Audio Optimum - NOS-DAC

In der Audio-Szene ist mittlerweile bekannt, dass der klassische Philips TDA1543 Multibitwandler den „modernen“ Delta-Sigma-DACs klanglich überlegen sein kann, wenn auf Oversampling mit Digitalfilter verzichtet wird. Im Internet finden sich zahlreiche Selbstbauprojekte, bei denen eine Vielzahl TDA1543-ICs, die an der absoluten Obergrenze ihrer maximal zulässigen Betriebsspannung arbeiten, parallel geschaltet sind, um einen höheren Ausgangsstrom zu erhalten und mit einem einfachen Widerstand gegen Masse eine passive Strom-Spannungswandlung zu erreichen, wobei auf ein analoges Tiefpassfilter zur Dämpfung der Spiegelfrequenzen ebenfalls verzichtet wird. Diese „analog“ klingenden DA-Wandler sind auch als Fertiggeräte erhältlich, für die je nach Ausführung stattliche Summen zu bezahlen sind. Ein solches Schaltungsdesign mit an der Belastungsgrenze betriebenen ICs und passiver Strom-Spannungswandlung ist jedoch nicht optimal. Dass bei intelligentem Schaltungsdesign mit nur einem TDA1543 ein noch höheres Klangniveau zu einem vernünftigen Preis möglich ist, zeigt der Audio Optimum NOS-DAC.

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44,1kHz/16Bit Non Oversampling Digital to Analog Converter  

Der Audio-Optimum NOS-DAC entstand als "Nebenprodukt" bei der Entwicklung der ersten phasenparallelen D'Appolito-Vollaktivsysteme Sonus Fidelis 1 bis 4, für  deren adäquate Ansteuerung  CD-Spieler mit Oversampling oder SACD-Spieler  mit Delta-Sigma-Wandlern nicht ausreichen. Der innovative NOS-Wandler verbindet erstmals die Vorteile des Non Oversampling und No  Reclocking (optimale  Impulswiedergabe, kein  Pre-Ringing, voller Dynamikumfang) mit einem linearen  Frequenzgang  bis  20kHz. Der im 44,1kHz-Betrieb prinzipbedingte Höhenabfall von bis zu -3,2dB wird durch ein analoges Rekonstruktionsfilter 3. Ordnung mit einer dazu spiegelbildlichen Übertragungsfunktion exakt kompensiert.

Waren  bisherige  NOS-DACs  eher  als  "Bastelkram"  zu  bezeichnen,  aber  dennoch  den "modernen"  Delta-Sigma-Wandlern  (deren  unterste  8Bit  von  "24Bit"  bei  einem  Musiksignal  nur Rauschen produzieren) bereits klanglich überlegen, repräsentiert der puristische Audio-Optimum NOS-DAC mit einzigartigem Schaltungsdesign den wahren Stand der Technik und macht  konventionelle  Audio-CDs  erstmals  wirklich  hörbar. Die  Musik  klingt  nicht  mehr "künstlich",  sondern  vollkommen  analog!  Es  ist  direkt  zu  hören,  was  auf  der  CD aufgenommen wurde – sodass der NOS-Wandler auch Tonstudios zu empfehlen ist.

 

Im  Folgenden  wird  ausführlich  erklärt,  wie  das  klangverfälschende  Oversampling  entstand, warum nie genutzte, echte Qualität von den Halbleiterherstellern nicht mehr produziert wird, und  warum  es  bis  heute  auch  in  den Aufnahmestudios  noch  keine  Tonaufzeichnung  mit mehr als 16Bit Auflösung gibt – die erst mit dem NOS-Wandler gehört werden kann. Es rauscht und knistert, die Stereokanaltrennung ist miserabel und nichtlineare Verzerrungen sind  um  mindestens  eine  Größenordnung  (Faktor  10)  höher als  bei  den  billigsten  CD-Spielern  –  dennoch  klingt  ein  guter  Analogplattenspieler  noch  immer  musikalischer  als  die allermeisten CD-Spieler, unabhängig vom Preis! Der  "künstliche"  Klang  konventioneller  CD-Spieler  resultiert  aus  dem  Oversampling.  Dabei werden  über  ein  digitales  FIR-Tiefpassfilter  höherer Ordnung  aus  den  44.100  originalen Samples,  die  pro  Sekunde  und  Stereokanal  auf  einer  Audio-CD gespeichert  sind,  176.400 nicht  mehr  originale  Samples  erzeugt  und  in  einen  DA-Wandler  gegeben,  der  mit  4-facher Frequenz getaktet wird. Einziger Zweck dieses Verfahrens ist es, Spiegelfrequenzen, die im Spektrum  der Treppenspannung  am  Ausgang  des  DA-Wandlers  oberhalb  des  Hörbereichs entstehen, vollständig (d. h. mit über 90dB Dämpfung) herauszufiltern, um das ursprüngliche Analogsignal zu "rekonstruieren".

 

Machen  wir  von  der  Treppenspannung  V(44k1)  eine  Spektralanalyse,   werden  die  sechs Sinusschwingungen  korrekt  reproduziert. Die  Treppenspannung  beinhaltet  außerdem ein breites Oberwellenspektrum. Die  erste  Oberwelle  ist  (44,1  –  6,8)kHz  =  37,3kHz,  die zweite  (44,1  –  4,7)kHz  =  39,4kHz, usw.  Die  ursprünglichen  sechs  Sinusschwingungen  werden  also  an  der  Samplingfrequenz "gespiegelt",  deshalb  nennt  man  sie "Spiegelfrequenzen".  Um  sie  loszuwerden,  bedarf  es eines Tiefpassfilters, das bis 20kHz alles durchlässt und schon bei (44,1 – 20) kHz = 24,1kHz eine Dämpfung von über 90dB aufweist. Soweit die (für Audio-Anwendung falsche) Theorie. In der Praxis müsste dafür ein Tschebyscheff-Tiefpass 22. Ordnung hinter den DA-Wandler gesetzt  werden,  wenn  die Welligkeit  im  Durchlassbereich nicht  größer  sein  soll, als  0,03dB. Mit  analoger  Technik  ist  das  unrealistisch,  also  wird ein digitales  FIR-Tiefpassfilter  vor  den DA-Wandler gesetzt, in das 44.100 Samples hineingetaktet und durch Algorithmen ermittelte 176.400 Samples wieder herausgetaktet werden.

 

Das   ursprüngliche   Analogsignal   ist   jetzt   an   176,4kHz   gespiegelt,   sodass   die   tiefste Spiegelfrequenz  erst  bei  156,4kHz  entstehen  kann, denn bei  der  Aufnahme  der  CD  wird immer  eine  Bandbegrenzung  auf  20kHz  durchgeführt.  In der  Regel  wird  dann  ein  analoges Bessel-Tiefpassfilter   3.   Ordnung   hinter   den   DA-Wandler gesetzt,   das   die   tiefsten Spiegelfrequenzen zwar noch immer nicht um 90dB, aber wenigstens um etwa 60dB dämpft. Wem  das  noch  nicht  reicht,  kann  es  mit  8-fach  Oversampling versuchen,  damit  die  tiefste Spiegelfrequenz erst bei 332,8kHz entstehen kann und das analoge Bessel-Tiefpassfilter 3. Ordnung nun alle Spiegelfrequenzen um mehr als 90dB dämpft. Das digitale FIR-Tiefpassfilter vor dem DA-Wandler erzeugt keine harmonischen Oberwellen, sodass mit einer gewöhnlichen Klirrfaktor-Messung keine zusätzlichen nichtlinearen Verzerrungen festzustellen sind. Im Werbeprospekt für den CD-Spieler mit Oversampling ist also alles in bester Ordnung. Dennoch verdirbt das FIR-Tiefpassfilter höherer Ordnung die Freude am Musikhören. Es entstehen Mikroechos im Musiksignal, auch bekannt als Pre-Ringing. Die Detailauflösung geht verloren, s-Laute in Gesangsstimmen werden bis zur Unerträglichkeit verschärft und Einzelinstrumente im Orchester bis zur Unkenntlichkeit verwischt. Dies betrifft auch gut produzierte, unkomprimierte Aufnahmen und hat nichts mit der weit verbreiteten Unsitte in Tonstudios zu tun, fast jede kommerzielle Musikaufnahme mit Dynamikkompressoren "plattzubügeln". Auch dadurch werden s-Laute unerträglich.

Für "High-End"-CD-Spieler mit Oversampling, die etwas weniger unerträglich klingen, können in den schlimmsten Fällen über 20.000 € ausgegeben werden. Tatsache ist jedoch: Das absolut beste Rekonstruktionsfilter für die Treppenspannung am Ausgang eines DA-Wandlers (bzw. für die Treppenspannung am Ausgang des Strom/Spannungswandlers hinter dem DA-Wandler mit Stromausgang) ist das menschliche Ohr! Behauptungen – mit denen z.B. Hochtonlautsprecher, die bis weit über 20kHz arbeiten, auf unseriöse Weise beworben werden -, man könne noch oberhalb von 20kHz etwas hören, oder es gäbe in diesem Frequenzbereich irgendwelche "psychoakustischen Effekte", sind kompletter Unsinn. Die Spiegelfrequenzen müssen also nicht vollständig herausgefiltert werden und Oversampling bei der Wiedergabe ist mehr als überflüssig. Das "Rekonstruktionsfilter Ohr" muss nur durch ein analoges elektronisches Tiefpassfilter ergänzt werden, das erstens die nachfolgende Verstärkerelektronik ausreichend vor Hochfrequenz bzw. vor zu steilen Signalanstiegen schützt und zweitens den bei einer Samplingfrequenz von 44,1kHz prinzipbedingten Höhenabfall kompensiert. Dann wird die ganze auf einer Audio-CD gespeicherte Information hörbar. Die Musik klingt nicht mehr "künstlich", sondern vollkommen "analog". Genau das wird mit dem Audio-Optimum NOS-DAC erstmals erreicht.

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Frequenzgang  

Eine  Samplingfrequenz  von  44,1kHz  ist  ausreichend,  um alles,  was  das  menschliche  Ohr hört, in digitalisierter Form abzuspeichern. Ein Oversampling bei der Wiedergabe führt immer zu  einer  Klangverschlechterung  und  nicht  zu  einer  Klangverbesserung.  Das  war  technisch auch  nie  beabsichtigt,  wird  aber  von  unseriöser  Werbung noch  immer  behauptet  und  von vielen  technisch  weniger  Interessierten  geglaubt.  Eine  höhere  Samplingfrequenz  ist  nur  bei der Aufnahme der CD wünschenswert, weil bei 44,1kHz keine höheren Signalfrequenzen als 22,05kHz in den AD-Wandler gelangen dürfen, damit keine Alias-Frequenzen im Hörbereich entstehen.  Bei  einer  höheren  Samplingfrequenz können weniger  steilflankige  Anti-Aliasing-Filter  verwendet  werden.  Allein  dadurch  ist  die  Klangqualität  zu  verbessern,  nicht  durch  die höhere Samplingfrequenz an sich! Bei der Wiedergabe der CD erfordert die Rekonstruktion des ursprünglichen  Analogsignals  kein  extrem  steilflankiges  elektronisches  Tiefpassfilter, denn das erledigt das menschliche Ohr!

Es muss "nur" mit einer speziellen Filterfunktion der Audio-Frequenzgang  korrigiert  werden.  Im  nächsten  Beispiel  besteht  das  ursprüngliche Analogsignal  aus  21  überlagerten  Sinusschwingungen  in logarithmischer  Verteilung  von 1kHz bis 20kHz. Es  wird  kein  Besselfilter  (f1)  benötigt,  das  den  Höhenabfall  bis  auf  -4,5dB  verschlimmert, sondern eine spezielle Tiefpassfunktion (f2), die zuerst ansteigt und dann steiler abfällt. Die Filterfunktion  f2  ist  kein  klassischer  Tschebyscheff-Tiefpass  und  kann  nicht  berechnet werden,  sondern  die  Filterparameter  sind  nur  durch  schrittweise  Approximation  mit  einem leistungsfähigen Computer-Simulationsprogramm zu ermitteln. Das Oberwellenspektrum der Treppenspannung ist durch f2 (3. Ordnung) ausreichend bedämpft, sodass die nachfolgende Verstärkerelektronik nicht gestört wird, und der Audio-Frequenzgang ist bis 20kHz linear. Befürchtungen, die Hochtöner würden überlastet, wenn bei NOS die Spiegelfrequenzen nur mit  einem  Tiefpass  3.  Ordnung  bedämpft  werden,  sind  unbegründet.  Im  Unterschied  zum Testsignal a21 ist der Hochtonanteil eines Musiksignals deutlich geringer, ansonsten würden die Hochtöner schon von den Signalen im Hörbereich zerstört. Der maximale Signalpegel tritt höchstens  bis  etwa  2kHz  und  dabei  nur  kurzzeitig  auf.  Die  entsprechende  Spiegelfrequenz von (44,1 – 2)kHz = 42,1kHz ist aber bereits um -40dB gedämpft.  Betrachten  wir  das  Testsignal  a21  und  die  Treppenspannung mit  den  Funktionen f1  und  f2 im Zeitraster von 25μs, in dem das Ohr gerade noch eine Halbwelle erkennt.

 

Die Besselfunktion  f1  "klebt"  an  der  Treppenspannung und  hat  darum  eine  zu  geringe Amplitude  bei den  höchsten  Audiofrequenzen,  während  die  korrekte  Filterfunktion  f2  immer genau soweit über die Treppenspannung hinaus schwingt, dass das menschliche Ohr – mit der Funktion eines natürlichen, extrem steilflankigen Tiefpassfilters bis 20kHz – das originale Analogsignal verfärbungsfrei mit linearem Frequenzgang hört! Was  dagegen  absolut  unhörbar  bleibt  – auch  das  muss  noch erklärt  werden-,  ist  die  etwas größere Phasendrehung von f2 (-90° bei 20kHz) gegenüber f1 (-66° bei 20kHz), solange die Phasendrehung  bei  beiden  Stereokanälen  identisch  ist.  Das  Ohr  reagiert  sehr  empfindlich auf  Phasendifferenzen  (für  die  Ortung  von  Schallquellen  im  Raum),  jedoch  bleibt  der absolute   Phasenfrequenzgang   unhörbar,   solange   er   nicht "zu   steil"   verläuft.   Ein Tschebyscheff-Tiefpass 22. Ordnung klingt wirklich scheußlich, so wie auch das digitale FIR-Tiefpassfilter  höherer  Ordnung  scheußlich  klingt,  nur auf  andere Weise.  Das  analoge  Filter macht  eine  Phasendrehung,  die  "viel  zu  steil"  verläuft,  und  Impulse  schwingen  zu  lange nach,  während  das digitale  Filter  die  Phase  "auf  der  Nulllinie"  hält,  aber  dafür  eine Verzögerung und sowohl Nachschwingen als auch Vorschwingen (Pre-Ringing) erzeugt.

Noch  mal  deutlich:  Auch  wenn  die  Funktion  f2  zunächst  an  eine  Tschebyscheff-Funktion erinnert  (aber  keine  ist)  und  negative  Assoziationen  wie  "mieses  Einschwingverhalten", "schlechte  Impulswiedergabe",  etc.  weckt,  bewirkt  allein  diese  spezielle  Filterfunktion  hinter einem mit 44,1kHz getakteten DA-Wandler (NOS-DA-Wandler) das genaue Gegenteil, dass nämlich  überhaupt  erst  die  ganze  Information  auf  einer  Audio-CD  hörbar  wird,  dass  eine noch  nie  gehörte  Feinzeichnung  da  ist,  aber  ohne  eine  Spur  von  Härte, dass Stimmen  und Instrumente  ganz  ohne  Schärfe  so  messerscharf  in  den  Hörraum  projiziert  werden,  dass man sich beim ersten Hören nicht vorstellen kann, wie eine "banale Höhenanhebung" diese unglaubliche  Verwandlung  bewirkt.  Auch  der  allerletzte  "Vorhang"  ist  weg  und  es  ist  direkt das zu hören, was der Toningenieur produziert hat.  Bei  genauerer  Betrachtung  ist  die  "banale  Höhenanhebung"  alles  andere  als  banal,  denn das, was f2 nach der DA-Wandlung im Audioband wieder addiert, ist genau das, was durch die  Abtastung  des  ursprünglichen  Analogsignals  mit  44,1kHz  zuvor  von  diesem  subtrahiert und  –  an  der  Abtastfrequenz  gespiegelt  –  über  das  Audioband  hinaus  in  den  unhörbaren Bereich  geschoben  wurde.  Es  ist  keinesfalls  möglich,  einen  auch  nur  annähernd  ähnlichen Effekt mit einem Höhenregler (Shelving highpass) zu erzielen, sondern: 

Allein mit einem NOS-DA-Wandler in Kombination mit einem analogen Tiefpass der speziellen Filterfunktion f2 kann eine 44,1kHz-Audio-CD richtig gehört werden!     

Warum  wurden  CD-Spieler  nicht  von  Anfang  an  richtig  konstruiert?  Bekanntlich  war  die Entwicklung der Audio-CD ein Gemeinschaftsprojekt von Philips und Sony, die sich anfangs nicht  auf  ein  gemeinsames  Datenformat  einigen konnten.  Sony  plädierte  für  44,1kHz/16Bit und  Philips  wollte  44,1kHz/14Bit,  weil  erstens  zu  Anfang  der  1980er  Jahre  eine  höhere Genauigkeit  technisch  noch  nicht  möglich  war  und  weil  zweitens  die  Firma  Philips  einen 14Bit-DA-Wandler,  den TDA1540, bereits  entwickelt  hatte  und  nun  nicht gewillt  war,  diesen sogleich  wieder  einzustampfen.  Schließlich  einigte  man  sich  doch  auf  44,1kHz/16Bit,  aber Philips  wollte  den  14Bit-Wandler  nicht  aufgeben  und  erfand  stattdessen  das  Oversampling. Man  setzte  das  Digitalfilter  SAA7030  vor  die  TDA1540 (einen  pro  Stereokanal)  und  ließ diese  mit  der  4-fachen  Taktfrequenz  laufen.  In  der  Werbung  wurde  dann  behauptet,  man würde  durch  "Oversampling"  mit  14Bit-Wandlern  eine  "16Bit-Performance"  erreichen.  Das war technisch kompletter Unsinn, aber werbetechnisch so über die Maßen erfolgreich, dass in  der  Folge  der  Oversampling-Unfug  von  allen  Herstellern  kopiert  wurde,  um  die  ganze halbwegs zivilisierte Menschheit mit schlechtem Klang zu beglücken.      

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Auflösung  

Indem  ein  14Bit-Wandler  mit  4-facher  Frequenz  getaktet  wird,  erreicht  er  selbstverständlich keine  16Bit-Auflösung,  sondern  die  beiden  untersten  Bits  bleiben  auf  der  Strecke.  Es  wird lediglich  durch  Noise  Shaping  eine graduelle  Verbesserung  des  Rauschabstandes  erreicht, was  aber  im  Vergleich  zur  Klangverschlechterung  durch  das Digitalfilter  völlig  unbedeutend ist. Der praktische Beweis, dass ein guter 14Bit-Wandler ohne Oversampling unvergleichlich besser  klingt  als  jeder  "moderne"  Wandler  mit  Oversampling/Upsampling-Unfug,  lässt  sich am einfachsten mit dem ersten professionellen CD-Spieler, dem Revox B225 (Baujahr 1981) durchführen.  Dieser  beinhaltet  den  ersten  Philips-Chipsatz  für  die  CD-Wiedergabe,  ist  aber nicht wie die ersten Philips-Geräte ein großserientechnischer "Katastrophenaufbau", sondern wurde  nach  dem  damaligen  Standard  von  den  Schweizern ordentlich,  übersichtlich und servicefreundlich  konstruiert.  Der  B225  kann  mit  minimalem  Arbeits-  und  Materialaufwand auf Non Oversampling Betrieb mit linearem Audio-Frequenzgang umgebaut werden.

Der SAA7030 wird ausgebaut und die Digitalsignale werden direkt zu den beiden TDA1540 durchgeleitet;  am  SAA7000  wird  die  Taktfrequenz  von 176,4kHz  auf  44,1kHz  geändert;  die beiden  Doppel-OPs  NE5532  (I/U-Wandler / Tiefpassfilter)  werden  gegen  die  für  diese Anwendung  optimalen  LT1361  von  Linear  Technology  ausgetauscht;  optional  sind  die Gegenkopplungswiderstände  der  I/U-Wandler  an  die  Stromsenken  der  beiden  TDA1540 anzupassen,  damit  beide  Stereokanäle  einen  Pegel  von  exakt  +6dBu  aufweisen;  um  die spezielle  Filterfunktion  f2  zu  realisieren,  sind  pro  Kanal  drei  Kondensatoren  gegen  genau berechnete   und   auf   1%  Toleranz   selektierte   Folienkondensatoren  auszutauschen;   zur Bereinigung des Audio-Signalweges hinter den LT1361 zu den Cinch-Ausgangsbuchsen werden  die  220μF-Elkos  durch  mindestens  22μF  MKT  (Epcos  B3252...)  ersetzt,  einer  der beiden  220Ω-Widerstände  pro  Kanal  wird  kurzgeschlossen und  der  zweite  wird  durch  47Ω ersetzt, alle 1nF-Kondensatoren gegen Masse werden entfernt. Fertig.

Alle "modernen" CD-Spieler mit Oversampling oder die noch "moderneren" Geräte mit Delta-Sigma-Wandlern, zusätzlichem Upsampling und vorgeblicher "24Bit"-Auflösung haben im Hörtest gegen den modifizierten Revox keine Chance!

Dass  die  untersten  zwei  Bits  fehlen,  wird  überhaupt  erst im  direkten  Vergleich  mit  dem Audio-Optimum NOS-DAC  und  an  den Sonus Fidelis  Vollaktivsystemen  hörbar.  Hinweis: Wenn  eine  SACD  besser  klingt  als  eine  CD  mit  der  "gleichen"  Aufnahme,  ist  das  nicht  die gleiche    Aufnahme,    sondern    die    SACD    wurde    mit    weniger Dynamikkompression aufgenommen. Das wäre technisch auch auf der CD möglich gewesen; wird aber allein aus marketingtechnischen  Gründen  nicht  gemacht,  weil  die  allermeisten  CDs  auf  Billiganlagen oder Ghettoblastern abgespielt werden, auf denen sich unkomprimierte Aufnahmen "zu leise" anhören.

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Frequenzjitter  

Bei  einer  Taktfrequenz  von  44,1kHz  beträgt  die  Pulsbreite  22,6757μs  und  16  Bit  Auflösung bedeuten  216  =  65.536  verschiedene  Spannungswerte.  Damit  das  letzte Bit  gerade  noch reproduziert werden kann, darf die maximale Abweichung von der Pulsbreite (Frequenzjitter) nicht   größer   sein   als   22,7μs/217   =   173ps.   Mit   einem   guten   Quartzgenerator,   einem durchdachten    Platinenlayout    mit    kurzen    Signalwegen    und    optimaler    Masse-   und Signalführung sowie sauberen, stabilen und  voneinander entkoppelten Betriebsspannungen für   alle   aktiven   Schaltungsteile   ist   das   technisch   machbar.   Um   aber   bei   4-fachem Oversampling die gleiche Genauigkeit zu erreichen, darf der Frequenzjitter nicht größer sein als 43,3ps und bei 8-fachem Oversampling nicht größer als 21,6ps! CD-Spieler  mit  Oversampling  erreichen  nicht  die  16Bit-Genauigkeit,  sondern  maximal  eine 12Bit-  bis  14Bit-Genauigkeit,  und  die  Klangverschlechterung  durch  das  Pre-Ringing  des digitalen FIR-Tiefpassfilters höherer Ordnung kommt noch hinzu. 

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Wandlerverfahren  

Klassische  DA-Wandler-ICs  arbeiten  mit  präzisen  R-2R-Leiternetzwerken  und  geschalteten Stromquellen, die ein 16Bit-Datenwort in einem Schritt in einen proportionalen Gesamtstrom umwandeln.  Der  Fertigungsprozess  dieser  ICs  ist  aufwändig  und  teuer,  weil  von  der kleinsten   Stromquelle  für   das   niedrigstwertige   Bit   (LSB)   bis   zur   Stromquelle  für   das höchstwertige Bit (MSB) stets ein exaktes Verhältnis der Ströme von 1:2 eingehalten werden muss und somit für die größte Stromquelle nur eine maximale relative Abweichung von plus minus 0,0015% zulässig ist. Als der Massenmarkt noch nicht gesättigt war, konnte man sich diesen  Aufwand  leisten.  Heute  ist  der  Massenmarkt  mit  Billig-CD- und  Billig-DVD-Spielern gesättigt,  die  Gewinnmargen  sind  klein  und  von  den  relativ  geringen  Stückzahlen  für  den High-End  Markt  können  die  Halbleiterhersteller  nicht existieren.  Also  wurde  eine  billigere Lösung  gefunden,  die sich  zugleich  an  eine  unkritische  Kundschaft  besser  verkaufen  lässt: der  Delta-Sigma-Wandler.  Dieser  muss  keine  65.536  verschiedenen  Ausgangsstromwerte  in einem  Schritt  liefern  können,  sondern  braucht  nur  mit sehr  hoher  Frequenz  zwischen  Null und Eins hin und her zu schalten. Die rekonstruierte analoge Ausgangsspannung ergibt sich als Mittelwert aus sehr vielen Nullen und Einsen durch einfache Tiefpassfilterung. Im Prinzip ist  das  nichts  anderes  als  ein  Pulsbreitenmodulator,  bei  dem  aber  die  Pulsbreite  nicht kontinuierlich  (analog),  sondern  diskret  (digital)  ist.  Und  weil  die  Pulsbreite  diskret  ist, muss ein  Delta-Sigma-Wandler  mit  einer  viel  höheren  Frequenz  getaktet  werden, um  annähernd die Signalverarbeitungsqualität eines kontinuierlichen Pulsbreitenmodulators zu erreichen.

 

Für  die  grundsätzliche  Beurteilung  der  SD(AD)-DS(DA)-Wandlung  betrachten  wir  zunächst einen    kontinuierlichen    Closed-Loop-Pulsbreitenmodulator    mit    idealisierter, "unendlich schneller" Ausgangsschaltstufe, der mit nur 44,1kHz schwingt. Werden  digitale  Tiefpassfilter  höherer  Ordnung  zugeschaltet,  die  das  Noise  Shaping weiter  verbessern,  den  gemessenen  statischen  Klirrfaktor nicht  erhöhen  und  "nur"  die Klangqualität  weiter  verschlechtern,  lassen  sich  zumindest  bis  1kHz  "mehr  als  brauchbare" Messwerte aus dem Hut zaubern und es kann mit flotten Werbesprüchen behauptet werden, es  handele  sich  um  eine  "20Bit-Auflösung"  oder  gar  um  eine  "24Bit-Auflösung",  weil  mit entsprechenden  Encodern ein Delta-Sigma-Wandler  unterschiedliche  digitale  Wortlängen verarbeiten kann. Tatsächlich vollführen die unteren 8 Bits aber nur irgendein Gezappel, das bei  komplexeren  Eingangssignalen  auch  auf  die höheren Bits  übergreift. 

 

Ein  Sigma-Delta-Modulator hat im Unterschied zum kontinuierlichen Pulsbreitenmodulator keine DC-Stabilität, d.  h.  eine  Eingangsgleichspannung  ergibt  keine  stabile  Ausgangsgleichspannung,  sondern die  Ausgangsgröße  vollführt  um  den  Sollwert  herum  eine  Zappelbewegung  mit  einem komplexen   Bewegungsmuster.   Bei   jeder   DC-Eingangsspannung   entsteht   ein   anderes komplexes  Bewegungsmuster. Wird  nun  ein  breitbandiges NF-Signal  (Musiksignal)  auf  den Eingang   gegeben,   potenziert   sich   das   Gezappel   und   die prinzipbedingt   schlechtere Signalverarbeitungsqualität bei höherfrequenten Eingangssignalen überträgt sich beim Delta-Sigma Wandler,  der  ja  nur  durch  Noise  Shaping  einen  akzeptablen  Signal/Rauschabstand im NF-Bereich erhält, auch auf die niederfrequenten Eingangssignale.   

Fazit: Ein 16Bit-NOS-Wandler mit präzisem R-2R-Leiternetzwerk liefert in jedem Zeitintervall von  22,7μs  einen  Ausgangsstrom,  der  jeweils  65.536  diskrete  Werte  annehmen  kann, während ein Delta-Sigma-Wandler (1Bit-Wandler) nur 2 diskrete Ausgangswerte liefert. Auch bei gerade noch technisch machbarer Zerstückelung des Zeitintervalls, kann ein 1Bit-Wandler nicht die Klangqualität eines echten 16Bit-Wandlers erreichen. Nur wenn der 16Bit-Wandler unsinnigerweise  mit  Oversampling  und  Digitalfilter  betrieben  wird,  kann  ein  Delta-Sigma-Wandler  vergleichsweise  etwas  weniger  unangenehm  klingen.  Neuerliche  Versuche,  Delta-Sigma-Wandler mit nicht nur 2, sondern mit 16 bis 256 diskreten Ausgangswerten zu bauen, führen auch nicht zum Ziel. Das nachzuweisen, würde an dieser Stelle zu weit gehen. 

Schon der modifizierte Revox B225 im 14Bit-NOS-Betrieb übertrifft die DS-Wandler mit vorgeblicher "24Bit-Auflösung" im Hörtest deutlich.

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TDA1540 / TDA1541 / TDA1543  

In  fast  allen  kommerziellen  CD-Spielern  (bis  auf  die  Sony-Geräte)  der  1980er  und  1990er Jahre  waren  diese  drei  DA-Wandler-ICs  verbaut  und  wurden  nie  richtig  eingesetzt  (bzw. immer mit Oversampling betrieben), bis die Produktion eingestellt wurde. In der Zwischenzeit überschwemmten  die  billigen  Delta-Sigma-Wandler  den  Massenmarkt  und  die  Entwicklung lief  immer  weiter  in  die  falsche  Richtung.  Echte  Multibit-DA-Wandler  mit  präzisem  R-2R-Leiternetzwerk  gibt  es  –  bis  auf  ein  paar  Ausnahmen  – heute  nicht  mehr  für  den  Audio-Bereich,  sondern  nur  noch für  die  professionelle  Messtechnik.  Nach  dem  derzeitigen  Stand der Technik wird eine echte 18Bit-Genauigkeit erreicht.

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Alles,   was   angeblich   darüber   hinausgeht,   wird   nur   von unseriösen   Werbesprüchen behauptet,  die  sich  solange  verbreiten,  wie  sie  geglaubt  werden  oder  geglaubt  werden wollen. Bis heute gibt es keine Musikaufnahme mit einer echten 18Bit-Auflösung, auch nicht in den Aufnahmestudios! Bis es soweit ist, kann das Motto nur lauten: Back to the roots! Der  Audio-Optimum NOS-DAC  ist  mit  dem  Philips  TDA1543  aufgebaut,  von  dem  es  nocheinige  Lagerbestände  gibt.  Das  ist  die  beste  Lösung,  die  mit  vertretbarem  Aufwand  zu realisieren  war,  um  die Sonus Fidelis  Vollaktivsysteme,  die  ein  ganz  neues  Klangniveau erreichen,  überhaupt mit  einer  adäquaten  Signalquelle  ansteuern  zu  können.  Der TDA1543 wurde ab 1991 als "economy version" des TDA1541 (16Bit Stereo) produziert, der 1985 den TDA1540 (14Bit Mono) ablöste und der für viele Hifi-Enthusiasten als der beste DA-Wandler gilt,  der  je  gebaut  wurde. 

 

Die  "economy  version"  im  DIL8-Gehäuse  sieht  im  Vergleich  zum 28-poligen  "großen  Bruder"  winzig  aus,  klingt  aber  noch  besser  –  wenn  der  IC  richtig eingesetzt  wird!  Zum  einen  arbeitet  der TDA1543  bei Ansteuerung  über ein  I²S-Signal  (das die Daten für den linken und den rechten Stereokanal abwechselnd enthält) von vornherein im  zeitsynchronen  Stereobetrieb,  was  der  TDA1541  nicht kann  (sodass  ohne  Korrektur  ein Phasenversatz von bis zu 80° zwischen den beiden Stereokanälen entstand); zum anderen hat der TDA1543, auch wenn er nur acht Anschlussbeinchen hat, noch eines übrig, um von außen den DC-Offset abgleichen zu können. Damit ergibt sich die Möglichkeit, einen um die Analogmasse  zentrierten,  symmetrischen  16Bit-NOS-DA-Wandler  aufzubauen,  der  bis  zu den Cinch-Ausgangsbuchsen vollständig DC-gekoppelt ist.

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Symmetrische DA-Wandlung  

Der  Ausgang  eines  DA-Wandler-ICs  mit  geschalteten  Stromquellen  ist  eine  Stromsenke  zu dessen  negativer  Betriebsspannung,  die  in  der  Regel  auf  Masse  liegt.  Ein  nachfolgender Operationsverstärker   wandelt   den   Strom   in   eine   proportionale   Spannung   und   macht gleichzeitig  eine  Invertierung,  sodass  die  in  65.536  Stufen  geschaltete  Stromsenke  zu  einer positiven Ausgangsspannung wird, die aber nicht um die Signalmasse zentriert ist, sondern um die Hälfte der maximalen positiven Ausgangsspannung. Es entsteht also ein DC-Offset, der  bei  +6dBu  =  2V_eff  maximalem  Ausgangspegel  +2,83V  beträgt. 

 

Die  einfachste  und häufigste, aber nicht immer die billigste Art, den Offset loszuwerden, ist ein Kondensator im Signalweg, der jedoch vermieden werden sollte. Besser ist eine aktive Offset-Kompensation mit einem als Integrierer mit tiefer unterer Grenzfrequenz geschalteten Operationsverstärker über  der  Gegenkopplung  des  Strom/Spannungs-Wandlers. Dies  wird  in  High-End-Geräten gemacht.  Einen  Offset  von  2,83V  auszuregeln,  ist  aber  nicht  unkritisch.  Die  aufwändigste Methode  ist  die  Verwendung  von  zwei  DA-Wandlern  pro Stereokanal,  die  im  Gegentakt arbeiten,  um  mit  einem  zusätzlichen  Differenzverstärker  zwei  gleiche  Offsetspannungen gegenseitig zu kompensieren. Dieser Aufwand ist aber nicht nötig.

Der  TDA1543  beinhaltet  –  da  muss  ein Entwicklungsingenieur  bei  Philips  eine  Erleuchtung gehabt  haben!  –  zwei  zu  den  beiden  Stromsenken  komplementäre  Gleichstromquellen,  die (leider  nur  gemeinsam,  weil  nur  noch  ein  Anschluss  frei  ist)  von  außen  über  einen Trimmwiderstand einstellbar sind. Im Audio-Optimum NOS-DAC wird der TDA1543 nicht wie in  allen  bisherigen  Applikationen  an  einfachen  +5V  (maximal  zulässig  sind  +8V)  betrieben, sondern  an  symmetrischen  plus  minus  2,8V,  stabilisiert  über  die  besonders  rauscharmen Flussspannungen blauer LEDs. Jetzt kann der DC-Offset mit dem Trimmwiderstand auf Null gestellt   werden   –   bzw.   nicht   ganz   auf   Null,   weil   durch   Fertigungstoleranzen   beide Stereokanäle  nicht  immer  identische  Werte  haben  und  der  Abgleich  nur  für  beide  Kanäle gemeinsam  möglich  ist.  Der  verbliebene  DC-Offset  von  ±10mV  bis  ±50mV  wird  von  zwei aktiven  Offset-Kompensationen  (eine  pro  Stereokanal) mit  rauscharmen  Präzisions-OPs (LTC6240HV) auf weniger als ±0,1mV reduziert und damit praktisch ganz beseitigt. 

Die ganze Anordnung arbeitet so stabil, dass auf Kurzschlussschalter gegen Masse an den NF-Ausgängen  verzichtet  wurde.  Beim  Ein-  und  Ausschalten  erzeugt  der NOS-DAC  ein sattes  "Plopp",  aber  kein  grässliches  Krachen,  das  die  Lautsprechermembranen  aus  den Körben  fliegen  lässt,  wenn  die   Kurzschlussschalter  in  unsymmetrischen  Applikationen fehlen.  Selbstverständlich  schaltet  der  aktive  Musikhörer  immer  alle  Geräte  in  der  jeweils richtigen Reihenfolge ein und aus.

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Der Strom/Spannungswandler  

Der  symmetrische  Betrieb  des  TDA1543  hat  einen  weiteren  Vorteil:  Es  kann  der  beste Strom/Spannungswandler verwendet werden. Bei einer asymmetrischen Schaltung ist allein für den positiven Aussteuerungsbereich ein Spannungshub von 5,66V erforderlich, wenn der Ausgangspegel  +6dBu  betragen  soll.  Dann  kommen  nur  OPs der  ±15V-Kategorie  für  die Strom/Spannungswandler  in  Frage.  Diese  sind  aber  nicht gleichzeitig  schnell  und  präzise und  haben  dabei  auch  noch  eine  hohe  Leerlaufverstärkung  und  geringes  Rauschen.  Alle "hochgelobten" ±15V-Typen taugen nur bedingt und der LT1360/61 ist noch die beste Wahl. Bei einer symmetrischen Schaltung ohne DC-Offset reicht ein Spannungshub von ±2,83V für +6dBu,  sodass  ein  schneller  OP  der  ±5V-Kategorie  die  schwierige  Aufgabe,  aus  einem Treppenstrom eine proportionale Treppenspannung zu erzeugen, souverän erledigen kann. 

Das  Verstärkungs-Bandbreitenprodukt  eines  Operationsverstärkers  kann,  wie  der  Name schon  sagt,  auf  eine  höhere  Leerlaufverstärkung  mit  geringerer  Anstiegsgeschwindigkeit oder  auf  eine  höhere  Anstiegsgeschwindigkeit  mit  geringerer  Leerlaufverstärkung  aufgeteilt werden.  Klassische  Audio-Operationsverstärker, die  mit  ±15V  arbeiten,  haben  eine  hohe Leerlaufverstärkung, damit die Gegenkopplung nichtlineare Verzerrungen auf ein besonders niedriges Maß reduzieren kann. Bis 20kHz Sinus kann ein guter Audio-Operationsverstärker das  problemlos.  Der  Stromausgang  eines  DA-Wandlers  produziert  aber  sehr  viel  steilere Signale beim Umschalten von einer Treppenstufe zur nächsten, sodass bei einem OP mit zu geringer  Anstiegsgeschwindigkeit  die  Gegenkopplungsschleife sozusagen  abreißt  und  die Ausgangsspannung  kurzzeitig  aus  dem  Ruder  läuft  –  und  zwar  umso  mehr,  je  höher  die Leerlaufverstärkung  ist,  die  die  Gegenkopplung  nicht  mehr  kontrollieren  kann! 

 

Will  man beides, d. h. eine hohe Leerlaufverstärkung und eine noch höhere Anstiegsgeschwindigkeit, braucht  der  OP  naturgemäß  einen  immer  höheren  Ruhestrom,  und  da  stößt  man  bei  30V Betriebsspannung  schnell  an  die  Grenze,  was  an  maximaler Wärmeverlustleistung  noch zulässig  ist.  Jetzt  kann  man  den  OP  in  ein  größeres  Gehäuse  setzen  und  für  zusätzliche Kühlung sorgen oder ihn gleich diskret, d. h. mit Einzeltransistoren, aufbauen und insgesamt sehr  viel  großzügiger dimensionieren.  In  High-End-Geräten  wird  das  auch  so  gemacht;  der Aufwand  steht  aber  in keinem  Verhältnis  zum  Nutzen.  Denn  je  "dicker" die  Transistoren für die  Ausgangsstufe  des  OPs  werden,  um  die  Verlustleistung zu verkraften,  desto  mehr verlieren sie an Geschwindigkeit und die Gesamtschaltung wird immer aufwändiger, um das wieder auszugleichen. Das Entscheidende ist: Die Spannungsverstärkung ist jetzt nicht mehr aus einer einzigen Verstärkerstufe herauszuholen (Single Gain Stage Amplifier), sodass die Gegenkopplung  über  mehrere  Verstärkerstufen  arbeiten muss  und  deshalb  bei  steilen Signalanstiegen  am  Verstärkereingang  umso  instabiler  wird.  Anstatt  diesen  Aufwand  zu treiben,  der  am  Ende  die  Gesamtperformance  eines  integrierten  LT1360/61  doch  nicht übertreffen  kann,  ist  es  besser,  auf  die  ±5V-Betriebsspannungsebene  zu  gehen,  in  der kleinere und damit schnellere integrierte Transistoren verwendet werden können.   

Im Audio-Optimum NOS-DAC kommt der schnelle Rail-to-Rail-Operationsverstärker LT1806 (in  der  Doppelversion  LT1807)  als  Strom/Spannungswandler  zum  Einsatz,  der  für  diese Aufgabe   die   ideale   interne   Topologie   aufweist:   Die   Eingangsstufe   besteht   aus   zwei zueinander  komplementären  gefalteten  Kaskoden,  über  die  eine  Gegentakt-Endstufe  mit verbundenen  Kollektoren  angesteuert  wird.  TIM-Verzerrungen  sind  für  diesen  325MHz-OP ein  Fremdwort.  Er  kann  steilste  Signalanstiege  verarbeiten,  ohne  dass  die  Gegenkopplung abreißt. 

 

Zum  Vergleich:  Der  LT1806  hat  eine  Anstiegsgeschwindigkeit  von  "nur"  140V/μs, reagiert aber deutlich schneller auf Impulse als der 50MHz-OP LT1360/61 mit 800V/μs und nur unwesentlich langsamer als der ultraschnelle 400MHz-OP LT1818/19 mit 2.500V/μs! Die Leerlaufverstärkung  des  LT1818/19  erreicht  aber  "nur"  noch  6.000  (und  die  des  LT1360/61 "nur"  noch  9.000),  während  der  LT1806/07  allen  nichtlinearen  Verzerrungen  mit  einer Leerlaufverstärkung  von  300.000  entgegen  wirkt.  Die  Eingangs-Offsetspannung  beträgt  nur typ. 100μV und eine Eingangs-Rauschspannungsdichte von nur 3,5nV/Hz0,5 ist für einen so schnellen  OP  außergewöhnlich.  Der  Klang  lässt  sich  mit  Worten  nicht  mehr  beschreiben. Während  die  verschiedenen  ±15V-Typen  "spitz",  "hell", "zischig",  "ausgewogen",  "bedeckt", "matt",  "dumpf" klingen  bzw.  "sounden"  (wohlgemerkt,  diese  OPs  klingen  in  anderen Anwendungen  hervorragend,  nur  nicht  als  Strom/Spannungswandler  hinter  einem  DAC), verhält sich der LT1806/07 einfach nur neutral und reproduziert mühelos jedes Klangdetail.

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Der zweite OP im LT1807 (ein Doppel-OP pro Stereokanal) treibt über 47Ω den NF-Ausgang und ist mit zwei Folienkondensatoren und zwei Widerständen ein Sallen-Key-Tiefpass 2.Ordnung, der in Verbindung mit einem dritten Folienkondensator in der Gegenkopplung des Strom/Spannungswandlers die spezielle Filterfunktion 3.Ordnung (f2) bildet. Soweit nichts Besonderes. Im Audio-Optimum NOS-DAC werden jedoch die drei Folienkondensatoren und auch der Gegenkopplungswiderstand des Strom/Spannungswandlers von Hand selektiert und individuell an beide Stereokanäle jedes TDA1543 angepasst, um Fertigungstoleranzen der beiden Stromsenken auszugleichen. Der AC-Ausgangspegel beträgt somit immer für beide Stereokanäle +6dBu (±0,09dB) und die Filterfunktion f2 wird exakt eingehalten.