Хочу поделиться своими размышлениями и накопленными знаниями о TDA1541 от Philips — легендарном цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП). На всякий случай: ЦАП преобразует цифровой сигнал в аналоговый, позволяя нам слушать музыку с цифровых носителей через аналоговые системы воспроизведения. ЦАП TDA1541 — своего рода культ среди аудиофилов, пока не могу точно определить, насколько обоснованно, но, как говорится, нет дыма без огня.
Сам по себе эта микросхема давным-давно снята с производства, поэтому обычных производителей она не интересует, но остается фетишем DIY-щиков, кустарных производителей и коллекционеров. В частности, древний форм-фактор делает ее удобной для пайки. А поиск микрухи происходит как на Али (не рекомендуется) и eBay, так и на разборках старой аппаратуры. У нас чип стоит примерно около 50 долларов за обычный, до неизвестных величин за «коронованные» (неизвестно, кем и где) экземпляры. Проверить продавцы всё равно не дадут, но щеки будут раздувать.
В принципе, про данную микросхему всё уже давно написано, поэтому я не буду тут переписывать всё подряд, а просто приведу в конце небольшой список интересных источников. Но, с другой стороны, в основном написанное либо слишком популярно, либо, наоборот, очень специализированно, и не дает картинки того, почему бы этот ЦАП мог бы быть интересен DIY-щику. Постараюсь немного сместить свое внимание на примеры, практику применения чипа, ну и на идеи, что с ним вообще можно делать.
Сначала рассмотрим типы ЦАПов и их особенности:
Рис. 1. Типы ЦАП
Мультибитные ЦАПы — это как раз та категория, куда относится TDA1541, а более точно — к ЦАП с токовыми источниками.
Категория R-2R — это, так называемые, вентильные ЦАПы. Этот тип ЦАПов был изобретен первоначально, но затем был постепенно вытеснен устройствами на основе Дельта-Сигма преобразования, причины чего опишу далее.
ЦАПы на основе FPGA используются в настоящее время такими крутышами, как Chord. FPGA — это программируемые логические матрицы, которые позволяют делать очень интересные кастомные решения, но в силу дороговизны используются в основном в High-End. Ну и, понятное дело, для рядового DIY-щика они вряд ли подходят, а те, кто могут их программировать, мне кажется, DIY не занимаются.
Существуют еще гибридные ЦАПы (собственно, и сами Дельта-Сигма — это, в основном, гибриды). И всякая экзотика, типа «ЦАПы с переключаемыми конденсаторами», и «DDS ЦАПы», но они для аудио-применений нас не интересуют.
TDA1541 появился в 1985 году, заменив предшественника — TDA1540. Philips выпустила этот чип, чтобы соответствовать новым требованиям компакт-дисков с 16-битной разрядностью (первые их версии были 14-битными). Одной из ключевых особенностей TDA1541 является его мультибитная архитектура «Sign-Magnitude», в отличие от современных Дельта-Сигма ЦАПов. Она, как я понимаю, и даёт ему уникальное звучание.
Архитектура «Sign-Magnitude» считается уникальной, потому что она обрабатывает знак и величину сигнала отдельно. Это позволяет достичь более точного воспроизведения сигнала, особенно при низких уровнях громкости, и считается одной из причин «аналогового» звучания TDA1541.
Голландский инженер Руди ван де Плаше предложил использовать динамическое усреднение тока (Dynamic Element Matching, DEM) для резисторов старших битов. Этот метод впервые применили в TDA1540, а затем и в TDA1541, где DEM охватывал шесть старших битов. Остальные десять младших битов обрабатывались пассивным делителем на транзисторах. DEM позволил значительно улучшить линейность преобразования и снизить уровень искажений.
В общем, как и многое другое в аудиофильском мире, ЦАПы на TDA1541 вызывают множество диаметральных оценок.
Если говорить о объективных замерах, то, скорее всего, здесь многое зависит от технической реализации ЦАПа. Например, Амир из Audio Science Review тестировал некий самодельный Finished Philips hifi forum tenth anniversary TDA1541 DAC Coaxial input L17-53, который показал, вроде бы, неплохой уровень нелинейных искажений, но плохой уровень шумов, что поместило его в троечников, а Амиру дало повод «развеять очередной аудиофильский миф о том, что „старые чипы звучат лучше“».
Аналогично и Duboweek тоже говорит, что ЦАП должен быть, во-первых, современным, а во-вторых, в «пивном бюджете», другими словами, всё, что дороже 300 долларов — это уже капризы из следующей ступени пирамиды Маслоу.
На другой стороне находится, например, Gabster, сконструировавший одноименный ЦАП, который выдает огромные восторги от слепого прослушивания его ЦАПа вместе с друзъями. Но он человек заинтересованный, не уверен, что его мнение достаточно объективно.
Мало того, Gabster даже при прослушивании разделил чипы на 4 категории качества, и продает их от 65 до 360 долларов за штуку в зависимости от своей субъективной оценки. Все его чипы TDA1541A, с коронами у него чипов нет (интересно, почему?), а вот R1 отмечены 3 из 4-х худших чипов и всего 1 из 8 в «высшей» категории. Видать, R1 умельцы рисуют самостоятельно.
Я пока не имею достаточного опыта и натренированного слуха, чтобы это оценить. Но меня очень привлекает возможность разобраться и собрать самому.
Теперь поговорим от том, что говорят «позитивные» субъективные оценщики: ...
TDA1541 — сдвоенный 16-битный ЦАП. Для обеспечения высокой точности шести наиболее значимых битов используется динамическое деление тока, что исключает необходимость в корректировке. Для реализации десяти младших битов применяется пассивная делительная ступень на основе эмиттерного скалирования транзисторов. Это позволяет использовать ЦАП без дополнительной схемы выборки-хранения при частоте дискретизации до 200 кГц. Дифференциальная линейность составляет 0,5 LSB в диапазоне температур от −20 до +70°C, а уровень искажений — 0,001%.
LSB (Least Significant Bit) — это наименьший значащий бит в двоичном числе. В контексте ЦАП, дифференциальная нелинейность, измеряемая в LSB, показывает, насколько точно ЦАП может воспроизводить малые изменения сигнала. Чем меньше это значение, тем лучше линейность ЦАПа и качество звука.
— Разрешение: 16 бит (современные Дельта-Сигма: до 32 бит)
— Частота дискретизации: 44.1/48 кГц (современные Дельта-Сигма: до 768 кГц)
— Сигнал/шум: 96 дБ (современные Дельта-Сигма: до 120 дБ)
— Динамический диапазон: 96 дБ (современные Дельта-Сигма: > 120 дБ)
— Тип преобразования: мультибитный (Sign-Magnitude)
— Диапазон частот: 0–20 кГц
— Интерфейс: I2S
Современные ЦАПы объективно превосходят TDA1541 по техническим характеристикам, что не мешает аудиофилам его любить.
В 1988 году Philips представила обновлённые версии TDA1541:
- TDA1541A-S1: Дифференциальная нелинейность менее 0,5 LSB.
- TDA1541A: Дифференциальная нелинейность менее 1 LSB.
- TDA1541A-R1: Дифференциальная нелинейность менее 2 LSB.
- TDA1541A-S2 была самой эксклюзивной версией, использовавшейся в топовых устройствах Marantz и других.
TDA1541 использовался в CD-проигрывателях и ЦАПах, произведённых Philips, Marantz, Sony и многими другими. Эти устройства стали своего рода иконами благодаря качеству звука. Вот несколько конкретных моделей, использовавших TDA1541, ищите на Авито: Philips CD960, - Marantz CD-94, Sony CDP-X77ES, Arcam Delta 70.3.
Преимущества:
- Высокое качество звука: натуральное и теплое звучание.
- Надежность: долговечность и стабильная работа на протяжении многих лет.
- Уникальная архитектура: мультибитная структура обеспечивает минимальные искажения.
Недостатки:
- Устаревшая технология: Современные ЦАПы имеют более высокие характеристики.
- Дефицит и высокая цена: Найти оригинальные TDA1541 сложно, и они стоят дорого. Подделок тьма.
Для лучшего понимания, кратко опишу принцип работы каждого типа ЦАП:
Мультибитные ЦАПы (как TDA1541):
— Напрямую преобразуют цифровой код в аналоговый сигнал
— Используют набор взвешенных источников тока или резисторов
— Каждый бит входного сигнала напрямую влияет на выходной уровень
Дельта-сигма ЦАПы:
— Используют одноразрядное или малоразрядное преобразование с высокой частотой
— Применяют шумоподавление и передискретизацию
— Формируют выходной сигнал путем усреднения большого числа выборок
В основе дельта-сигма ЦАП лежит модулятор, который переносит шум из звуковой области в ультразвуковую. Современные дельта-сигма ЦАПы чаще всего также являются мультибитными, но используют дельта-сигма модуляцию для улучшения характеристик. Тем не менее, многие аудиофилы ценят мультибитные ЦАПы за их «аналоговое» звучание, которое многие считают более натуральным.
Проблема в том, что мультибитные ЦАПы, такие как TDA1541, имеют свои технические сложности, например, с линейностью и стабильностью опорных источников тока. Однако, благодаря таким методам, как Dynamic Element Matching, удалось добиться высокой точности и минимизации искажений.
Дельта-сигма ЦАПы проще в производстве и дешевле. Тем не менее, высококлассные дельта-сигма решения, такие как AK4499от Asahi Kasei Microsystems, могут демонстрировать отличное качество звука.
В качестве одного из примера противоречивой любви аудиофилов можно привести гонку за некоторыми ранними сериями игровой приставки Sony PS1, оснащенной 1-битным ЦАПом AK4309B. Считается, что эти серии приставок дают «теплое аналоговое» звучание компакт-дисков — как раз тоже самое, что приписывается и мультибитному TDA1541. В даташите к AK4309B написано дословно: «1-битный ЦАП может обеспечивать плавное и последовательное нарастание выходного сигнала при низких искажениях без необходимости настройки, превосходя традиционные ЦАП на основе R-2R лестницы.» В причинах замены этого чипа на «хуже звучащие» я пока не разбирался.