玩HIFI，dCS Ring DAC结构是什么?有什么优势？音响功放

dCS公司于1987年发明的Ring DAC（环形DAC）是一种出色的解决方案，用于将数字数据转换为模拟输出信号。这项技术尤其适合高分辨率数字音频。那么问题来了，大家都说这种架构非常优秀，这种独特的解码架构到底是什么呢？它与传统结构相比是否真的具备明显优势？接下来，我们来深入了解。

从传统DAC说起

要理解Ring DAC的工作原理，首先需要了解传统多位DAC的运行方式。可以将多位DAC想象成一个梯子，其梯级的数量与样本的位数相对应。例如，一个24位DAC会有24个“梯级”，每一级都是与数字样本中的每个位对应的电阻。这些电阻通过一系列开关连接到电压源；表示音频信号的数字数据会控制开关的开闭，从而决定电流是否流向输出。每一级的电流会汇总，汇总后的值即代表音频信号的振幅。

电阻和电压源的排列会产生一种“二进制权重”的效果。这意味着梯级下方的每个电阻的阻值需要是其上一梯级的两倍，以此类推，符合二进制进位制1、2、4、8、16等的规律。实际上，通常只使用两种电阻值；电阻梯形成了一个分压器，其输出电压会随着梯级的增加逐级减半。



R-2R梯形DAC的难题

所谓的“R-2R梯形”DAC存在一个问题，即无法制造出具有完美二进制权重精度的电阻。这导致电阻值的公差会在模拟输出中引入振幅误差。而且，这些误差会在音频波形的相同位置重复出现。更糟糕的是，这些误差在信号较低的电平时占的比例会更大。

这种问题在梯级数量增加时变得更加严重。例如，在一个16位电阻梯形DAC中，最低有效位（LSB）的输出电压应精确为最高有效位（MSB）值的0.0000152。而在一个24位转换器中，LSB的输出电压应精确为MSB值的0.000000119209289550781。显然，在实际制造中不可能达到这种精度。电阻梯中任何一个电阻的偏差都会在模拟输出中转化为振幅误差。



解决误差的尝试

已停产的UltraAnalog公司曾试图通过一种方法解决这一挑战：它将两个16位的现成DAC结合成一个20位DAC，并用10万个不同的数字编码驱动DAC，测量每个编码值下的DAC输出，计算每个特定电阻的误差程度，然后由技术人员手工焊接微型精密金属薄膜电阻到梯级上，以使其更接近正确值。


单比特DAC的另一种方案




一种不依赖二进制加权电阻梯的DAC技术是单比特DAC。这种设备将多比特代码转换为只有0和1两个值的单比特数据流。与多比特DAC相比，单比特DAC的振幅精度非常高，但其存在非常高的噪声，必须通过“噪声整形”将其移出音频频段。此外，单比特DAC对时基误差（抖动）非常敏感。

Ring DAC的混合式解决方案

dCS的解决方案是Ring DAC，这可以看作两种方法的混合体。它基于一个五位代码，驱动一组阻值相同的电阻。由于Ring DAC中的所有电阻的标称值相同，其实际值也非常接近。五位代码的数据流比单比特数据流具有更高的信噪比，并且需要的噪声整形更少一个数量级。

首先，数字信号处理器会将接收到的任何数据流（例如192kHz/24位或DSD的2.8224MHz单比特代码）“映射”为一个独特的五位代码。然后，这个五位代码会控制电流的48个锁存器中的一个开关，驱动五个阻值相同的电阻之一。由于这些电阻的实际阻值不可能完全相同，Ring DAC采用了电阻整列，并随机地在阵列中的电阻之间切换音频信号。Ring DAC由此得名，因为信号在阵列中的电阻之间“传递”，如同环形排列。其效果是将模拟输出中可能的振幅误差转换为非常微小的、与音频信号不相关的随机白噪声。



Apex版本的改进

dCS最新的技术版本Apex基于相同的原理，但实现方式更加先进。Apex重新设计了电流源、求和级、滤波器和输出缓冲。此外，Ring DAC中的单晶体管在Apex中被复合对晶体管取代，并优化了电路板布局。结果是一个比前几代产品噪声更低、线性度提高了超过12dB的DAC。



Ring DAC在概念上非常出色，并在最新的Apex中得到了最优实现。dCS的 信息密度、细节解析力、独特的空间表现力——很大程度上可能归功于Ring DAC。
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