网页好读板 http://chihhanlin.weebly.com/2447825286272313552736215.html 先写结论： 1. 想自己做 R2R 的可以参考一下, 撇开韧体不谈其实硬体也有一些 know-how 2. 我发现 soekris OEM 1121 跟 diyjt 初期版 1021 有些电路上的差异 3. 纯的 R-2R 其实不多 （通常 MSB 最大位数会做点处理） 4. 好奇买了一台 denafrips R2R 2014, 拆电路来看发现好像规格有出入 其实听起来也不怎麽样，别浪费钱 5. 欢迎好心人赞助过保 r2r 机让我拆来抄电路 XD ------ 本文开始 --------------- 在跟大家分享我的R2R DAC 实验结果以前, 先来回顾一下市面上有哪些值得参考的离散 R2R 架构. 说到到 R2R, 绝大多数人丢关键字(R2R, DAC, circuit)到 google 会找到类 似下图的玩意 http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/r2rdac_orig.gif 先想像一下 S1 到 S7 全部接地, 只有 S0 接 Vref, 然後从 S7 那端开始 2R跟2R并联变 成 R, 跟 R 串在一起又变成 2R, 继续跟 S6 的 R 并联, 一直做到红点位置, 你会发现 红点的电压就会是 Vref/2 (因为S1前那一坨都会并联等校成 2R, 红点位置被两颗 2R 分 压自然变成 Vref/2 ). 用戴维宁等校电路从 S7 一路拆过去就会发现 S1 到 S7 的权重 刚好会是2的幂次, Vref/2, Vref/4 ... 等等, 阿如果 S0-S7 输入一个 8 bit 二进位数 不就刚好可以把它转换成 0V~ Vref 切成 256 段的电压值, 古早的数位转类比(Digital to Analog Converter, DAC)就是这样子的架构. 至於後面的那颗 OP 要干嘛, 就是个 buffer, 假如 S0-S7 换成定电流源, 那这颗就是 I/V 转换. S0 到 S7 这几个 Switch 采用 digital switch 或 shift registor 来做基本上就是 Soekris DAM1021/1121 的架 构. 不过这个架构很显然有两个缺点: 一个是有效位数,线性度被电阻精度绑住, 另一方面则 是会有 glitch. 可以想像一下整个 ladder 如果用 0.01% 精度的电阻, 那也不过相当於 13 到 14 bit 的程度, 想要更高的 precision 就会有误差(linearity) 问题, 再来 glitch 则是 switch 切换的时候同步误差的结果, 在 MSB (most significant bit) 侧变换的时候比如 01111111 换成 10000000 会形成局部短脉冲, 这个会造成严重的高 频杂讯, 就算 buffer 端加低通滤波也不好搞. 所以 R2R 架构的变体就是 string DAC, 用 ladder 分支数量来降低匹配精度跟 glitch, 具体做法差不多像这样: http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/7103-kevin-1_orig.png 看起来很简单, 不过也有一些问题, 比如说要做 8bit 就需要 2^8= 256 段电阻跟那麽多 switch, 假如用定电流的方式也需要大量的电流镜, 当然现代 IC 制程要做区区 8 bit, 12bit 的 string 并不难, 不过 16 bit 以上该怎麽办? 所以一般来讲都会作成多 段的形式, 要怎麽匹配补偿, 同步开关降低 glitch 就凭各家本事 http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/slide-25_orig.jpg 这个要称做类 R2R 也可以, 用在 audio 上最有名的大概就是 dCS 的 ring DAC, 刚开始 在研究各大厂自制离散DAC的时候还搞不太懂这啥玩意, 想通了以後发现原来就是普通的 string DAC, 对照一下大概可以看到用到 32 颗开关跟电阻, 要做 signed 就要两倍, 两个声道就四倍的数量 http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/20091104135000_orig.jpg 结构上这反倒比R2R 更简单, 几乎不用考虑 audio 应用多 bit 下 ladder 变态长的匹配 问题, 从 dCS 上新板电路来看也只是把开关用途的 multiplexer 换成独立的开关元件, 企图降低 cross talk. 真正难做的反倒是 PCM 超取样转成 5bit 这块的演算法 (从 DSD 解过去还比较好想像, 要处理好想必用了多 stage 的 multi-rate filter, 应该不 是单纯的 dither) . 也许这反而是 DIY 成本比较低的做法 , 比如说使用便宜的工业 8-bit string DAC 来取代离散 R ladder, 不过也许 DSP 运算量大, 要写好不容易所以 目前仿照这种做法的人少, 又或者说开发者几乎都选择直上高 bits 数的 R2R ( 还是会 oversampling 到 2MHz 以上) 既然受限於电阻误差匹配精度的问题, 合乎成本的 R2R 离散电路(0.1%-0.01% 精度)兜出 来的差不多只有 13-14bit 的精度, 那一堆动不动就宣称 24bit+ 的产品又是怎麽回事? 原来其中大多用了混合结构, 在 MSB的部分加了 string dac 的概念去尽量避免 MSB 的 误差掩盖掉 LSB. http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/hybridr2r_orig.png 上图是从很常见的 precision DAC 8831 (在 TI 的分类里取样率 <10MSPS 的就算 precision, >10MSPS 叫做 High speed ) 挑出来的示意图, 原则上 16bit 以上 DAC architecure 标示为 R2R 的十有八九都是走这种架构. 分析这个电路可以把 S0 到 S11 接地, 所以从 E1 处的 2R 往地来看等於多并联一条 2R 的对地电阻, 加上E1 到 E15 总 共有 16 条 2R 电阻. 所以假设 E1到 E5 中有 N 条接到 Vref, 那麽分压的回路就是 Vref -> N个并联的2R -> Vout -> 16-N 个并联的2R -> GND. 所以 Vout 就是 Vref*(2R/(16-N))/[(2R/(16-N)) +(2R/N)] = (N/16)Vref, 在MSB 这边的换算跟 string DAC 一样. 所以在保持原始 12bit R-2R 的精度下透过 MSB 的 2R 串联可以解 决匹配问题把线性度多提高几个 bit, 不过每多 N 个有效 bit 就需要多 2^N-1 个高精 度电阻与开关. 世界树用的那颗 Analog Device 的 AD5791 算是这个架构量产且经得起考验的极致, 在 MSB 并联了 63个电阻把 14bit R-2R 提升 6 个 bit 到真 20 bit 的线性度, 短期内很 难看到超越这个 spec 的商用 R2R (用的量少大概没这市场规模支撑更高规格的产品). http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/ad5791-1_orig.png AD5791 架构 http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/ad5792-1_orig.png 不同的 ladder 参考端没有接在一起, 由外部 OP 拉齐电位 (我还不清楚这麽做的理由, 也许是补偿电流吧) 在 MSB 改用类 string 结构的另一个好处是可以输出阻抗是恒定的, 拓展 3bit 等校并 联 8颗也就是 R/3. 有了这个概念以後回头分析各家 R2R 产品就简单了. 先以知名度高 的 soekris DAM 1021 作为范例来讲解: http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/dam1021ladder_orig.png 老实讲刚看到这块版子的时候一只摸不太清楚怎麽得到 28 bit 解析度的(每个 shift registor 只用 7pin, 7*4 的 28 不是刚好, 仔细看电路就会发现并非如此). 如果把靠 近输出端的头三个 2R 拉出来当成 2-bit string, 後面算算正好 25-bit R2R, 再加上以 signed 的方式并联两组相同的 ladder 会得到额外的 1-bit, 如此计算正好符合 28-bit 规格.早期的板子大概使用 2R-2R 并联得到 R 的部分, rev3 之後的版本已经舍 弃改成两排的设计, 多出来的空间正好摆大家喜欢的稳压用大电容. 精明如 Søren 者会加入MSB-string 结构显然知道 R-2R 被电阻精度箝制的弱项, 那为 何开出 28-bit 这样的规格? 除了迎合消费者的胃口外(听到高 bit 就高潮的一般人不会 去追究真实的等效位数到底是多少 ), 更重要的原因在於数位音量的设计. R-2R 天生的 优势在於透过 binary code 的平移可以简单达成, 虽然超过设计精度的 bits (或者说动 态范围)在无衰减的时候不会表现出来, 不过需要衰减的时候这些 LSB 侧多余的 bit 就 提供了不减损动态范围, 维持低谐波失真的效果. 大家有兴趣可以看一下 Soekris 对於 DAM1021 给出来的 THD 规格, THD @ -1db 跟 THD @ -60db 差距之所以没有想像中大的 原因应该就在於此. 同样利用这个技巧就是 MSB 有名的 Select DAC, 应该很多人看过那 张很夸张的间接量测数据 http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/select-90db_orig.jpg http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/dac-meas_orig.jpg 那个 -60dB Digital Volume 绝对是夸张数据的原因之一(搭上好的 dither 算法). 另外 一个疑点就是 +70B Gain 的 Ultra-Low Noise Preamp, 这个等哪天我借到几台 SRS 的 preamp 再来实验一下有没有办法灌出相同的系统底噪. 这张图基本上是我很想重现的一 个量测, 暂且回归主题略过不谈 有了这样的发现我又回头检视 OEM 板的 Soekris DAM1121, 发现了爬遍讨论串也没人提 的小变化(也许漏看了也说不定) http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/dam1121ladder_orig.png 一直觉得靠近输出端的那颗 shift registor 量了之後果然是 7 段凑成 3-bit string 结构, 另三颗 registor 原先对侧预留没用的第 8pin 拉回来使用正好凑成 8*3=24 bit 的 R2R, 之前的违和感如今获得解释. 至於听感是否有差异我想因人而异, 从官方数据来 看 THD 改变不多, 稍稍提升的 S/N ratio 也许只能稍稍佐证架构微调而不能代表什麽. 另外一个很想拿出来讲的就是前几天刚入手, 匪区 Denafrips 最近很便宜才卖万把块的 R2R 入门机, 秉持着研究精神才买一台拆着玩 (居然号称 20-bit R2R 0.01% 电阻 , 万 一我开发到一半的 R2R 连大陆初阶机都打不过该怎麽办 ) http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/denafripr2rp_orig.png 刚开壳老实讲这个设计蛮对味的, R2R 只保留了 11-bit 代表开发者也很了解R2R天限, 後面豪迈地用了 31段并联来做 string 结构俨然就是现代 Hybrid R2R IC 的放大版, 後 头 buffer IC 把字给磨掉显示是调音密技. 从 layout 跟架构来看实在是劲敌, 不过数 来数去只有 16bit 加对称线路顶多 17 bit 不免心生怀疑, R ladder 奇特的 47K 选值 想必很难找到 23.5K 所以采用并联的方式得到 47K/2, 之所以使用如此大的阻值想必是 为了 MSB 端夸张的 32 并联, 47K/32= 1.5K , 若是考虑对称线路直接并联那麽等效小讯 号输出阻抗 ~700 ohm 倒是合理的数字, 不过用到这麽大的数值想必很难解决glitch跟电 流杂讯的问题, 一量之下果不其然: http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/dena10dglitch_orig.png 衰减到一定振福切换时的 glitch 相当明显, 居然将近 10mV http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/dglitch-af-lyr_orig.png 後面如果有经过带宽 100KHz 以下的扩大机其实 glitch 会被吃掉, 但是实际听感并没有 让我惊艳, 我想 glitch 影响不小 http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/dena10dm10db_orig.png 从 THD 看起来谐波抑制得很不错, 应该是架构效果, 60Hz/120Hz 抑制的也还可以, 至於 10K 以後那令人摸不头绪的高频杂讯我猜多半是 dither 算法异常的问题, 整个 noise floor 在高频处增加显然是 dither 的效果, 但有点像 quantize error 的 peak 不消反 增问题就大了. 没用到适当的 deglitch 手段也是败笔, 起码我土炮二版的 R2R 就已经 不会出现这样夸张 glitch (我试验过同步起码差到几个 ns 才有可能如此夸张, 问题是 否出在选用的 CPLD clock 就只有原作才晓得了), 一听之下倒让我安心许多, 要超越应 该不难 XD. 至於理想的 R2R 应该要有麽怎麽样的量测我想用 Soekris DAM 来说是个不 错的标竿 http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/soekris-dm10db_orig.png 正常来说没有60Hz 的谐波, 这张测的时候地没处理好. 不过高频端的频谱我想是处理的 重点, 这里 oversample 包含数位滤波我认为是绝佳透明感的成因之一. 最後再多看几家 R2R 名厂的电路, 比方说 Rockna http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/rockna26b_orig.png 感觉上像 4bit (16segment) string 混 21-22bit R2R, 对称电路的接法不是很确定, 除 非有实品可以用电表来确认, 更高阶的 RD-0 基本上就是舍弃 shift registor 改用独立 switch 来做开关的版本, 核心大概也用了 FT256 封装的 FPGA 之类来做独立 I/O. 大 陆的 Holo 泉跟 hibiki 我想也是走类似的布局风格, 其中令人比较好奇的大概就是 Holo 声称的硬体直解 DSD 到 R2R 吧. 接着值得一看的便是 MSB 的招牌大金块 http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/msbgold_orig.png 2000年的版本纯 R-2R, 2003的 platium DAC 就改成 MSB(most significant bit) 有 7 segment 3bit 的版本, .有点像星状接地的布局令人备感兴趣. 至於最新的 The Select DAC 大金条改良到何种境界恐怕就不得而知(除非有人肯拆). 同样的 Metrum 的 DAC One&Two 也是很有趣的东西, 我猜应该是很接近大金块架构的玩意. 一路坚持纯 R-2R 结构的搞不好就是 totalDAC, 土豪般执着於高精度电阻的选料恐怕是 主因 http://chihhanlin.weebly.com/uploads/8/4/4/0/8440048/09_orig.jpg --

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