの出力を見てください。

これが1KHz正弦波、ちょっと怪しいでしょ。


これが停止時の波形。10mVの高周波が・・・・ど、ど、・・・どこから来たのか黄金バット。


残留波形のFFFTスペクトル。高周波がたくさん乗っています。数十MHz帯ではっきりとしたスペクトルがあります。え?聴こえないからいいだろうって。それが影響あるんです。

カテゴリー: DAC

最近のDAC(チップ)はΔΣ型って知ってますか?

最近市販されているのDACチップはすべてΔΣ型である。
当然CDPやDAコンバーターもほとんどすべてがΔΣ型DACチップを使用している。
ΔΣ型って何?という方はこちらを参照してください。

CDの信号などは当然PCM信号でサンプリング周期毎に信号の大きさをデジタル信号で記録してあるわけですが、そのデジタル信号をアナログに変換する際には、必ずしもそういった原理どおりに再生しているわけではなくて、変換の過程はかなりこみ入った事になっている。直感的に言えばPCM信号を疎密波に変換して、それをフィルタリングして信号を得ているといった感じですか?な?。PCM信号というのは本来サンプリング毎に信号値が一義的に決まるはずなのですが、ΔΣ変換では多ビットの情報を前後のサンプリング値も使用して演算するので、時間軸方向(周波数軸方向)に展開しているという解釈ができるのではないでしょうか?だからこそ1bitDACというデバイスもできるわけで、これはこれでメリットなのですが・・・・・。

一方、PCMの原理どおりにサンプリング周期毎にPCM信号に応じた電圧を発生するDACチップもあります。これはどちらかというと古いDACチップでバーブラウン(今はTI)のPCM1704などがそうです。PCM1704はこの種の(ΔΣではない)DACチップの最高峰で、非常に高価です。ΔΣ型DACチップの5-10倍のお値段。何故高価になるかというと、この種のDACチップですラダー型の抵抗に電流を流してアナログ信号を得るのですが、精度の関係でラダー抵抗の抵抗値を非常に高精度に作る必要があるからです。PCM1704は後からレーザートリミングというレーザーによる微調整をしているので安くはならないのです(ΔΣ型DACのメリットはこういう事をしなくてもいいことです)。

このラダー型DACチップのいいところは(私が勝手に思っているだけだが)、サンプリング周期毎にアナログ電圧が一義的に決まる事で、したがってジッターの影響も受けにくいのではないかと思っている。

今度製品化するDAコンバーターもこのラダー型DACチップを使用している。このDACチップを車に例えるなら(ちょっと例えに無理があるが)ミッドシップみたいなものかなと勝手に思っている。

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