DACチップの標準回路について  -意外と音質に影響を与えているかも-

はじめに

DAコンバーターの音質はまずDACチップによって音が変わると考えるのが普通です。ところが実際にはDACチップの性能・音質以外の要因も結構影響していることもあるのではという話です。

DACチップにはデータシートというものが必ずあって、仕様の他に電気特性とか標準的な使用方法(回路)、推奨する実装パターンなどが記載されています。DACチップを使用する側としては、その性能をフルに発揮するために最初に標準回路で装置を設計する事が多いと思います。実はそのデータシートに記載されている標準回路には結構個性があるのです。

DACチップの回路はこんな感じです。

それでは3社のDACチップに記載されている標準回路を比較して見ましょう。

PCM-1704(TI)

古いチップで恐縮ですが、テキサス・インスツルメンツ社のDAC、PCM1704です。ラダー抵抗にスイッチで電流をON/OFFして信号を作る古典的なマルチビットDACです。このチップは+-の電源供給が必要です。その信号出力部はお手本の様な回路です。OPアンプによるIV変換回路の後に、OPアンプによるローパスフィルターで構成されています。

 

ES9018(ESS)

実はES9018のデータシートは開示することは出来ません。ですのでWebで検索して出てきた回路図を示します(この回路図はhttp://www.teddigital.com/ES9008B_tech.htmに掲載されているものです)。一見さっきの回路と同じ様に見えますが、初段のIV変換用OPアンプの基準電圧がREFと記載された定電圧源に接続されています(先程はGND接続でした)。

最近のDACチップは+電源の供給だけになっているので、どうしても出力にオフセットが乗ります。それを補正するためにGND基準ではなく、一定の電圧を載せる必要があります。回路的には安定化電源で簡単に実現できるのですが、安定化電源の出力には50uV程度のノイズがありますので、安易なREF電圧源を使用すると出力電圧にもそのままそのノイズが重畳してしまいます。

それに非常に違和感があるのがOPアンプ(三角)の代わりにロジック回路のシンボル(三角に丸)が使用されているところで、アナログ回路の設計者から見ると非常に違和感があります。例えるならカレーライスにご飯ではなくパンが載っている感じでしょうか。おそらくESS社の設計者はデジタルにはめっぽう強いが、アナログ回路のことはちんぷんかんぷんなんだと思います。

加えて回路定数が妙で、このまま使用すると高周波ノイズだらけになるのでは?という定数なのです。

さらに、チップの端子配置もアナログとデジタルが交互に配置されていて、幾何学的には綺麗かもしれませんが、実装パターンでデジタルとアナログを分離できない、変テコな配置になっています。

ES社のDACチップを使用したDAコンバーターは機器による音質差が非常に大きいのですが、この辺の設計手腕が影響しているのだと思います。

AK4490(AsakiKasei)

この回路図は非常に特徴があります。最初にローパスフィルターが入っているのです。一般にDACチップは電流出力なので、最初にIV変換が来るのですが、このチップは電圧出力なのでこういうことが出来るのでしょう。それとオフセットを補正するのに最初に100uFのコンデンサを接続しています。100uFというと必然的に電解コンデンサーになりますが、非常に敏感な信号部に電解コンというのは、ワタシ的にはちょっと抵抗があります。あるDACではこの大事な部分に積層チップコンデンサを使用しているものがありましたが、そうなるとこの部分で相当な癖がつくんじゃないかと余計な心配をしてしまいます。

以上、ざっと3種のDACチップの回路図について特徴と感想を述べてみました。

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
コメント

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。現代の最新DACチップと比べても遜色ありません。

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。

レコードプレーヤの針圧設定が結構当てにならないので注意

レコードプレーヤの針圧設定が結構いい加減かもしれないので注意が必要です。

カートリッジの針圧設定は本来の性能を発揮するために重要な項目です。レコードプレーヤーで設定した針圧を測ってみたら、かなり外れている場合があったので要注意です。

アナログフェアに向けてレコード再々環境をいろいろといじっていました。昔なら天

針圧計

秤みたいな針圧系でしたが、最近はデジタルの針圧系が安く1000円位で出回っていて、試しに買ってみました。付属の5gのおもりで試すとほぼぴったんこ。

 

続いてレコードプレーヤPL-L1で測ってみると、設定針圧1.8gに対して実測時1.74gと「良いではないか、良いではないか」という感じでした。

良いではないか

次に最近中古で入手したPL-50LⅡで測定してみると設定針圧2.3gに対して、実測値3.2gと恐ろしいことになっていました。

2回転しているので2.3gのはずが

このプレーヤーは中古なので本来の性能を発揮していないのだと思いますが、それにしても全レコードを傷つけてしまうかもしれない誤差にびっくり。

皆さんも針圧計で一度は確認したほうがいいと思います。

ちなみにPL-50LⅡは後ろのおもりをくるくる回して針圧を設定する一般的なもので、PL-L1の方は内蔵されているバネ(時計のゼンマイみたいな物が円筒部に内蔵されている)で針圧を掛けるダイナミック式です。

フォノイコライザアンプをマイナーチェンジさせていただきました(そしてこっそりと値上げも・・・)

それと弊社のフォノイコライザアンプをマイナーチェンジしました。DCEQ-100がDCEQ-100SEという型番になりました。主な変更点は

 

・ACインレットを高周波フィルター付きのものに変更
・安定化電源を更に良いものに改良
・実装技術の改良による残留ノイズ低減

になります。
セカンドエディションはパネル面文字に変更はありません。リアパネルのACインレットにより識別できます。(2nd EditionのACインレットは金属ケースに入っています。)

音色も更に良くなり、聴感上のSN比もだいぶ改善されていて、MCカートリッジでもほとんどハム・ノイズ音が気にならないと思います。

そしてお値段も税別250,000円に変更させていただきます。

またアナログフェア(6/10-11)ではDCEQ-100SEを展示(HP試聴)させていただきます。

今度のUSB-DACを紹介します(2)-仕様と性能-

 

USB-DACの仕様は次のとおりです。

USB-DACの仕様

項目 仕様 備考
入力
USB PCM 44.1-192kHz 24bit
DSD 2.8MHz / 5.6MHz
SPDIF 光 44.1-96kHz
同軸 44.1-192kHz
DAC1 ESS ES9018S サンプリングレート 44.1-384kZHz
DAC2 TI PCM1704x4 サンプリングレート 44.1-768kHz  1704はモノなのでバランス用に4ケ使用しています
DAC3 NONE
SRC PCMのみ サンプリングレート
Bypass/96/192/384/768kHz
表示 LCD USB サンプリングレート
PCM/DSD信号表示
出力 DAC1 XLR RCA
DAC2 XLR RCA
Selected: DAC1 or DAC2 XLR RCA

SPDIFとUSBが使用できます。

サンプリングレートコンバーターで768kHzまでアップサンプリング出来ます。

DACチップは現在TI社のマルチビットDAC、PCM1704とESS社の9018が搭載できます。PCM1704モノ仕様ですので基板1枚あたり4ケ必要になります。既に市販されていないので、手持ち在庫の分のみの販売となります。

特性

ここでこのUSB-DACの特性の一部を紹介します。

これらは実際に測定されたTHD(ノイズ含まず)データです(カタログスペックではありません)。

PCM1704はサンプリング周波数を上げると、特に高域の歪率が低下していきます。THD上は384kHzがベストです。

ES9018ではサンプリング周波数を上げても歪率に変化はありません。これはDACチップ内部でオーバーサンプリングしているからと考えられます。

音質の違いもこれらの結果とほぼ一致しています。

今度のUSB-DACを紹介します(1)-その前にDACにとって重要なこと-

今度弊社ではUSB対応のDAコンバーターを発売予定です。

その仕様を説明する前に考えてみたいのですが、そもそも、そのDAコンバーター音質はに左右しているのでしょうか?

考えられる要素として

1. DACチップそのもの/ メーカー、型名、基本性能、構成(モノ/ステレオ)

2. 音源のフォーマット/ DSDかPCMか、 サンプリング周波数、ビット数

3. デジタルソースの影響/SPDIFかUSBか 音源のPCへの依存性

3. クロック(ジッター)/

4. 電源、アナログ回路/

等が挙げられると思います。

こういったことを総合的に勘案してDAコンバーターを製品化することになるのですが、もう一つ考えなければいけない事があります。それは、

「DAコンバーターはすぐ古くなってしまう」

ということです。新しいDACチップが出るたびにDAコンバーター全体を買い換えるのは大変非効率ですが、そうせざるを得ないという現実があります。

またDAコンバーター毎に使用DACチップが決まっているので、DACチップそのものの音質差を、同じ条件で、聴き比べることができないということがフラストレーションではなかったでしょうか? (私はそう・・・)

こんな諸事情を勘案して作ったのが、今度のUSB-DACです(エヘン)。

つまり最初に挙げた1-4の要素を総合的によく考えた上で、

・古くならないDAコンバーター
・異なるDACチップの比較試聴が1台でできる

という、やや画期的なDAコンバーターが今度の新製品になります。

名付けて、Progressive  DA converter, DCDAC-200です。

その仕様は次のとおりです。

項目 仕様 備考
入力
USB PCM 44.1-192kHz 24bit
DSD 2.8MHz / 5.6MHz
SPDIF 光 44.1-96kHz
同軸 44.1-192kHz
DAC1 ESS ES9018S サンプリングレート 44.1-384kZHz
DAC2 TI PCM1704 サンプリングレート 44.1-768kHz
DAC3 NONE
SRC PCMのみ サンプリングレート
Bypass/96/192/384/768kHz
表示 LCD USB サンプリングレート
PCM/DSD信号表示
出力 DAC1 XLR RCA
DAC2 XLR RCA
Selected: DAC1 or DAC2 XLR RCA

(続く)