Wandlerprinzipien - eine Übersicht

Für die Wandlung der digitalen Daten in ein Analogsignal stehen prinzipiell verschiedene technische Realisierungskonzepte zur Verfügung. Grundlegend wurde bereits im ersten Teil des Blogs auf diese eingegangen. Im Audiobereich spielen hauptsächlich zwei Konzepte eine Rolle: Das Delta-Sigma-Verfahren sowie der Parallelwandler (Multibit, R2R, oder auch Ladder-DAC genannt). Seit einigen Jahren haben verschiedene Hersteller wieder zum ursprünglichen Nonoversampling-Konzept (NOS) zurückgefunden, welches üblicherweise eine spezielle Variante des R2R-Konzeptes darstellt. Nachfolgend wird das bevorzugte Prinzip nun etwas eingehender beleuchtet.

R2R- oder Ladder-DAC

Zu Beginn der digitalen Audio-Ära setzte man überwiegend Wandler nach dem R2R-Prinzip ein. Ein R2R-Ladder DAC ist ein aus Widerständen mit den Werten R und 2R aufgebautes Netzwerk, das zur Wandlung von binären Werten in analoge Spannungswerte dient. 2R bedeutet hierbei schlicht der doppelte Widerstandswert von R (also z. B. jeweils 2 kOhm und 1 kOhm). Diese R2R-Schaltungen können entweder diskret aufgebaut sein oder in ICs integriert werden (wie z. B. beim legendären DAC-Chip TDA1541 von Philips).

Das R2R-Prinzip-Schema.

Beim R2R-Netzwerk werden Widerstände entsprechend dem obigen Symbolschema verdrahtet und abhängig vom digitalen Wert mit elektronischen Schaltern (Transistoren) geschaltet. Im gezeigten Schema ist ein Wandler mit einer Auflösung von 4 Bit aufgezeigt. Man kann erahnen, dass diese Schaltung für eine Auflösung von 16 oder gar 24 Bit auf das Vier- respektive Sechsfache erweitert werden müsste.

Über die vielen Widerstände ergibt sich ein binär gewichteter Spannungsteiler, welcher somit eine binär gewichtete Spannung erzeugt, die folgerichtig dem geforderten Analogwert entspricht. Die Krux bei der Geschichte besteht nun aber darin, dass eine solche Schaltung nur dann gut funktioniert, wenn die Widerstände und die als Schalter eingesetzten Transistoren ausreichend präzise sind. Weichen die Bauteilewerte voneinander ab, hat das einen direkten Einfluss auf die Linearität und somit auch auf das tatsächliche Auflösungsvermögen der Wandlerschaltung.

Die heutigen Herstellungsverfahren in der Halbleitertechnik sind zwar sehr ausgereift, dennoch muss für eine tatsächlich hervorragende Genauigkeit jeder einzelne Widerstand mit einem Laser auf den exakten Wert getrimmt werden. Wenn man sich vor Augen hält, dass der kleinste Spannungswert bei einem 24-Bit-Wandler und einer maximalen Ausgangsspannung von 3V Spitzenwert einer Schrittspannung von weniger als 0,2 uV (0,0000002 Volt) entspricht, liegt es nahe, dass die Genauigkeit der Bauteile von grosser Bedeutung ist. Eine weitere Herausforderung besteht beim R2R-Wandler darin, die vielen Schalter nicht zum exakt selben Zeitpunkt umzuschalten, wodurch beim Umschalten jeweils kurze «Störungen» entstehen.

Das R2R-Wandlerprinzip zeichnet sich durch eine sehr hohe Geschwindigkeit und damit grosse Bandbreite sowie durch einen guten Signal/Rauschabstand aus, hat sich aber im Massenmarkt nicht durchgesetzt. Der Grund dafür ist nicht die Klang-Qualität – ganz im Gegenteil – sondern es ist der Kostenaspekt. Viele eher kleine, aber feine High-End-Hersteller wie u. a. dCS, 47Labs, Zanden, AMR, MSB Technology, Audio Note oder Denafrips verwenden in ihren DACs das R2R-Ladder-Konzept.

MSB, einer der namhaften R2R-Ladder-DAC-Hersteller.

NOS (Non Oversampling) DAC

Wie bereits im ersten Teil unserer DIY-Serie ausgeführt, wurde schon in den 80er- und 90er-Jahren über die verschiedenen integrierten Digital-Analog-Wandlerschaltungen (Englisch: Integrated Circuit oder kurz, IC, umgangssprachlich auch «Chips» genannt) gefachsimpelt. Tatsache ist, dass auch heute noch einige Hersteller auf die sogenannten Nonoversampling-Wandler setzen.

Doch warum scheuen diese Hersteller keine Kosten und verfolgen dabei «veraltete» Prinzipien?

Die Anhänger solcher DACs begründen ihre Präferenz vorwiegend damit, dass dieses Prinzip weniger «digital» klingt. Das ist eine völlig abgedroschene Aussage. Kritische Stimmen behaupten, dass der viel gelobte «Wohlklang» dieser Wandler vor allem darauf beruht, dass die hohen Frequenzen prinzipbedingt etwas zurückhaltender ausfallen und dass der Sound deshalb angenehmer ist. Das ist eine Aussage, die so tatsächlich nicht ganz falsch ist. Es steckt aber wohl doch noch etwas mehr dahinter.

Die gängigen Messdaten von Wandlern beziehen sich vorwiegend auf Verzerrungen (THD = Total Harmonic Distorsion), Signal-Rausch-Abstand und Frequenzgang (Amplitudenverlauf über die Frequenz). Das sind jedoch einerseits Werte, die in der heute realisierbaren Grössenordnung als kaum unterscheidbar zu betrachten sind und andererseits vernachlässigen diese Werte einen bedeutenden Aspekt.

Das zeitliche Verhalten von Signalen

Wenn sich das Nutzsignal ausreichend aus dem Rauschen heraushebt, genügend geringe Verzerrungen (sogenannten Klirr) aufweist und das geforderte Frequenzspektrum so weit abdeckt (gemäss HiFi-Anforderung 20–20'000 Hz), können die zuvor genannten Aspekte grundsätzlich vernachlässigt werden (das ist zwar etwas pauschal betrachtet, aber einigermassen zutreffend).

Ein Lautsprecher gibt ohnehin das Frequenzspektrum nicht sehr linear wieder, und verzerren tut dieser typischerweise im Bereich von mehreren Prozenten – dies selbst im schalltoten Raum. Vom Ergebnis im üblichen Wohnzimmer ganz zu schweigen.

Ein Aspekt, welcher bei der Messung der typischerweise zitierten Daten völlig ausser Acht bleibt, ist das zeitliche Verhalten, welches einerseits für die Räumlichkeit, aber auch für die korrekte Wiedergabe von Transienten entscheidend ist. Und genau dieses zeitliche Verhalten wird beim Oversampling-DAC durch die notwendigen, nachgeschalteten Filter entscheidend verändert.

Wenn man einen umgewandelten Impuls (Dirac-Stoss) oder auch ein rekonstruiertes Rechtecksignal betrachtet, dann erkennt man dem Signal hinzugefügte Schwingungen – vor allem das sogenannte «Pre-Ringing» (zusätzliche Schwingungen vor dem eigentlichen Signal), aber auch ein «Post-Ringing» (zusätzliche Schwingungen nach dem eigentlichen Signal).

Vergleich einer idealen und einer angenäherten Rechteckspannung.

Diese hinzugefügten Schwingungen führen zu unterschiedlicher subjektiver Wahrnehmung der Musikwiedergabe. Solche Schwingungen führen dazu, dass der Klang als offener, lebendiger oder auch als besser konturiert empfunden wird. Diese gesteigerte «Lebendigkeit» führt aber auch bei vielen Hörern dazu, dass eine ermüdende Wirkung entsteht und dass der Klang etwas «kalt» und «silbrig» wirkt.

Diese im ersten Moment als attraktiv empfundene Spielweise wirkt sich bei bestimmten Personen also ermüdend und unangenehm aus. Auch stellen diese dafür empfindlichen Personen fest, dass es zwar imposant und spannend klingt, aber dass die Emotionen stets etwas hinterherhinken. Es braucht bei natürlichen Klängen einen Sekundenbruchteil Zeit, bis man bemerkt, was das für ein Instrument ist, oder sein könnte.

Ohne dieses Ringing wirkt die Musik weniger anspringend, aber es führt gleichzeitig dazu, dass man unmittelbar ein realistisches Bild des natürlichen Instrumentes im Kopf hat. Zudem sind die Ermüdungserscheinungen nicht gleich ausgeprägt wie bei einem Wandler mit Oversampling. Der Klang wird als organischer wahrgenommen und deshalb oft als weniger digital, somit analoger empfunden.

Es gibt auch Delta-Sigma-Wandler mit Oversampling, welche superb und stressfrei klingen. Hierbei zeigt sich jedoch, dass der Aufwand, der dazu notwendig ist, doch auch beachtlich ist. Denn sehr viele moderne, preiswerte DACs mit hervorragenden technischen Daten klingen leider nicht «richtig». Die Emotionen bleiben auf der Strecke und der Klang wirkt synthetisch und anstrengend.

Das ist wohl einer der Hauptgründe, warum doch so mancher Hörer bei seinen Schallplatten bleibt, die zwar messtechnisch rückständig und in der Handhabung aufwendig sind, aber genau das vermitteln, wonach man sucht — nämlich Musik mit Emotionen!

Unser DAC-Board im Vordergrund mit Ausgangsstufe dahinter.