Anatomia di un DAC (anzi di molti DAC)

[aldina]

@Andrea Mori

Buonasera Andrea, leggo con attenzione ma non avendo competenza sufficiente alcune cose mi sfuggono. 

Quando in questo contesto che riporto sotto da un tuo post parli di "sorgente" ti riferisci a una tipologia specifica o più ampia?

Una sorgente CD (o SACD ) ha le stesse problematiche o criticità EMI/RFI di un flusso dati da streamer ?

Grazie per il tuo fantastico lavoro.

Marco

 

 

 

Posso ipotizzare dal punto di vista tecnico-scientifico che il problema sia dovuto proprio all'isolamento tra la sorgente ed il DAC. Non posso ricondurlo esattamente al processo di conversione, ma dalle misure empiriche che ho effettuato a suo tempo emerge un dato molto chiaro, ossia le emissioni a radio frequenza che si generano nel circuito e si propagano al PCB. Per mezzo di un analizzatore di spettro per radio frequenza professionale dotato di antenna per catturare le emissioni, ho riscontrato forti interferenze EMI/RFI più o meno su tutto il PCB. 

(Omissis)

La soluzione ideale, che definirei allo stato dell'arte, è quella di separare fisicamente il dominio della sorgente da quello del DAC, utilizzando non solo PCB separati, ma collocandoli in contenitori metallici separati (che fanno almeno in parte da schermo) e collegandoli per mezzo di cavi in fibra ottica, che sono a tutti gli effetti un vero e proprio "muro" contro le emissioni EMI/RFI. Quindi buffer FIFO asincrono da una parte e rigenerazione dei segnali digitali nel dominio temporale "pulito" dall'altra.  

 

 

[Andrea Mori]

1 ora fa, aldina ha scritto:

@Andrea Mori

Buonasera Andrea, leggo con attenzione ma non avendo competenza sufficiente alcune cose mi sfuggono. 

Quando in questo contesto che riporto sotto da un tuo post parli di "sorgente" ti riferisci a una tipologia specifica o più ampia?

Una sorgente CD (o SACD ) ha le stesse problematiche o criticità EMI/RFI di un flusso dati da streamer ?

Grazie per il tuo fantastico lavoro.

Marco

 

 

 

Posso ipotizzare dal punto di vista tecnico-scientifico che il problema sia dovuto proprio all'isolamento tra la sorgente ed il DAC. Non posso ricondurlo esattamente al processo di conversione, ma dalle misure empiriche che ho effettuato a suo tempo emerge un dato molto chiaro, ossia le emissioni a radio frequenza che si generano nel circuito e si propagano al PCB. Per mezzo di un analizzatore di spettro per radio frequenza professionale dotato di antenna per catturare le emissioni, ho riscontrato forti interferenze EMI/RFI più o meno su tutto il PCB. 

(Omissis)

La soluzione ideale, che definirei allo stato dell'arte, è quella di separare fisicamente il dominio della sorgente da quello del DAC, utilizzando non solo PCB separati, ma collocandoli in contenitori metallici separati (che fanno almeno in parte da schermo) e collegandoli per mezzo di cavi in fibra ottica, che sono a tutti gli effetti un vero e proprio "muro" contro le emissioni EMI/RFI. Quindi buffer FIFO asincrono da una parte e rigenerazione dei segnali digitali nel dominio temporale "pulito" dall'altra.  

 

 

Si, parlavo di sorgenti in generale.

In modalità sincrona, ossia quando il DAC processa con il clock che arriva dalla sorgente, inevitabilmente tutto il jitter della sorgente verrà trasmesso al DAC.

In modalità asincrona, se ben implementata, il jitter della sorgente viene eliminato, ma le interferenze EMI/RFI potrebbero comunque raggiungere il DAC. Direttamente dalla sorgente se non c'è alcun isolamento lato DAC. Ma anche in presenza di un isolamento digitale o ottico direttamente implementato vicino al DAC, poiché i circuiti digitali ad alta velocità irradiano moltissimo, e se la parte di conversione è abbastanza vicina e non c'é un isolamento anche fisico, allora le interferenze possono influenzare il processo di conversione.

[aldina]

Molte grazie Andrea.

Solo per la cronaca io sono due passi indietro, e tutt'ora adopero un po' di liquida ma ancora la sorgente CD monotelaio (ho gran stima ad esempio di Meitner in Emmlabs e Koch in Playback che non si sono mai prestati a soluzioni in telai separati per clock, upsampler, alimentazioni ecc ma non voglio strapparti un'opinione, hai già un gran daffare a rimanere nei binari del thread). pur frequentando almeno due amici con soluzioni DAC (e sistemi of course) costose (DCS Rossini e Vivaldi) tengo le antenne alzate; insomma... leggo, osservo e ascolto.

Buon proseguimento

Marco 

[moos]

15 ore fa, Andrea Mori ha scritto:

Oltre a questo, il suddetto filtro passa-basso attenua le immagini del segnale campionato che si creano inevitabilmente fuori banda audio. Queste vengono chiamate anche aliasing, ma in realtà questo termine è più appropriato per la conversione analogico-digitale, in un DAC sono vere e proprie immagini del segnale originariamente campionato digitalmente. Queste immagini si creano a partire dalla frequenza di campionamento diviso due, pertanto un segnale campionato da 1kHz produce anche immagini a 23,05 kHz ((44,1 kHz/2) + 1 kHz), 45,1 kHz, 88,2 kHz e via dicendo.

Alcuni DAC, tra cui il mio dcs Bartok, mettono a disposizione la possibilità di modificare la pendenza del filtro passa-basso e di regolarne, quindi l'efficacia. Mi sarei aspettato che tecnicamente si intervenisse per eliminare totalmente le immagini mentre sembra che si lasci la possibilità all'ascoltatore di decidere il suono che lo aggrada al meglio.

Come si pongono i vari costruttori di DAC? scelgono per il taglio completo oppure ognuno ha un proprio approccio che va ad influenzare il suono finale?

[Andrea Mori]

Riprendo dal filtro di ricostruzione o filtro anti-immagine.

Come si vede nella prima immagine, un filtro passa-basso ideale ha una banda passante senza attenuazioni fino alla frequenza di taglio ft, ed un'attenuazione infinita oltre la frequenza di taglio. Inoltre non ha rotazioni di fase nella banda passante.

Nel mondo reale, un filtro del genere non è realizzabile, c'è sempre un compromesso tra banda passante, attenuazione fuori banda e rotazione di fase. Nella seconda immagine è rappresentata la curva di attenuazione di un filtro passa-basso reale del primo ordine, 6dB/ottava. Rispetto al filtro ideale (il rettangolo rosa), si ha già una certa attenuazione nella parte superiore della banda passante, arrivando ad un'attenuazione di -3dB alla frequenza di taglio, e la banda di attenuazione non è infinita, ma ha una certa pendenza. Questo significa che vicino alla frequenza di taglio l'attenuazione sarà scarsa, ed aumenterà man mano che ci si allontana dalla stessa. La pendenza nella banda di attenuazione dipende dall'ordine del filtro passa-basso, un filtro del primo ordine ha un'attenuazione di 6dB/ottava, del secondo ordine di 12dB/ottava e via dicendo.

Nella terza immagine sono rappresentate le curva di risposta in ampiezza ed in fase del filtro passa-basso più semplice, ossia un filtro RC (resistenza in serie, condensatore in parallelo) del primo ordine, con un'attenuazione fuori banda di 6dB/ottava. Come si evince dalla figura, alla frequenza di taglio, 100kHz in questo caso, si ha già una rotazione di fase di -45 gradi, per poi arrivare a -90° nel punto di massima attenuazione. Ma si nota anche che la rotazione di fase inizia già a partire poco sopra 1 kHz, e quindi interessa anche la banda passante.

Le rotazioni di fase nella banda passante diventano particolarmente pericolose nei circuiti basati sulla contro-reazione.

Nel prossimo commento descriverò varie tipologie di filtri, passivi e attivi, e con pendenze di attenuazione più o meno elevate. 

[walge]

@Andrea Mori

una cosa che ho notato riguarda le mother board dei dac come si sono evolute.

Molti costruttori riescono a implementare in uno spazio piuttosto piccolo le funzioni principali magari ottimizzando il layout ed utilizzando più layer studiato ad hoc anche per i disturbi

Ho anche notato che nei R2R normalmente le board sono più grandi ed alcuni costruttori riescono a contenere le dimensioni nonostante l'uso, magari, di 64 resistori ( o forse di più)

Mi da l'idea che per questo tipo di dac la capacità di sviluppare layout molto compatti e ben studiati sia una condizione essenziale e quindi a carico di aziende ben robuste come tecnologia.

Vale per tutti i dac, ogni pista è una induttanza (parassita) a certe frequenze due piste adiacenti comportano una capacità parassita. In breve filtri e linee di ritardo.

nota: tempo fa parlai con un progettista di pcb x impieghi militare che, bontà sua, mi diede un aiuto per le mie (sono una grande pippa). Mi disse che la ultima realizzazione del suo gruppo fu una scheda controllo di un qualcosa di equipaggiamento per aereo da combattimento con 32 layer in poco più di 5 mm di spessore !!! e per svilupparla usarono un software di molte migliaia di euro per la simulazioni dei possibili disturbi indotti o catturati dall'esterno e che fu di aiuto estremo nella realizzazione pratica.

 

Walter

[Andrea Mori]

23 minuti fa, walge ha scritto:

@Andrea Mori

una cosa che ho notato riguarda le mother board dei dac come si sono evolute.

Molti costruttori riescono a implementare in uno spazio piuttosto piccolo le funzioni principali magari ottimizzando il layout ed utilizzando più layer studiato ad hoc anche per i disturbi

Ho anche notato che nei R2R normalmente le board sono più grandi ed alcuni costruttori riescono a contenere le dimensioni nonostante l'uso, magari, di 64 resistori ( o forse di più)

Mi da l'idea che per questo tipo di dac la capacità di sviluppare layout molto compatti e ben studiati sia una condizione essenziale e quindi a carico di aziende ben robuste come tecnologia.

Vale per tutti i dac, ogni pista è una induttanza (parassita) a certe frequenze due piste adiacenti comportano una capacità parassita. In breve filtri e linee di ritardo.

nota: tempo fa parlai con un progettista di pcb x impieghi militare che, bontà sua, mi diede un aiuto per le mie (sono una grande pippa). Mi disse che la ultima realizzazione del suo gruppo fu una scheda controllo di un qualcosa di equipaggiamento per aereo da combattimento con 32 layer in poco più di 5 mm di spessore !!! e per svilupparla usarono un software di molte migliaia di euro per la simulazioni dei possibili disturbi indotti o catturati dall'esterno e che fu di aiuto estremo nella realizzazione pratica.

 

Walter

Realizzare un buon layout del PCB non significa necessariamente ridurne le dimensioni.

Ci sono delle regole da seguire per fare un buon layout, e per un DAC sono sostanzialmente quelle della radio frequenza e dei circuiti digitali ad alta velocità.

Questo significa soprattutto implementare linee di trasmissione sul PCB ad impedenza controllata, terminandole quando è necessario, e gestire al meglio i ritorni di corrente ed i piani di massa.

Per ottenere questo servono almeno 4 layer, ma talvolta è meglio utilizzarne 6. Il che ovviamente aumenta il costo della realizzazione. Come del resto aumenta quando si collocano i componenti su entrambe le facce del PCB.

In ogni caso realizzare layout molto compatti non è particolarmente complesso se usi molti layer e componenti SMD più piccoli possibile (ad esempio resistenze e condensatori in package 0603 o addirittura 0402). Non è detto però che sia la miglior soluzione, poiché le regole di layout ad alta frequenza talvolta cozzano con le ridotte dimensioni del PCB. Tanto per fare un esempio rispetto all'analogico, nel layout di un DAC non si usano masse a stella come nell'analogico, ma piani di massa ben delineati per ottenere le impedenze controllate delle quali ho parlato sopra.

[Andrea Mori]

A titolo esemplificativo, se si vuole realizzare una linea di trasmissione sul PCB ad impedenza controllata di 50 Ohm, ad esempio per trasportare il bit clock ad una frequenza di 50 MHz agli interruttori (flip-flop) del DAC, la pista deve avere una larghezza di 13 mils, ed il piano di massa deve trovarsi immediatamente nel layer successivo a 8 mils di distanza (in mezzo c'é l'isolante).

Ma questo comporta un tempo di propagazione di 154 pico secondi ogni pollice (25,4 mm), e questo potrebbe essere un problema se la linea di trasmissione è particolarmente lunga. Ipotizzando che i circuiti integrati (flip-flop) da pilotare coprano una distanza di 6 pollici (153 mm), allora il ritardo di propagazione del clock tra il primo e l'ultimo dispositivo diventerà di oltre 900 pico secondi. Questo sarebbe inaccettabile perché aggiungerebbe una notevole distorsione temporale nella rete degli interruttori (praticamente jitter aggiunto), e quindi sarà necessario utilizzare una tecnica più complessa per diminuire il tempo di propagazione accorciando le linee di trasmissione. Una soluzione è quella di utilizzare dei buffer di clock (fan-out buffer) che pilotano ognuno pochi flip-flop, in modo da accorciare le linee a non più di 3 o 4 mm, diminuendo il tempo di propagazione a 20-30 pico secondi. 

[AudioLover]

@Andrea Mori a proposito di isolamento galvanico, ho trovato a proposito del Denafrips Terminator Plus questo articolo in cui parlano di questa soluzione un po’ diversa. 
 

te lo posto.

 

“The Terminator Plus adopts a slightly different isolation approach than many. Instead of galvanically isolating inbetween the USB board and the rest of the unit, the isolation is between the whole DSP board and the analog section.
This has the benefit of meaning that all other inputs including I2S are also isolated from the analog section, but with the slight concern that it could have an effect on the DSP components themselves as they are not isolated from the PC/host device, or grounding given as the DSP section likely has to have a ground connection which would be shared with the rest of the device. This is speculatory however.”

[granosalis]

Il 4/3/2024 at 21:11, Andrea Mori ha scritto:

Rockna del mio amico Nicolae.

Ho il Wavelight e mi trovo benissimo, ma mi piacerebbe molto poter ascoltare e confrontare il rockna sia con il Tambaqui che con qualche DAC di costruzione Jap, come quelli montati sui lettori Esoteric.

[Andrea Mori]

56 minuti fa, Ricky81 ha scritto:

@Andrea Mori a proposito di isolamento galvanico, ho trovato a proposito del Denafrips Terminator Plus questo articolo in cui parlano di questa soluzione un po’ diversa. 
 

te lo posto.

 

“The Terminator Plus adopts a slightly different isolation approach than many. Instead of galvanically isolating inbetween the USB board and the rest of the unit, the isolation is between the whole DSP board and the analog section.
This has the benefit of meaning that all other inputs including I2S are also isolated from the analog section, but with the slight concern that it could have an effect on the DSP components themselves as they are not isolated from the PC/host device, or grounding given as the DSP section likely has to have a ground connection which would be shared with the rest of the device. This is speculatory however.”

Si, è simile al diagramma a blocchi che avevo già postato, in quel diagramma c'é un blocco chiamato "I2S/PCM Output Isolator" volto proprio ad isolare completamente il DAC da tutte le sorgenti disponibili per mezzo di accoppiatori ottici.

Nei miei DAC non lo uso perché hanno già i foto-accoppiatori all'ingresso, quindi le masse della parte DAC sono totalmente separate da quelle della sezione sorgenti.

Tuttavia, i segnali che comandano gli interruttori del DAC (MCK o LRCK a seconda del DAC) non devono assolutamente essere isolati, perché qualsiasi tipo di isolatore produce comunque rumore e jitter, quindi devono arrivare al DAC in rame (cavi coassiali RF).

[AudioLover]

@Andrea Mori Quindi ritieni che il Denafrips abbia ottime soluzioni tecniche?

[Andrea Mori]

Nell'ultimo commento in tema avevo iniziato a parlare del filtro di ricostruzione o anti-immagine che normalmente viene utilizzato all'uscita analogica del DAC, descrivendo il filtro passa-basso più semplice, ossia il filtro RC (resistenza e condensatore) con una pendenza di attenuazione fuori banda pari a 6dB/ottava.

Adesso descriverò altri filtri comunemente utilizzati giusto per dare un'idea delle possibili soluzioni, dato che le combinazioni sarebbero praticamente infinite.

Nella prima immagine è rappresentato il circuito di un altro filtro passivo, in questo caso si tratta di un filtro passa-basso LC (induttore e condensatore), che fornisce un'attenuazione fuori banda pari a 12dB/ottava. Essendo l'induttanza ed il condensatore entrami elementi reattivi, l'attenuazione fuori banda si somma, passando da 6dB/ottava del circuito RC a 12dB/ottava.

In questo caso la frequenza di taglio è stata scelta a circa 22kHz, in modo da attenuare già le immagini che si creano con materiale a 44.1 kHz, ossia a partire da metà della frequenza di campionamento. Come si può vedere la pendenza di attenuazione è più ripida rispetto al filtro RC, ma anche la rotazione di fase inizia ad essere più complessa e raggiunge sfasamenti più elevati. Da notare che, avendo scelto una frequenza di taglio di 22 kHz (che significa -3dB di attenuazione a questa frequenza), l'attenuazione, seppur minima, inizia già in banda audio, tra 4 e 5 kHz. E la rotazione di fase inizia già a partire da poche centinaia di Hertz. Tuttavia questa rotazione di fase è ancora benigna in un filtro passivo, poiché non c'é alcuna contro-reazione ingresso-uscita.

La seconda immagine, invece, rappresenta il circuito di un classico filtro passa-basso del secondo ordine, quindi sempre 12dB/ottava, implementato con un amplificatore operazionale. Per essere comparabile al filtro LC precedente, è stata scelta la stessa frequenza di taglio di circa 22 kHz e la stessa attenuazione fuori banda di 12dB/ottava.

Si nota che in questo caso sia l'ampiezza che la fase sono assai più tormentate, e questo è dovuto proprio al fatto che, in un filtro attivo come questo, i componenti reattivi che compongono il filtro (due condensatori) si trovano all'interno del loop di contro-reazione ingresso uscita dell'amplificatore operazionale. Non entro nel merito della teoria dei poli e degli zeri che descrivono un filtro basato sulla contro-reazione perché sarebbe troppo complesso (matematica complessa), ma mi limito a dire che rotazioni di fase importanti nell'anello di contro-reazione potrebbero produrre effetti indesiderati.

Un'altra opzione, sempre passiva, è quella di utilizzare un trasformatore di accoppiamento per limitare la banda passante. Un trasformatore del genere non è altro che un paio di induttanze avvolte sullo stesso nucleo, pertanto il filtro passa basso che ne deriva è in parte assimilabile a quello LC che ho descritto sopra, dato che il trasformatore presenta gli stessi elementi reattivi, l'induttanza dell'avvolgimento e le capacità parassite del primario, del secondario e mutue.

Che cosa adottano i costruttori di DAC?

Solitamente implementano filtri attivi di vario ordine, spesso del quarto ordine (24dB/ottava) basati su amplificatori operazionali, poiché sono i più semplici ed economici. Talvolta ne usano più di uno in cascata per aumentare l'ordine (la pendenza di attenuazione fuori banda).

Personalmente, nel mio DAC PCM R2R non uso alcun filtro, ma mi affido ad un semplice passa basso del primo ordine all'ingresso dell'amplificatore/buffer di uscita. Nel DAC DSD uso un semplice filtro RC del primo ordine, che poi si va a sommare in cascata a quello in ingresso dell'amplificatore/buffer. Ovviamente le pendenze di attenuazione fuori banda sono assai blande, tanto che se le vedesse Amir inorridirebbe, visto che preferisce tagli ben netti al di fuori della banda audio.

Tuttavia, l'analisi separata del filtro di ricostruzione o anti-immagine è un po' limitante, poiché c'è un'altra tipologia di filtri che possono essere implementati prima della conversione, nel dominio digitale, ossia i filtri digitali utilizzati per il sovra-campionamento. Pertanto, alla fine, le due tipologie di filtri lavorano insieme del DAC, e dovrebbero essere analizzate contestualmente. Ad esempio, se si sovra-campionano i 44.1 kHz a 352,8 kHz, le immagini si trovano assai più lontane dalla banda audio (a partire da 176,4 kHz, ovvero dalla metà della frequenza di campionamento risultante), e quindi è possibile implementare filtri all'uscita analogica con frequenze di taglio più alte e pendenze di attenuazione inferiori, a beneficio di minori rotazioni di fase in banda audio.

Nel prossimo commento accennerò ai filtri digitali.   

 

[Andrea Mori]

7 minuti fa, Ricky81 ha scritto:

@Andrea Mori Quindi ritieni che il Denafrips abbia ottime soluzioni tecniche?

Se trovo sufficienti informazioni in rete, proverò ad analizzarlo insieme all'Holo May come esempio di tecnologia di conversione PCM R2R a componenti discreti.

[Max440]

Il 4/3/2024 at 10:25, Andrea Mori ha scritto:

La prima è quella del reclocking lato DAC che ho descritto nell'ultimo commento sul tema

 

Che io sappia, tutti i dac "decenti" hanno il recloking in ingresso...

Per lo meno tutti quelli attuali.

E questo è uno dei motivi per cui cambiare lo streamer cambia pressochè nulla a livello di suono, a meno di prodotti veramente scadenti.