Inhaltsverzeichnis
Einleitung
10. August 2016
Der Gedanke, mir einen DAC zu bauen, beschäftigt mich schon seit vielen Jahren. In der Zwischenzeit habe ich mindestens vier Designs erstellt, die alle auf Burr-Brown-/Texas-Instruments-Wandlern basieren. Leider habe ich keines davon realisiert. Mitte 2015 startete ich einen erneuten Anlauf.
Anders als bei den vorherigen Schaltungen wollte ich dieses Mal den ES9018 – SABRE32 Reference Audio DAC – von ESS Technology einsetzen. Allerdings musste ich feststellen, dass es keine allgemein zugänglichen Datenblätter gibt und dass man eine Vertraulichkeitserklärung unterschreiben muss, um an diese Dokumente zu gelangen.
Letztendlich war mir das gesamte Prozedere zu aufwändig, weshalb ich mich nach fertigen Leiterplatten für diesen Chip umgeschaut habe. Fündig geworden bin ich bei Twisted Pear Audio, dessen Buffalo-IIISE DAC ich als Dual-Mono Version – also insgesamt zwei Boards – in meinem DAC eingesetzt habe.
Der komplette DAC besteht aus zwei Modulen, die die folgenden Schaltungsteile enthalten:
- DAC Signal Modul
- Amanero Technologies USB OEM Combo384 Modul
- Twisted Pear Audio Hermes-Amanero USB Isolator Modul
- Twisted Pear Audio Cronus Re-Clocking Modul mit 45,1584MHz / 49,152MHz Rhea Paar
- 2× Twisted Pear Audio Buffalo-IIISE DAC
- 2× RStAudio I/V Converter
- 2× RStAudio diskrete symmetrische Spannungsregler für die I/V Stufe
- 2× RStAudio diskrete Spannungsregler für die DAC Module
- 2× RStAudio integrierte Spannungsregler für die digitalen Front-Ends
- DAC Power Supply Modul
- 230V/AC Versorgung
- 2× unregulierte symmetrische Spannungsversorgung für die analogen Schaltungsteile
- 2× unregulierte Spannungsversorgungen für die DACs
- 2× unregulierte Spannungsversorgungen für die digitalen Front-Ends
- Remote On/Off
Beschreibung der Hardware
13. Oktober 2016
Im Folgenden beschreibe ich die Hardware im Einzelnen. Für einige der zugekauften Schaltungsteile habe ich keine Schaltpläne und bei den anderen möchte ich teilweise auf eine Veröffentlichung verzichten. Trotzdem hoffe ich, dass besonders für DIY-Bastler, die sich mit den Twisted Pear Audio DACs beschäftigen, einige Informationen von Interesse sind.
Amanero USB Interface
Bei der Suche nach einem USB-Interface für den DAC bin ich sehr schnell auf die Boards von Amanero Technologies gestoßen. Inzwischen sind diese Boards auch direkt bei Twisted Pear Audio bestellbar. Mir war vor allem wichtig, dass das Interface asynchron läuft und alle aktuellen HiRes-Formate übertragen kann. Mit 384kHz I2S und DSD512 ist man mit diesem Board derzeit sehr gut ausgestattet. Ich habe das Board direkt beim Hersteller gekauft und musste eine andere Firmware für den Betrieb mit dem Cronus-Modul aufspielen (siehe unten). Der Betrieb dieses Moduls mit meinem Windows 7 PC als Zuspieler und den Twisted Pear Audio Modulen als Empfänger funktioniert völlig problemlos.
Das Board wird im Zusammenspiel mit den Cronus-/Hermes-Boards im Slave-Modus betrieben. Wie oben angedeutet, muss deshalb eine andere Firmware aufgespielt werden. Das Board hat zwei Chips, die programmiert werden müssen. Der CPLD erhält die Firmware „Slave_For_1080” und die CPU die Firmware „firmware_1096c3w2”. Auf der Homepage des Herstellers können Sie sich alles inklusive der Treiber für Windows herunterladen. Dort findet sich auch eine Anleitung, die beschreibt, wie die Programmierung durchzuführen ist. Wenn man sich genauestens an diese Anleitung hält, funktioniert es auch mit der Firmware.
Alles ist auch sehr schön in diesem Thread auf diyaudio.com nachzulesen. Dort findet sich auch der obige Screenshot. Nach der Änderung der Firmware sollten die Konfigurationsbits des Boards entsprechend den obigen Angaben gesetzt werden.
Wenn man das Board direkt bei Twisted Pear Audio bestellt, ist es bereits für den Betrieb mit Cronus und Hermes vorbereitet. Eine Umprogrammierung der Firmware ist also nicht nötig.
Hermes-Amanero
Mithilfe dieses Moduls kann das Amanero Technologies USB-Modul zusammen mit dem Twisted Pear Audio Cronus-Modul genutzt werden. Dabei wird das USB-Modul vollständig isoliert und im Slave-Mode betrieben, d. h., es erzeugt seinen Takt nicht selbst, sondern bezieht ihn vom Cronus-Modul. Um es mit den Worten des Entwicklers Russ White zu sagen:
This is not really simply reclocking – it is in fact simply a perfectly time aligned USB source.
Zu dieser Aussage gibt es von meiner Seite nichts hinzuzufügen.
Cronus und Rhea
Das Cronus-Modul ist eine Elektronik, die Taktsignale mit sehr niedrigem Jitter liefert. Sie wird dazu genutzt, die Master-Clock eines Zuspielers, in diesem Fall den USB-Anschluss, zu ersetzen. Dazu werden zwei extrem rauscharme Quarzoszillatoren, die sogenannten Rhea-Module, verwendet. Ich habe mich für die Module mit den höheren Frequenzen (45,1584MHz und 49,152MHz) entschieden. Sie bilden die Basis für die 44,1kHz- und die 48kHz-Taktfamilie in der digitalen Signalverarbeitung.
Bei der Verwendung der oben beschriebenen Rhea-Clocks ist es wichtig, den Taktteiler in Richtung Amanero auf 1:2 zu setzen. Hierzu muss ein Jumper auf dem Cronus-Board umgesetzt werden.
Das Hermes-Board ist so konstruiert, dass alle drei Boards per Steckerleisten übereinandergestapelt werden können. Dadurch ergeben sich kürzeste Verbindungen, eine sehr hohe Betriebssicherheit und ein geringer Platzbedarf (siehe Bild unten).
Buffalo-IIISE DAC
Wie ich oben bereits geschrieben habe, basieren beide Boards auf dem ESS Technology ES9018 SABRE32 Reference Audio DAC. Es handelt sich um einen Chip mit insgesamt acht D/A-Wandlern, von denen jeweils vier auf dem Buffalo-IIISE-Board zusammengeschaltet sind. Somit erhält man einen Stereo-DAC mit verbessertem Rauschverhalten. Bei der von mir eingesetzten Dual-Mono Version nimmt man zwei Boards und schaltet die beiden Kanäle auf einem Board zusammen, sodass man acht D/A-Wandler parallel schaltet und eine nochmalige Verbesserung des Rauschabstandes erreicht.
Bei der Verdrahtung der I/V-Stufe ist Vorsicht geboten. In der Mono-Konfiguration sind die beiden analogen Ausgänge des Buffalo-IIISE nicht gleich belegt. In der Anleitung ist aber alles prima erklärt.
leonvb-buffalo_iii_dac_integration_guide_v2.1.3.pdf
Man kann sie sich auf der Seite des Herstellers herunterladen.
I/V Converter
Die DACs liefern symmetrische Ausgangsströme. Eine I/V-Stufe muss so konstruiert sein, dass sie diese Signale optimal in Spannungen umsetzt und an die Besonderheiten symmetrischer Signale angepasst ist. In der hier beschriebenen Implementierung kommen integrierte Schaltungen zum Einsatz. Besonders geeignet ist der symmetrische OPA1632 von Texas Instruments, denn die audiophilen Eigenschaften dieses Chips sind außergewöhnlich.
Die gesamte Schaltung eines Kanals besteht aus zwei hintereinander geschalteten OPA1632. Der erste ist als Strom-Spannungswandler verschaltet. An diese Stufe schließt sich eine passive, symmetrische Tiefpassfilterung an. Da alle digitalen Signale in den DACs durch eine Oversampling-Stufe laufen und das Ausgangssignal entsprechend hochfrequent ist, kann der Filter sehr einfach gestaltet werden – in diesem Fall ist es ein Filter erster Ordnung. Der zweite OPA1632 dient als Spannungsverstärker und Ausgangstreiber.
In der oben aufgeführten Anleitung wird eine Dimensionierungsvorschrift für die I/V-Stufe angegeben. Für acht parallel geschaltete DACs, wie es bei der Mono-Konfiguration der Fall ist, wird ein Widerstandswert von 360Ω für den Strom-Spannungswandler empfohlen. Mit dieser Dimensionierung ist der Pegel hinter dem ersten OPA1632 jedoch deutlich zu groß und muss durch die zweite Stufe wieder verringert werden. Das gefiel mir nicht, weshalb ich die beiden Widerstände in der ersten Stufe auf 150Ω verringert und die Verstärkung der zweiten Stufe an den Ausgangspegel meines SACD-Players angepasst habe.
Spannungsversorgung
Wie eigentlich immer in meinen Designs ist die gesamte Stromversorgung ab den DACs als Dual-Mono Konfiguration ausgelegt. Das ist bei dem digitalen Frontend naturgemäß nicht möglich.
Bei den Spannungsreglern für die I/V-Stufen und die DAC-Boards setze ich auf die bewährten diskreten Spannungsregler, die ich auch in meinem VV5 verwende: die von mir modifizierten Pass’schen Regler. Die Regelschaltungen für die I/V-Stufen sind symmetrisch ausgeführt, während die Regelschaltungen der DAC-Boards jeweils nur eine Spannung haben. Die rein digitalen Schaltkreise versorge ich mit Spannungsreglern, die auf dem LT3080 von Linear Technology basieren. Das ist ein wirklich bemerkenswerter und vielseitiger Chip.
Vorgelagert zu den Reglern befinden sich die ungeregelten DC-Spannungsversorgungen im Power Supply Modul. Vor den Transformatoren ist ein 230V/AC DC-Filter angeordnet. Zwischen den Sekundärwindungen der Trafos und den Gleichrichtern sind Snubber-Netzwerke angeordnet. Die Gleichrichter sind diskret mit Ultra-Fast Soft-Recovery Dioden aufgebaut, gefolgt von einem CLC-Filter mit relativ großen Elkos. Am Ausgang aller ungeregelten Spannungsversorgungen befinden sich schließlich Kapazitätsmultiplizierer – wie gesagt: bewährte Technik, wie sie auch in meiner Vorstufe zu finden ist.
Die gesamte Spannungsversorgungskette für die I/V-Stufen ist so ausgelegt, dass eine Spannung von bis zu ±32V/DC für die analogen Schaltkreise zur Verfügung gestellt werden kann. Um die Verlustleistung der Regler in einem vernünftigen Bereich zu halten, sind die Trafos mit Zwischenabgriffen für die Sekundärspannungen versehen.
Umbau 2023
27. Dezember 2023
Leider ist es seit 2016 bei diesem Brettaufbau geblieben. Zudem benötige ich den DAC seit dem Einsatz des Lynx-Wandlers nicht mehr an meiner Anlage. Allerdings fand ich es immer schade, den klanglich hervorragenden Buffallo-IIISE unvollendet herumliegen zu lassen.
An meinem DHA Kopfhörerverstärker setze ich seit einiger Zeit einen Curryman DAC mit einem Raspberry Pi 4 ein. Auch diese Schaltung ist nur auf einem Brett aufgebaut. Es lag nahe, an dieser Stelle endlich einmal aufzuräumen und den Twisted Pear DAC in ein ordentliches Gehäuse zu setzen. Er sollte den Curryman DAC am DHA ersetzen. Das ist sicherlich auch klanglich ein Schritt in die richtige Richtung.
Seit dem Aufbau der Brettschaltung des ES9018-DACs hat sich bei mir in Sachen Design aber viel getan. Die eingesetzten diskreten Pass’schen Spannungsregler verwende ich heute nicht mehr, sondern modifizierte Jung Regler. Ich habe also ein neues Design rund um die Leiterplatten von Twisted Pear und Amanero entwickelt.
Mein Ziel war es, bei dem Aufbau mit nur einem Gehäuse auszukommen. Bei dem Aufwand, den ich in die Netzteile investiere, war das eine ziemliche Herausforderung. Zudem hatte ich mir vorgenommen, die gesamte Elektronik auf nur einer Leiterplatte unterzubringen. Dabei musste auch noch Platz im Gehäuse für die drei Ringkerntransformatoren bleiben.
Zur Spannungsversorgung der symmetrischen I/V-Stufen setze ich pro Kanal nun ein Netzteil mit Kapazitätsmultiplizierer und anschließendem modifizierten Jung Regler ein. Die Versorgung der Buffalo-IIISE Boards besteht jeweils aus einem Kapazitätsmultiplizierer, gefolgt von einem TPS7A4700 Spannungsregler. Ein integrierter Regler mit außergewöhnlichen technischen Daten. Auch das digitale Frontend wird mit einem Netzteil versorgt, das zunächst einen Kapazitätsmultiplizierer verwendet, gefolgt von einem LT3080 Regler. Einen solchen Aufbau hatte ich an dieser Stelle schon im Brettaufbau oben verwendet.
In allen Netzteilen kommen selbstverständlich diskrete Brückengleichrichter mit Ultra-Fast Soft-Recovery Dioden zum Einsatz. Wie bei mir üblich gibt es zudem Snubber-Netzwerke. Auf alle Gleichrichter folgt außerdem eine CLC-Filterung mit einer stromkompensierten Doppeldrossel.
Hinzu kommen noch einige weitere Schaltungsteile, die alle auf das Board mussten:
- Remote in
- Remote out
- 230V/AC DC-Filter
Das zentrale Bauelement der I/V-Stufen ist nach wie vor der exzellente, symmetrische OPA1632. Ich setze pro Kanal zwei Stück davon ein. Die erste Stufe ist ein klassischer Transimpedanzverstärker, der die symmetrischen Ausgangsströme der DACs in eine entsprechende Spannung umsetzt. Es folgt ein aktives Bessel-Filter 2. Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 75kHz. Aufgrund der invertierenden Topologie des OPA1632 wurde das Filter mit einer Multiple-Feedback-Struktur realisiert. Der Ausgang wird mithilfe eines Servo-Reglers offsetfrei gehalten. Ich selektierte alle Verstärkungs- und Frequenz bestimmenden passiven Bauteile in den Stufen mit einem hochwertigen LCR-Meter.
Zwischen den beiden Wandlern und dem digitalen Interface setzte ich jeweils noch einen Baustein zur Potenzialtrennung ein. Die beiden 2×3 digitalen Zuleitungen für die beiden DACs haben exakt die gleiche Länge. Damit vermeide ich Laufzeitunterschiede.
Das obige Foto zeigt die Innenansicht des DACs. Links befindet sich die Leiterplatte mit allen elektronischen Komponenten. Auf der rechten Seite sind die drei Ringkerntransformatoren zu erkennen.
Auf der linken Seite der Rückwand befindet sich der 230-V-Netzanschluss mit Buchse, Filter, Sicherungen und Schalter. Rechts daneben sind der Ein- und Ausgang für die Remote-Spannungen zu sehen. Mittig ist der USB-Eingang des DACs platziert. Auf der rechten Seite sieht man die beiden analogen Audioausgänge. Diese sind bei mir natürlich symmetrisch ausgeführt. Auf Cinch-Ausgänge habe ich verzichtet, da sie bei mir sowieso nie genutzt würden.