AK4499を使ったDACプロジェクト

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2019年10月3日 歪み特性の検証

2019年9月28日 第一試作構成の情報

2019年9月17日 AK4499キットの初期構成案

2019年9月10日 追記

2019年9月2日 追記

2019年8月23日 サイドバーを修正

それとチップの価格が出ていますね。

トップの画像は設計中のAK4499基板です。最近は少しずつこれも作っています。

最近はなかなか時間が取れない状態なのですが、他のプロジェクトと並行で進めています。たとえば今ほかにマルチビットADC基板も手がけています。こちらは未知のFPGAが絡むのでもう少し時間が掛かりそうです。ADC基板も報告できるようになったら記事としてまとめてみたいと思っています。

話を戻します。まだチップも入手できていないので話が早すぎるのですが、AK4499基板は出来上がって良い仕上がりなら久しぶりにキットとして売ってもいいかなと思っています。他にもDACプロジェクトがあるのですが当分公開できそうにないので気分転換でもあります。キットにする場合はですが、今まではすぐに基板が売り切れになっていましたが今回はしばらく継続で売れるようにしたいところです。

以前のDACキットは部品実装済みだったのは良かったのですが、各自でパネルの組み立てが必要だったため、実際に動作できるようにするまでに手間がかかりました。しかし今回はピンで設定をすれば電源入れてそのまま動く簡単なものにします。以前と同様に基本的な表面実装部品はフル実装済で、電源とI2Sさえ繋げば誰でもすぐ簡単に動かせるようなものにします。

そして音質対策も最新のものとします。測定値もデータシートどおりまで行けるかわかりませんが、きちんと測定値も公開したいと思います。このあたりは既存のキット用基板との差別化要因です。まともな測定値が出せる基板だということをきちんと示したいです。なお、詳細をアップすると無断でパクるキット製作者がいるので、基板画像はシルクなし、パターンは表面のみ、そしてぼかしありです。

基板の全体像は以下のような感じです。並べればマルチチャンネル、モノパラレル、これらに対応できるようにするかもしれません。(念の為これもパクリ防止でぼかしています)

AK4499について

現代的なDACチップについては積分形DACとの出会い以降、いろいろ問題について記載してきました。それは高速デジタル回路が内蔵だったり、パッケージサイズが小さかったり、その割に電流量が多く微小電圧変動の原因になっていることなどです。パッケージサイズは大きくなりましたがそれ以上に消費電力は増えており、結局AK4499もこれらの問題は共通でした。しかし試しもせずに文句を言うのは個人的には無しです。最新、最高スペックのチップが出たのですから実際に試してみて、上記の課題がやはり残っているのか、それとも改善しているのか、それを実際に確かめてみたいと思います。

データシートからわかったこと、AK4499について思うことについて、書いておきたいと思います。

  • 普通の電流出力とは違う設計、抵抗スイッチング方式

この部分は音質に大きな影響があるはずです。根本的な方式が違います。それがわかるのはデータシートの以下の図です。これはアイドル時の動作だそうですが、まず従来の電流出力型と明らかに違うのはIVアンプのフィードバックがDAC側に入っていること、DAC内部の抵抗をスイッチングしていることです。

この抵抗スイッチング方式の利点は何か考えると、おそらく電流エレメントのリニアリティをスイッチング制御であとから補正できることでしょう。従来であれば抵抗をレーザートリミングして精度を揃えるか、ランダムに入れ替えて平均化するなどの方法が取られていたものと思いますが、これはそこから更に上の補正を行うための技術ではないかと思いました。

要するに高精度の電流源を並べるだけではなく、その動作タイミングを調整することでさらなる実精度を実現したのではないか、ということです。この結果、独自の構成となり、音質面でも今までの既存の電流出力型、電圧出力型と何か根本的に違う異質な傾向になっている可能性があります。個人的にはとても楽しみです。

  • 大電流かつ4ch合成が可能なこと

これはES9038と似ています。データシートを見ると1chで72.8 mAピークtoピークとあります。これをIVで受けるには最近の高出力電流のオペアンプが必要です。データシートではOPA1612を推奨しています。廃番となったフラッグシップLME49990は出力電流が低いのでこれでは受けることができません。

そしてそれを4chモノラルで合成することができます。AK4499では出力できる信号電圧が上昇し1chのSN比も大幅に向上していますが、さらに4ch合成することで究極に近いSNを実現できるようになりました。合成の方法はリファレンスでは抵抗での合成ですが、このあたりは工夫の余地があるように思います。もちろん中途半端なアンプで受けたりするとノイズの原因になるので慎重な設計が必要でしょう。従来のDACと同じような発想で部品選定をすると全く性能が出ないということにもなりかねません。

このあたりはES9038でも同様で、DACチップ自身は良い性能であることが記載されていますが、現時点ではその限界値を実現した製品はほとんどありません。少なくとも大半のES9038搭載機の性能は真の実力を引き出すところまではできていません。

AK4499でも同様にこれを使ったから即高性能とはならないことは注意が必要です。個人的にはデータシートどおりまで行けるか不明ですが限界性能まで行けるかぜひチャレンジをしてみたいと思っています。

 

今回はこれで終わりですが、また追記をします。ひとまずICが発売されないとどうしようもありませんからね!

2019年9月2日

音出しまで行けましたので、とりあえず現状報告です。これから音質対策、良い音にするための試行錯誤が必要そうです。

2019年9月10日 音がだいぶ良くなりました

現時点でPCM-501ES積分形DACと同等より優位性がある音質になりました。最初の音出し状態のときはAK4499<AK4497<<積分形DACくらいの格差があったのですが今は積分形とほぼ同等かちょっと良いくらいになりました。とりあえずやった対策は以下のとおりです。

  • オペアンプの見直し
  • クロックの見直し
  • 前段デジタルフィルターの追加

どれも大きな効果があったのですが、大まかに一つずつ説明します。

まずオペアンプについて。最初はADA4898をつけていたのですがギリギリ定格オーバーだったようです。データシートスペックによると40mAは許容していますが実用はもう少し低い模様です。こちらの基板ではOPA1612は発振してしまうのでとりあえず間に合わせにOPA1602をつけました。これで特性は改善しています。とはいえオペアンプで良くなったわけではなくて特性面で良くなっただけです。音はADA4898は厚みがある(歪のせいかも)高域が綺麗。OPA1602はスッキリしていてややアタックのエッジが気になる感じです。正直好みの範疇で優劣はないと思います。他に3種類のオペアンプを取り寄せましたので最終的には別のものになる可能性があります。

次にクロック。これはとても大事ですね。今回は以前から使っている0.28ppmのTCXO以外に、最新のMEMS TCXOであるSIT5156を試しました。水晶の最大の弱点である振動に強いということでSIT5156には期待していたのですが音はやや硬めでキツキツな感じがします。水晶のTCXOのほうがリラックスしていて透明感があってきつくないということで今回はTCXOがいいですね。でも測定上はSIT5156のほうが良かったです。バラックの基板で実験しているので水晶のときは指で基板を抑えないと僅かなスプリアスが出ます。これがSIT5156では出ません。音は測定と傾向が違うので面白いです。あと大事なことですが水晶の聴き比べはオシレータからDACへ直駆動です。

最後にデジタルフィルター。正直これがないと積分形DACを超えるどころか近づくことすらできません。普通の内蔵デジタルフィルターでは高域が荒れた解像度の低いデジタルっぽい音です。現代のほとんどすべてのDACはこの状態です。聴き比べたらすぐにわかります。

デジタルフィルターとオシレータをちゃんとしたら積分形DACとやっと同等か優位になります。オシレータが悪いとデジタルフィルターだけ良くても積分形と比べてややがさつな音になってしまいます。最初はデジタルフィルターも内蔵、安いクロックをつけて実験していたのでかなり音が悪かったのでした。ここまでくると本当に些細な違いが意外と大きな差になります。何も手が抜けません。

現状の測定値です。50Hzのスプリアスが消滅したのと歪が素直になっています。ADA4898ではIV段で0.1%くらいまで歪み率が悪化していたのですが、今回は一桁改善しています。とはいえ私が今まで作ってきたDACの中では悪い歪み率なのでもう少し改善できるようにする予定です。

AK4497とAK4499の音の違い

皆さん気になっていると思うので、これについても書いておきたいと思います。比較対象はオペアンプは違いますがPCB設計方針もレギュレータ回路もクロックも同等なのでかなり比較条件は近いと思います。なのでこの比較はそこそこ信頼できるデータかと思います。

AK4499はAK4497に比べると音に芯があり、パワーと透明感と前後感があります。特に低音にしっかり骨格があります。そのかわり高域はしっかり各種対策(電源、クロック、フィルター、要するにほとんど全て)をしないとキツめになりやすいです。最初は高域がきつくて透明感はマスクされているしパワーだけはあるけどあまり好きな音じゃありませんでした。現在は上記に書いた3つの対策によってAK4497より全体的に良い音になりました。

AK4497はAK4499と比較すると柔らかくクリーミーです。低音もやや芯が分散した音ですね。もちろん音自体はスピードも十分早いしきれいで透明なのですが、比較してしまうと全帯域にわずかに膜のようなものを感じます。同じメーカーで同じような周辺回路なので雰囲気は似ていると思うのですが描写の仕方が違います。

音の余裕、軽々音が出ている感じ

積分形DAC > AK4495S ≒ AK4499 > AK4497

レンジ、パワー、力感、音の速度

AK4499 > 積分形DAC > AK4497 ≒ AK4495S

情報量、透明感、奥行き

AK4499 > AK4497 > 積分形DAC > AK4495S

この様になりました。

見ればわかりますがAK4499ではだいぶストレートに音が出てくる印象になりました。多分いままでAKM嫌いだった人はこの部分が嫌いだったのかもしれません。AKMは良い印象がないけどAK4499は悪くないという人は出てくる可能性ありそうです。私は個人的にはESSの神経質さやキツさのほうが嫌いでしたが、同じようにAKMはいいと思ったことがないって人もAK4499は一度聞いてみてもいいかもです。

力強さは改善したのですが、最大の問題のIC DAC特有の神経質さについては劇的には改善していないと思います。余裕というのは力まずすっと音が出てくる感覚です。立ち上がり速度とは別の要素というのは今回の僅差の比較で気づきました。AK4497のときはどちらも積分形のほうが良かったので気づきませんでした。AK4499は力強いですが積分形DACほどの余裕はありません。余裕だけならAK4495Sのほうが良いかもしれません。でもAK4495S比だとクオリティがAK4499のほうが圧倒的に良いので厳密な比較はできていないかもしれません。あくまで参考です。

ちなみに力感と余裕って相反するようですが、この力感と余裕を両立している製品はありましてそれはdCSのVivaldiとかです。ディスクリートDACですね。そのかわりVivaldiは高域が粗い(美音)です。

とはいえ、AK4499はパワーと瞬発力がディスクリート並にあるので積分形DACからAK4499に戻っても不満はありませんした。現代のIC-DACで積分形DACと力強さで勝っているだけでも素晴らしいことです。以前にレビューを書いたES9038採用DACそしてAK4497は積分形DACに完敗でしたので、これはAKMはかなり頑張ったのではないでしょうか!

仮ですが、AK4499オーディオキットの構想も一度まとめます

最初はシンプルなDAC基板にしようと思っていたのですが、上記の通り積分形DACと勝負するにはデジタルフィルターがないと駄目なのでDSPを乗せます。ついでにデジタルチャンデバの簡易機能を載せてしまおうかと思っています。詳細はこれから詰めますが、チップを2個つかった4chのDACが基本構成、これをモノラル1chまたはステレオ2chまたはモノラル4chとして使えるようにしようかなと考えています。全部一体基板で部品実装済み。チャンデバ機能は最低限になると思いますが、ライトユーザーにはむしろ扱いやすいものになると思います。

箇条書きしてみます。まだ変更の可能性ありますが、特徴は以下のとおりです。今まではキット頓挫してましたが、今回は確実にリリースしたいと考えています。

  • マニアックさより手軽さと最高の音質の両立を目指す設計です。なんでも細かく詰めたい方は他のキットが良いと思います
  • 最終的な完成基板の代表的な測定値は公開します
  • 殆どの部品は実装済み 細かい面実装のはんだ付けはしなくてOK
  • ソフトウェアはPCとUSBから更新可能 後からのアップデート可、初回のみ書き込み必須
  • 電源を入れたらすぐに使えるをコンセプトに、操作部も付属。以前のようなパネル組み立ては不要
  • AK4499 * 2で4ch出力が基本構成 モノラル、ステレオ、マルチに設定変更のみで対応
  • マルチチャンネルはグラフィック液晶で設定、操作。2wayと3wayへの対応、ディレイとゲインの変更に対応予定。クロスオーバー詳細設定は未定。
  • マルチチャンネルとデジタルフィルター処理のためにDSPを搭載します。入力はI2S、SPDIF。
  • 外部クロック入力はなし。そのかわりTCXO * 2を標準搭載しDACへ直供給。どんなジッタークリーナより高性能な構成です
  • DSPはDSDには非対応なのでDSDではマルチはできません。設定や配線が煩雑になるためDSDは非対応にするかもしれません
  • DSPの信号の外部出しには対応しません。同様にDAC直の信号入力もつけないと思います
  • DAC用の電源はLT3042よりローノイズ、ハイパワーな電源を最短距離でオンボード搭載
  • 正負電源もよくあるオーディオ用高電圧レギュレータICよりもローノイズなトラッキング電源を搭載

以上です。何かありましたらコメント欄に記載してください。これから仕様は決めます。とはいえ何でも要望に答えられるわけじゃありません。こちらで決めた基本仕様で対応できそうなものは対応する予定です。他でもキットが出てくると思うので他と似たようなものにするつもりはないです。

2019年9月17日 キットの具体的な構成案を掲載します

仮なので手書きですみませんが、文章で書くよりは遥かにわかりやすいと思います。現在のご要望をバランス良く満たせるような構成案を作成しました。ほとんどの方はステレオ2chだと思いますので基本はデュアルモノの構成とします。デュアルモノといってもアナログの実際の出力は4chのフルバランスです。この4chを1枚の基板に乗せます。

AK4499は1チップで4chのところを2chにする理由は色々あるのですが、理想電源レイアウトの問題、クロック分配の問題、アナログ回路の理想追求、これらの要因で音質ベストを狙うためです。アナログ回路は通常の構成の倍の規模になります。帯域外ノイズ低減、負荷駆動能力はリファレンス回路より遥かに高くなります。通常の8ch出力に対応するとこれができません。そしてデジタルのジッター処理が完全ではなくなります。要するに2チップ8ch構成では音質は最高の構成を取ることができそうにないからです。大幅な音質劣化が見込まれる8ch構成を取るなら当方の強みを集約した4ch構成を取りたいということです。

デジタル入力はSPDIF入力、アイソレータとMCLKクロックありのI2S入力(USB用)、そしてMCLKクロックなしのI2S入力が2系統あり、こちらはDACブロックへの直接入力用で、DSPをバイパスするルーティングになります。

上図には含まれていませんがルーティングや制御や設定はすべて基板上のCPUで行います。詳細な操作やマルチウェイの設定が必要な場合はLCD基板をセットで購入してください。LCD基板はUSB基板と同様の必須ではなくオプションです。LCD基板がない場合にはピンまたはDipスイッチで最低限の状態を設定します。LCDがなくても良いように状態はLEDで表示します。4ch モノラル、2ch ステレオ、入力固定、その他機能が不要であればLCD基板なしで使えるようにします。モノラル1chで使う場合などは出力の合成が必要ですが、それは手配線で行う必要があります。

2枚の基板を連携するために14pin I2S in/out端子を設けます。これは14pinのフラットケーブルを使います。基板を相互接続して片方をマスター、片方をスレーブのようにしてDSPは片側のみを有効にする動作。または両方ともスレーブ動作として外部DSPから4つのI2Sを入力するという使い方もできます。外部でFIRフィルターを使用してチャンネル分割しI2Sで入力する場合などを想定しています。それにより柔軟に4wayマルチに対応できるアナログ8ch出力を実現できます。

2019年9月28日 第一試作構成の情報

さまざまな頂いている意見を総合的に再検討した結果、最終候補案は前回の発表内容とは若干異なるものになりました。

最大の目的は、最小構成から最大構成までフレキシブルに、なおかつ誰でも簡単に使えることです。特に既存のオーディオキットは部品未実装な事が多く、多くの知識やはんだ付けの能力を求められることが最大の問題だと考えています。だから当方ではすべて実装済み、みなさまで用意していただく部品は出来るだけ最小限、ソフトウェアもできるだけ使いやすく多機能に。これを目指しています。今までも同じようなことを書いていますが、変更点はよりこれを推し進めた内容だと考えています。

もちろん、その上で音質についても既存のキットと同じではない、最高峰を目指しています。その証拠に当方のDAC基板はリファレンス回路とは違います。リファレンス回路では電解コンデンサの性能に依存した設計となっていますが、当方の設計では電解コンデンサの物理的制約に縛られないより高性能な構成をとっています。この設計はAK4495以来実績のある方法で、電解コンデンサの容量不足による、AKMのDACの特徴である低域でのTHD劣化の原因にはなりません。また全音声帯域で整った過渡応答を実現し、電解コンデンサの音質的個性から開放されます。

次に新しい仕様についてまとめます。現時点での内容ですが、試作で致命的な問題が無い限り今後は大幅な変更はしません。

  • ベース基板とDAC基板を分けました。ベース基板は8ch、4チップに対応します。将来的にロームのハイエンドDACなどにも対応予定です。(あくまで予定)
  • DAC基板は1枚から4枚での動作を予定しています。マルチの上限は枚数で決まります。
  • DAC基板は単体で配布可能です。制御は自前で行う必要があります。DAC基板にはクロックとASRCが搭載されていますがソフトウェアでバイパス可能です。ベース基板の機能が不要な場合はDAC基板のみという選択肢ができました。
  • ベース基板はデジタルレシーバと基本的な電源回路、DSP、CPUが搭載されます。DSPはマルチチャンデバを使わない場合でもデジタルフィルターが有効です。
  • ベース基板への電源の許容範囲を広げました。正負電源は+-20-30V入力、デジタル用は9-12Vを想定しています。電圧レンジの要求が一般的な電源を選びやすくなりました。整流は最低限されている必要がありますが、完全な安定化がされている必要ありません。ただし高電圧時の発熱はこれから検証が必要です。
  • 入力はSPDIF*4、USB、HDMI-I2S、AUX I2S。USBはオプションですが乗せるだけですぐに使えます。ベース基板ではDSDは完全非対応です。ご注意ください。DSDを使う場合はDAC基板単体で対応になります。
  • 出力はXLR*8、ステレオサミングXLR*2、4pinXLR*1。4pinXLRはヘッドフォン駆動のテストを行う予定ですが、音が悪かったら無くなるかもしれません。
  • LCDパネル基板をつけるとフル機能ですが、最低限の機能で問題ない場合はベース基板のみで動作できます。入力はディップスイッチ切り替え方式です。動作状態は基板上のLEDで表示します。ベース基板の入力選択はディップスイッチ切り替え方式です。
  • デジタルチャンデバ機能はLCDパネル基板がある時のみ動作します。
  • サミング出力は後付の抵抗をつけることで有効になります。抵抗を付けない場合はマルチ出力が基本動作です。サミング出力にははんだ付けが必要ですがDIPサイズのはんだ付けのみです。出力をサミングした状態でマルチ動作をさせるとショートの原因になるため注意が必要です。
  • DAC基板の枚数、LCDパネル基板の有無など、ハード構成に応じてソフトは最適な動作を自動で選択します。
  • 電源のオン/オフは基板上で電子制御されます。試験的にリレーを使わない制御にしました。パネルが実装されているときはオフでスタートしソフトスイッチで電源がオン、パネルが実装されていない場合は常時オンが基本動作です。

ひとまず以上です。ベース基板とDAC基板は週末に発注をかけますので、到着までにソフトウェアの整備を進める予定です。

デジタルチャンデバ機能について。基本的な機能は既に動作しています。4wayのマルチでゲインとディレイを個別調整可能で、それぞれの帯域で50種類の周波数から選択できます。ただし初期仕様ではクロスオーバー特性を複数から選択ができません。当面はlinkwitz 24dBとlinkwitz 12dBをソフトウェアの切り替えで対応するしかない状況です。同時には片方の特性しか使えないということです。DSPリソースには余裕があるのですが、上記の機能を同時に組み込むと信号が停止してしまうためです。片方であれば正常です。原因は調査中です。

2019年10月3日 歪み特性に悩んでいます

正直0.01%を切っていれば大きな問題はないと考えているTHD特性なのですが、悪い特性値を見てしまうと気になってしまうものです。一番最初の試作基板を使って最近まで色々検証、テストをしていたのですがTHD性能がどうもいまいちなんです。twitterでつぶやいたらいくつかありがたい助言コメントも頂きました。いろいろ試してみるものの、しかしこれと言った正解にはたどり着くことができませんでした。

いろいろ試したのですが、あまり結果は出ません。

THD特性に最も大きな違いが出たのはオペアンプの変更です。定格がかなり厳しいので当然ではあるのですが、今回試しているのはどれも高い電流出力が可能なオペアンプばかりです。以下に結果を貼ります。ちなみに上記はすべてOPA1602です。

OPA1688 OPA1602より定格電流の余裕があるはずですが結果はイマイチです。ノイズフロアも上昇。

OPA2197 歪み率は良くないですがノイズはOPA1688と比べて悪くないです。でも総合的に最初のOPA1602が良いことがわかります。

ADA4898-2 フルスケールだと定格オーバーでTHDは0.1%まで悪化しますがそこから1dB下げたら一番良い特性です。

もしかしたらレベルを下げると特性が良いのかと思って下げてみました。以下のデータはAK4497とほとんど同じ出力レベルのときのTHD特性です。一般的なDACと同じ振幅のときの歪みレベルということです。

THDは0.00008%なのでかなり良いです。これをそのままdBに変えると-122dBです。うちはTHD+Nが全然正確ではないのですが、DACのカタログスペックはうちで計測したTHDに近いことが多いです。ES9018を試したときもそうでした。AK4495だけはカタログスペックより遥かに良い結果でしたね。うちでの計測ベストはES9018>AK4499>AK4495>AK4497です。順列はありますが僅差です。それ以外のチップ(CS4398とかPCM1792)はここからかなり下がります。

もしかしたらカタログスペックのTHD+N -124dBはこの状態のデータ=最も良い条件での計測結果を記載しているのではという疑惑があります。しかもAK4497とほとんど同じ出力レベルの時に最もいい値というのも偶然にしては出来すぎています。

これがなぜ問題かというと、カタログスペックに記載されているダイナミックレンジ140dBと歪率-124dBを同時に実現することが不可能ということを示しています。ダイナミックレンジを取ればTHDが悪化、THDを取ればダイナミックレンジが悪化するということです。これが万が一そのとおりなら、カタログスペックは異なる条件でのベスト結果を記載しているだけで、現実にはどちらも両立することはできないということになってしまうのです。

これについてAKMに問い合わせを入れてみますので返答を待ちます（フルスケールで-124dBとの回答もらいました）。某所で話題のESS humpのようにAK4499の問題としてこれから徐々に採用製品での問題として明らかにされるのか。それともやはり自分の設計に問題があって改善すべき点があるのか。とても気になります。

https://www.zhihu.com/question/320316853

中国で面白いデータがアップされているのを見つけました。私が今気になっているのはレベル対THDのグラフなのですが、周波数対THDのグラフがありました。これをみると周波数ごとのTHDはかなり変動しています。1kHz近辺がベストでそれ以外は悪化しています。特に酷いのが低域ですがこれはAKMの伝統です。実際にはこういうスペックでも、カタログはベスト値の-124dBと表記しているので、出力レベルについても最大出力付近じゃない測定条件という可能性は高まってきました。(さすがに10kHz以上のTHDでこの数字は無理ですが、なんというか限度問題です)

実はこれチップが悪いわけではありません。設計をしっかり工夫すればこの問題は回避できます。こちらでAK4499の低周波THDの結果は以下のとおりです。測定は1kHzで0.00008%を出した条件と同じ+6dBuレベルです。

結局劣化の原因は不明なままですが、twitterではまだAK4499のアーキテクチャの疑問や推測を語り合っているので、興味があれば見てください。

DSD256とPCM96でレベル対THDの計測結果グラフを作成しました。SNが悪いのでDSDは絶対的な数値スペックは悪いですが歪み成分の出方はマイルド、PCMは歪成分が急激に増えます。ただしDSDでは歪成分がノイズに埋もれて見えないだけとも言えます。

2019年10月9日追記

AKMから回答がありました -124dBはフルスケールの計測値のようです。ただしレベルを上げるごとに若干劣化する傾向は同様です。なのでもう少し改善の余地がありそうです。