HDAC: test strumentale

La scheda prototipo che ho assemblato qualche settimana fa è servita anche per verificare che le prestazioni strumentali fossero allineate a quelle ottenibili con un TDA1541 messo nella migliore condizione di funzionamento.

Ma cosa significa migliore condizione? Per questo chip dac, significa essenzialmente una buona alimentazione e l'adozione di alcuni "trucchi" per eliminare o quantomeno mitigare dei punti critici legati a questo dac.

Nel corso della sua storia il TDA1541 non è mai stato trattato così bene come ora. Nelle realizzazioni consapevoli (ovvero quelle che non si limitano ad affrontare lo stadio di conversione I/V) questo chip ha ancora molto da dare, e se la batte con i dac migliori sul mercato.

I punti salienti che contraddistinguono il nostro HDAC dai comuni dac sul mercato sono il fatto di essere un multibit e di non avere il filtro digitale (cioè essere no-oversampling, NOS).

Rispetto alle macchine vintage con TDA1541 finora ascoltate, i punti forti dell'HDAC sono:

1) assenza del filtro digitale;
2) segnali I2S in ingresso al dac attenuati per diminuire il ground bounce;
3) sincronismo del Dynamic Element Matching con il bit clock (detto anche DEM reclocking);
4) filtro di compensazione per limitare la perdita alle alte frequenze causata dal NOS;
5) stadi di alimentazione dedicati esclusivamente al chip;
6) layout ottimizzato con ritorni di massa appositamente studiati;
7) stadio di conversione I/V a discreti con eliminazione dell'offset di 2 mA fisiologico al TDA1541.

Tutte queste "cure" (alcune esclusive del nostro HDAC) non si erano mai viste tutte insieme e certamente contribuiscono all'ottenimento di un risultato eccellente, almeno dal punto di vista dell'ascolto.

Dal punto di vista strumentale, ovvero al banco di misura, l'HDAC deve scontare il peccato originale di essere un dac no-oversampling. L'assenza del filtro digitale... anzi, l'assenza tout-court di qualsiasi filtro passa basso, sia digitale che analogico, espone la misura del rapporto S/N e quella della THD all'inquinamento - non eliminabile - delle immagini ultrasoniche generate dal processo di conversione D/A.

Le immagini al di là della banda audio diventano un problema se rientrano in banda (e di solito lo fanno) e la bontà di un progetto NOS si esprime proprio nella misura in cui si riesce a contenere tale inquinamento. In parole povere, vince chi riesce a contenere meglio i danni. Per questo motivo il layout e il disegno dei piani di massa è fondamentale, a maggior ragione su un dac di questo tipo.

Il problema è particolarmente sentito con una frequenza di campionamento di 44.1 KHz. Per gli 88.2 e i 96 KHz, il problema è più di tipo psicologico che pratico. Vedremo infatti che a 96 KHz le immagini sono talmente distanti dalla banda audio da non essere più un impiccio.

E allora partiamo con il primo test.


Quello che vedete qui sopra è lo spettro della banda audio (0-20KHz) rilevato all'uscita del canale destro dell'HDAC, durante la riproduzione di un brano a 44.1 KHz contenente silenzio digitale. In pratica, il dac sta riproducendo uno stream composto da tutti zero, e quindi all'uscita dobbiamo ritrovarci con il silenzio più totale. Il grafico conferma questo fatto: il tappeto di rumore è quasi coincidente con quello dello strumento di misura, e si colloca intorno ai -120 dB. Questo vuol dire che durante le pause di silenzio, o nei pianissimo, l'ascolto non sarà funestato da nessun tipo di rumore estraneo o interferenza.

Si nota però qualcosa che sale a bassissima frequenza, sporcando un po' un risultato altrimenti eccezionale. Qui sotto facciamo lo zoom dei primi 500 Hz per vedere di cosa si tratta:


Ecco, le linee verticali che si vedono sono residui o disturbi di alimentazione. Non sono molto elevati, però: il più insidioso, sui 100 Hz, è a -90 dB. E' probabile che tali residui siano colpa del trasformatore sotto-dimensionato e che ho già sostituito con uno di potenza maggiore. La cosa importante comunque è che tali residui siano inudibili (e lo sono).

Questo è lo spettro delle armoniche in banda audio con un tono a 1KHz (fs = 44.1KHz), allo 0 dB relativo, corrispondente a +10 dBV. In pratica si tratta della misura di THD con il massimo segnale in uscita:


Il tappeto di fondo si è alzato a -90 dB, per via dello strumento, ma si notano bene la seconda, la terza, la quarta, e una quinta armonica che è tipica del TDA1541. Però tutte le armoniche (tranne la seconda) raggiungono appena i -90 dB rispetto alla fondamentale, un risultato eccellente, con una THD di 0.034% come evidenziato nel box sovrapposto allo spettro. Tale valore è da considerare in eccesso, in quanto lo strumento ci aggiunge un po' (poco) del suo.

Ed ora il terribile test del tono a -60 dBR:


Questo test è fondamentale perchè mette in luce le non linearità del dac ai bassi livelli (i più critici). Dal grafico non si nota nulla di anomalo, il tappeto di armoniche e spurie sta intorno ai -100 dB, con un solo livello più alto a 10 KHz che tocca i -95. La misura è inficiata proprio da questa spuria, e comunque mostra uno 0.62% di THD, perfettamente in linea con le possibilità di un dac a 16 bit. Se si ignorasse quella spuria a 10 KHz, il risultato sarebbe ancora più positivo, portando il differenziale rispetto al tono fondamentale intorno ai -50 dBV.

(segue)

Fantastico! Attendo il seguito.. e soprattutto di apprezzare dal vivo 

Proseguiamo con delle misure che avevo già fatto in passato sul prototipo con basetta preforata, e che non ho mai pubblicato: quelle di risposta in frequenza. Ora le ho rifatte con la scheda definitiva. Tenete presente che tracciare una risposta in frequenza senza uno strumento specifico come un Audio Precision non è cosa semplice, soprattutto se si tratta di tracciare la risposta di un dac. Ma alla fine, dopo vari scervellamenti, sono riuscito ad ottenere ciò che volevo usando il semplice analizzatore di spettro che ho in casa. Anzi, uno degli analizzatori, quello più portato per le misure audio, da 16 bit di risoluzione.

Di solito, misurare la risposta di un dac con filtro digitale, tipo quella di un sigma-delta in commercio, è alquanto noioso, perchè si vede una linea piatta da 20 Hz a 22 KHz. L'unica cosa interessante, è quando si aumenta la frequenza di campionamento, ad esempio a 192 KHz, e si osserva come la risposta non vada comunque al di là dei 50 KHz, quando potrebbe estendersi fino ad almeno 90 KHz... dico che è interessante perchè, a fronte dell'aumento della frequenza di campionamento, e alla faccia della cosiddetta "alta risoluzione", quello che vi fanno sentire si ferma comunque poco oltre i canonici 20 KHz. Quando questo accade (e accade al 99% dei dac in commercio) vuol dire che lo stadio analogico di uscita è comunque limitato in frequenza, a prescindere dalla fs del brano ascoltato. Il fatto che ciò vanifichi in gran parte le aspirazioni da "grande definizione" di un brano a 192 o 384 KHz, conta poco: tanto nessuno si accorgerebbe della differenza.

Tutto questo in un dac come l'HDAC non si verifica. Invece, accade qualcosa di molto più interessante.


Qui sopra vedete due curve, una gialla e una rossa. E... sì, i colori li ho scelti in base alla mia fede calcistica.

Intanto, non spaventatevi se le vedete così "incurvate": il grafico è fortemente espanso in verticale, ogni step corrisponde a soli 2 dB. Stiamo guardando il grafico di risposta in frequenza del dac che riproduce uno sweep lineare registrato a 44.1/16. La curva gialla corrisponde alla risposta senza alcun tipo di correzione, e come vedete a 20 KHz il livello è a -3.22 dB.

Tale roll-off è causato dalla perdita di energia ad alta frequenza dovuta alla mancata ricostruzione del filtro digitale (che non c'è). Questa cosa è fisiologica, ed è presente in tutti i dac NOS del pianeta, ed è il motivo per cui di solito un TDA1541 NOS è considerato un po' "eufonico". Ed è pure il motivo per cui a molti il NOS non piace affatto. La perdita di dettaglio, se non viene recuperata in qualche altro modo, alla lunga diventa fastidiosa.

C'è da dire che alcuni opamp integrati che vengono usati in uscita, avendo di loro una timbrica piuttosto "freddina", compensano questa perdita in alto, e quindi non sempre il risultato è consono alle aspettative, ma diciamo che in generale un dac NOS è tendenzialmente più "caldo" di uno con filtro digitale.

La curva di colore rosso (o arancione, se preferite) è la risposta del dac con l'apposito filtro di compensazione, che serve a recuperare parte dell'energia ad alta frequenza. Come vedete, a 20 KHz si recupera meno di 1 dB, ma la cosa importante accade prima: già a partire dai 3 KHz la curva si discosta da quella gialla, assumendo un andamento meno inclinato.

L'entità della compensazione è di importanza cruciale, in quanto un suo eccesso sarebbe fatale, compromettendo il risultato ben oltre di quello che lascerebbe sospettare il grafico. Per darvi un'idea, con la risposta arancione l'HDAC, confrontato con altri dac con filtro digitale, non mostra alcuna attenuazione della gamma alta, ma anzi da l'impressione di un dettaglio superiore. Se si apportasse una compensazione tale da appiattire la curva, il dac diventerebbe sgradevole, quasi inascoltabile.

Questo perchè non conta solo la risposta in regime statico (quale è una risposta in frequenza), ma anche (e soprattutto) quella ai transienti. Ne parliamo dopo che vediamo la curva con uno sweep campionato a 96 KHz.

(segue)

Qui sotto vedete le stesse curve, ma facendo funzionare il dac con una fs di 96 KHz:


Dal momento che a 96 KHz la densità dei campioni è più che doppia, la perdita di energia ad alta frequenza è molto inferiore, e infatti a 20 KHz il calo è di appena -0.71 dB. La compensazione aggiunge sempre meno di 1 dB, con un +0.37 dB a 11.5 KHz, mentre a 20 KHz si ha una correzione quasi perfetta.

Anche a 96 KHz di fs l'intervento del filtro è benefico, senza aggiungere alcuna forma di inasprimento, ma anzi donando all'ascolto una particolare sensazione di naturalezza dell'estremo alto. Ricordate che ciò che è fondamentale è l'apporto del filtro rispetto alla curva originaria, ovvero il differenziale di intervento, che a 96 KHz è lo stesso che a 44.1 KHz.

La risposta è troncata a 21 KHz non perchè il dac smetta di riprodurre le frequenze più alte di tale valore, ma solo perchè lo sweep è stato interrotto a quella frequenza. Vedremo poi con brani contenenti rumore bianco fino a dove si estende la risposta.

Come vedete, la scelta dei valori del filtro di compensazione non era cosa semplice, in quanto tale filtro agisce a tutte le frequenze di campionamento, ed era necessario mantenere un equilibrio. Quando esamineremo lo schema elettrico, vedremo anche altri tipi di problematiche legate alla sua realizzazione, ad esempio al fatto che era tassativo non aggiungere un altro stadio e che andava fatto tutto con l'unico stadio I/V composto dall'AF-C02.

Ed ora vediamo da un altro punto di vista come agisce il filtro di compensazione. Questa qui sotto è la risposta all'onda quadra campionata a 44.1 KHz, senza alcun filtro:



E questa con il filtro:



Il piccolo overshoot è il risultato della compensazione, che è molto simile a quello che si otterrebbe con... un filtro digitale. La differenza è che non è presente alcun ringing. Naturalmente questo non vuol dire che è come avere un filtro digitale.

Per il momento è tutto.

Gran lavoro ed esposizione interessantissima, come sempre