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 Designs 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, dass es keine allgemein zugänglichen 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 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
In der folgenden Tabelle sind die Datenformate und Abtastfrequenzen gelistet, die der DAC übertragen kann.
| Sample Rates | Format (Output / Input) | |
|---|---|---|
| S/PDIF Input | up to 192kHz | I2S 24Bit |
| Amanero USB | up to 384kHz | I2S 32Bit up to DSD512 |
| Buffalo-IIISE | up to 384kHz | I2S 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.
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 zurzeit 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.
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 Chips, 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.
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 den 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.
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.
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).
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 DACs 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 Chips 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 Spannungsverstärker 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.
Spannungsversorgung
Die gesamte Stromversorgung ist ab den DACs – wie eigentlich immer in meinen Designs – als Dual Mono Konfiguration ausgelegt. Naturgemäß 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 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 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 Trafos mit Zwischenabgriffen für die Sekundärspannungen versehen.
Umbau 2023
27.12.2023
Leider ist es seit 2016 bei dem 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 schon längere 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 mal aufzuräumen und den Twisted Pear DAC in ein ordentliches Gehäuse zu setzen. Er sollte den Curryman DAC am DHA ersetzen. Sicherlich auch klanglich ein Schritt in die richtige Richtung.
Seit dem Aufbau der Brettschaltung des ES9018 DACs hat sich bei mir aber viel getan in Sachen Design. Die eingesetzten diskreten Pass’schen Spannungsregler präferiere ich heute nicht mehr und nehme an der Stelle nun modifizierte Jung Regler. Ich entwickelte also ein neues Design rund um die Leiterplatten von Twisted Pear und Amanero.
Ziel war es bei dem Aufbau aber auch mit nur einem Gehäuse auszukommen. Bei dem Aufwand, den ich immer in den Netzteilen betreibe, eine ziemliche Herausforderung. Zudem hatte ich mir vorgenommen, die gesamte Elektronik auf nur eine Leiterplatte zu setzen. Dabei musste auch noch Platz im Gehäuse für die 3 Ringkerntransformatoren bleiben.
Zur Spannungsversorgung der symmetrischen I/V Stufen setze ich nun pro Kanal ein Netzteil mit Kapazitätsmultiplizierer und sich 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 Front End wird mit einem Netzteil versorgt, das erst einmal einen Kapazitätsmultiplizierer verwendet, an dieser Stelle gefolgt von einem LT3080 Regler. Einen solchen Aufbau hatte ich an dieser Stelle schon in dem Brettaufbau oben eingesetzt.
In allen Netzteilen kommen natürlich diskrete Brückengleichrichter mit Ultra-Fast Soft-Recovery Dioden zum Einsatz. Zudem gibt es wie bei mir üblich auch Snubber Netzwerke. Allen Gleichrichtern folgt zudem eine CLC- Filterung mit einer stromkompensierten Doppeldrossel.
Hinzu kommen noch einige weiter Schaltungsteile, die alle mit auf das Board mussten:
- Remote in
- Remote out
- 230V/AC DC-Filter
Das zentrale Bauelement der I/V-Stufen ist nach wie vor der hervorragende symmetrische OPA1632. Ich setzte pro Kanal zwei Stück von ihnen 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. Wegen der invertierenden Topologie des OPA1632 ist der Filter mit einer Multiple Feedback Struktur realisiert. Der Ausgang wird mit Hilfe eines Servo-Reglers Offset frei gehalten. Alle Verstärkungs- und Frequenz bestimmenden passiven Bauteile in den Stufen sind von mir mit einem hochwertigen LCR-Meter selektiert worden.
Zwischen den beiden Wandlern und dem digitalen Interface setzte ich noch jeweils einen Baustein zur Potenzialtrennung ein. Die 2×3 digitalen Zuleitungen für die beiden DACs haben exakt die gleiche Länge. Damit vermeide ich Laufzeitunterschiede.
Auf dem Foto oben ist die Innenansicht des DACs zu sehen. Auf der linken Seite befindet sich die Leiterplatte mit allen elektronischen Komponenten. Auf der rechten Seite erkennt man die drei Ringkerntransformatoren.
Auf der linken Seite der Rückwand befindet sich der 230V/AC Netzanschluß mit Buchse, Filter, Sicherungen und Schalter. Rechts daneben sieht man den Ein- und Ausgang für die Remote-Spannungen. Mittig ist der USB Eingang des DACs platziert. Auf der rechten Seite sieht man die beiden analogen Audio Ausgänge. Bei mir natürlich symmetrisch ausgeführt. Auf Cinch Ausgänge habe ich verzichtet, sie würden bei mir sowieso nie genutzt.