R2R的基本设计模拟与简单分析—从Hifiman HM901R说开去

昨天有人说,有人在某群里表示我是想套HM901R(或者说HYMALAYA DAC)的架构设计……其实啊……我得说……真的不需要套…… 因为HYMALAYA的基本设计还是一眼即知的…… 为了证明我不是吹牛,我用电脑模拟一下好了(大家都知道我懂的少……只能在电脑里面用软件模拟一下R2R的FPGA+电阻实现)下面的模拟和实测里面,为了方便大家查看,会在-100db处画一条参考线。模拟图里红色是理论信号,蓝色是实际输出。

模拟0dbFS结果:

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实测:

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实测FFT:

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模拟-100dbFS(注意1K红色线明显低于蓝色的实际输出):

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实测FFT:

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下面开始分析喜马拉雅DAC(大家都知道我不怎么懂的,如果有错请指正)

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首先这是主板的DAC部分(背面)照片,在上面我们可以看到4个17+18+11=46电阻的阵列。根据R-2RDAC的常识,这应该是46/2=23bit,为何Hifiman宣传为24bit呢?很可能是利用并联=多1bit的方式进行计算的(这里Hifiman没有错)但是就事实而言,用另外的方式来实现是否会更好?这就不得不说(我认为的)R2R DAC设计当中遇到的第一个挑战了(出声之后接下来要解决的第一个问题):

Zero-Crossing Distortion

R2R基本架构是这样:

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当R2R输出的时候,可以看作这一排开关不停动作来输出不同的电平。这种基础架构里面主要的一大问题是,当输出电压从+到-和从-到+的一瞬间,以16bit的R2R为例,是从1000000000000000变化到0111111111111111,也就是所有开关瞬间变化状态。由于开关同步性等等各种原因……这一瞬间会产生类似乙类放大器的交越失真(类似,但并不相同)。-100dbFS模拟的波形输出如下:

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实际的波形如下:

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那么这个问题怎么解决呢?(大家都知道我懂的少,我就随便瞎扯的。)参考US5257027A号专利:

采用一对DAC分别负责输出正、负电压波形。这也是目前正常的R2R DAC(包括芯片级的和分立的)的解决办法(专利早已过期)

所以在这里,我建议Hifiman基于现有的模块做一些简单的修改(布线可能要略作修改、FPGA代码需要动动)推出改进款的HYMALAYA模块,以Balanced方式工作,可以消除Zero-Crossing Distortion,大大改善线性度呢……

仿真模拟(电阻精度等等都没变 只是改并联为Balanced)的波形如下:

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同时这样的修改还可以让理论动态范围从现在的90左右:

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大幅改进为13X(注意这是理论值,实际上做不到,但我估计过110还是没啥问题)

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未完待续

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