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.
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.
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 AK4499, могут демонстрировать отличное качество звука.