DAC / Dual Mono ES9018 D/A-Wandler

this project / page is under construction

 

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

10.08.2016

Der Gedanke mir einen DAC zu bauen beschäftigt mich schon seit sehr vielen Jahren. In der Zwischenzeit habe ich mindestens 4 Design’s erstellt, alle rund um Burr Brown / Texas Instruments Wandler, die ich letztendlich aber leider nicht realisiert habe. Mitte 2015 startete ich einen erneuten Anlauf.

Im Gegensatz zu den vorhergehenden Schaltungen wollte ich dieses Mal einen Chip von ESS Technology, den ES9018 – SABRE32 Reference Audio DAC – einsetzen. Ich mußte allerdings feststellen das es keine allgemein zugängliche Veröffentlichungen der Datenblätter gibt und das man eine Vertraulichkeitserklärung unterschreiben muß um an diese Dokumente zu kommen.

Letztendlich war mir das ganze Prozedere zu aufwändig und so habe ich mich nach fertigen Leiterplatten für diesen Chip umgeschaut. Fündig geworden bin ich bei Twisted Pear Audio dessen Buffalo-IIISE DAC ich als Dual Mono Version – also insgesamt 2 Boards – in meinem DAC eingesetzt habe.

Der komplette DAC besteht aus 2 Gehäusen die die folgenden Schaltungsteile enthalten :

  • DAC Signal Modul
    • RStAudio S/PDIF Input 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
    • Twisted Pear Audio Buffalo-IIISE DAC
    • RStAudio I/V Converter
    • RStAudio diskrete symmetrische Spannungsregler für die I/V Stufe
    • RStAudio diskrete Spannungsregler für die DAC Module
    • 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 DAC’s
    • 2× unregulierte Spannungsversorgungen für die digitalen Front-Ends
    • Remote On/Off

In der folgenden Tabelle sind die Datenformate und Abtastfrequenzen gelistet die der DAC übertragen kann.

 Sample RatesFormat (Output / Input)
S/PDIF Inputup to 192kHzI2S 24Bit
Amanero USBup to 384kHzI2S 32Bit
up to DSD512
Buffalo-IIISEup to 384kHzI2S 32Bit, S/PDIF, DSD

Beschreibung der Hardware

13.10.2016

Im Folgenden beschreibe ich die Hardware im einzelnen. Für einige der zugekauften Schaltungsteile habe ich keine Schaltpläne, bei den anderen möchte ich teilweise auf eine Veröffentlichung verzichten. Trotz allem hoffe ich das besonders für DIYer die sich mit den Twisted Pear Audio DAC’s beschäftigen einige Informationen von Interesse sind.

S/PDIF Receiver

Herzstück des S/PDIF Receivers ist der CS8416 Digital Audio Receiver von Cirrus Logic. Der Chip wird im Hardware Modus betrieben und somit können maximal 4 Eingänge verwendet werden. Die Eingänge sind potentialfrei mittels Übertrager gekoppelt. Ein Eingang ist für das professionelle AES/EBU und die anderen 3 für das Consumer S/PDIF Format verschaltet. Der dritte S/PDIF Eingang läßt sich per Jumper wahlweise auch mit einem TOSLINK Empfänger betreiben.

Amanero USB Interface

Auf der Suche nach einem USB Interface für den DAC bin ich sehr schnell auf die Boards von Amanero Technologies gestoßen. In der Zwischenzeit sind diese Boards auch direkt bei Twisted Pear Audio bestellbar. Wichtig war mir vor allen Dingen das das Interface asynchron läuft und alle aktuellen HiRes Formate übertragen kann. Mit 384kHz I2S und DSD512 ist man mit diesem Board zur Zeit sehr gut ausgestattet. Das Board habe ich direkt beim Hersteller gekauft und so mußte ich eine andere Firmware für den Betrieb mit dem Cronus Modul aufspielen (siehe unten). Der Betrieb dieses Moduls zum einen mit meinem Windows 7 PC als Zuspieler und zum anderen mit den Twisted Pear Audio Modulen als Empfänger funktioniert völlig problemlos.

Amanero Technologies USB Interface

Amanero Technologies USB Interface (Bildquelle)

Das Board wird im Zusammenspiel mit den Cronus / Hermes Boards im Slave Modus betrieben und so muß – wie oben schon angedeutet – eine andere Firmware aufgespielt werden. Das Board hat 2 Chip’s die programmiert werden müssen. Der CPLD bekommt die Firmware Slave_For_1080 und die CPU die Firmware firmware_1096c3w2. Auf der Homepage des Herstellers kann man sich alles inkl. der Treiber für Windows herunterladen. Hier findet sich auch eine Anleitung wie man für die Programmierung vorgehen muß. An diese Anleitung sollte man sich genauestens halten, dann funktioniert es auch mit der Firmware.

Konfigurations-Bits

Setzen der Konfigurationsbits für das Amanero Board

Alles ist auch sehr schön in diesem Thread auf diyaudio.com nachzulesen. Dort findet sich auch der obige Screen Shot. Die Konfigurationsbits des Boards sollten nach der Änderung der Firmware entsprechend dem obigen Angaben gesetzt werden.

Wenn man das Board direkt bei Twisted Pear Audio bestellt ist es für den Betrieb mit Cronus und Hermes vorbereitet. Man braucht also die Firmware nicht umzuprogrammieren.

Hermes-Amanero

Mit diesem Modul kann man das Amanero Technologies USB Modul zusammen mit dem Twisted Pear Audio Cronus Modul nutzen. Das USB Modul wird dabei vollständig isoliert und im Slave Mode betrieben – es erzeugt seinen Takt also 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 habe ich nichts weiter hinzuzufügen.

Twisted Pear Audio Hermes-Amanero Board

Twisted Pear Audio Hermes-Amanero Board (Bildquelle)

Cronus und Rhea

Beim Cronus Modul handelt es sich um eine Elektronik die Taktsignale mit sehr niedrigem Jitter liefert. Sie wird dazu genutzt den Master-Clock eines Zuspielers – hier handelt es sich um den USB Anschluß – zu ersetzen. Dazu werden 2 extrem rauscharme Quarzoszillatoren verwendet – die Rhea Module. Ich habe mich für die Module mit den höheren Frequenzen entschieden (45,1584MHz und 49,152MHz). Sie bilden die Basis für die 44,1kHz und die 48kHz Taktfamilie in der digitalen Signalverarbeitung.

Twisted Pear Audio Cronus Board

Twisted Pear Audio Cronus Board (Bildquelle)

Wichtig bei der Verwendung der oben beschriebenen Rhea Clocks ist das man den Taktteiler in Richtung Amanero auf 1:2 setzt. Hierfür muß man einen Jumper auf dem Cronus Board umsetzen.

Das Hermes Board ist so konstruiert das man alle 3 Boards per Steckerleisten übereinander stapeln kann. Somit erhält man kürzeste Verbindungen, eine sehr hohe Betriebssicherheit und einen geringen Platzbedarf (siehe Bild unten).

Amanero Technologies und Twisted Pear Audio Stacked Boards

Amanero Technologies und Twisted Pear Audio Stacked Boards (Bildquelle)

Buffalo-IIISE DAC

Wie ich oben schon geschrieben habe basieren die beiden Boards auf dem ESS Technology ES9018 SABRE32 Reference Audio DAC. Es handelt sich um einen Chip mit insgesamt 8 D/A-Wandlern von denen jeweils 4 auf dem Buffalo-IIISE Board zusammengeschaltet sind. Somit erhält man einen Stereo DAC mit verbessertem Rauschverhalten. Bei der Dual Mono Version die ich einsetze nimmt man 2 Boards und schaltet die beiden Kanäle auf einem Board zusammen – somit hat man also 8 D/A-Wandler parallel geschaltet mit einer nochmaligen Verbesserung des Rauschabstandes.

Bei der Verdrahtung der I/V Stufe muß man aufpassen. Die beiden analogen Ausgänge des Buffalo-IIISE sind in der Mono-Konfiguration nicht gleich belegt. Alles ist aber prima in der Anleitung

leonvb-buffalo_iii_dac_integration_guide_v2.1.3.pdf

zu den Boards (auf Seite 44) beschrieben. Man kann sie sich auf der Seite des Herstellers herunterladen.

I/V Converter

Die DAC’s liefern symmetrische Ausgangsströme. Eine I/V Stufe muß so konstruiert sein das sie diese Signale optimal in Spannungen umsetzt und auf die Besonderheiten symmetrischer Signale angepaßt ist. In der hier beschriebenen Implementierung verwende ich integrierte Schaltungen. Besonders geeignet ist der symmetrische OPA1632 von Texas Instruments, zumal die audiophilen Eigenschaften dieses Chip’s außergewöhnlich sind.

Die gesamte Schaltung eines Kanals besteht aus zwei hintereinander geschalteter OPA1632. Der erste ist als Strom-Spannungswandler verschaltet. Dieser Stufe schließt sich eine passive symmetrische Tiefpaßfilterung an. Da alle digitalen Signale in den DAC’s durch eine Oversampling Stufe laufen und das Ausgangssignal entsprechend hochfrequent ist, kann der Filter sehr einfach gestaltet werden – hier ist es ein Filter erster Ordnung. Der zweite OPA1632 dient als Spannunsgverstärker und Ausgangstreiber.

Diese Stufe ist eine erste Implementierung um schnell eine gut klingende Lösung zu erhalten. Sie hält sich an das Design der Twisted Pear Audio IVY III Balanced Linestage. Als endgültige Lösung strebe ich eine diskrete I/V Stufe an. Die hier beschriebene Stufe dient mir dabei als Referenz.

In der oben aufgeführten Anleitung wird eine Dimensionierungsvorschrift für die I/V Stufe vorgegeben. Für 8 parallel geschaltete DAC’s – 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 deutlich zu groß und muß durch die zweite Stufe wieder verringert werden. Das gefiel mir überhaupt nicht und so habe ich die beiden Widerstände in der ersten Stufe auf 150Ω verringert und die Verstärkung der zweiten Stufe an den Ausgangspegel meines SACD-Players angepasst.

Prototyp des DAC's

Prototyp des DAC’s

Spannungsversorgung

Die gesamte Stromversorgung ist ab den DAC’s – wie eigentlich immer in meinen Design’s – als Dual Mono Konfiguration ausgelegt. Natürgemäß ist das bei dem digitalen Front End nicht möglich.

Bei den Spannungsreglern für die I/V-Stufen und den DAC Boards setze ich auf die bewährten diskreten Spannungsregler die ich auch in meinem VV5 einsetze – die von mir modifizierten Pass’schen Regler. Die Regelschaltungen für die I/V Stufen sind symmetrisch ausgeführt und die der DAC Boards haben nur jeweils eine Spannung. Die rein digitalen Schaltkreise versorge ich mit Spannungsreglern basierend auf dem LT3080 von Linear Technology, ein wirklich bemerkenswerter und vielseitiger Chip.

Vorgelagert vor den Reglern sind die ungeregelten DC Spannungsversorgungen im Power Supply Modul. Vor den Transformatoren findet sich ein 230V/AC DC-Filter. Zwischen den Sekundärwindungen der Trafo’s 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 Elko’s. Am Ausgang aller ungeregelter Spannungsversorgungen sitzen dann noch Kapazitätsmultiplizierer – wie gesagt, bewährte Technik wie sie auch in meiner Vorstufe zu finden ist.

Die gesamte Spannungsversorgungskette für die I/V Stufen sind so ausgelegt das ich eine Spannung von bis zu ±32V/DC für die analogen Schaltkreise zur Verfügung stellen kann. Um die Verlustleistungen der Regler in einem vernünftigen Bereich zu halten sind die Trafo’s mit Zwischenabgriffen für die Sekundärspannungen versehen.

Prototyp des DAC Netzteils

Prototyp des DAC Netzteils