R2R contre Delta-Sigma - une comparaison complète des architectures de conversion DAC

De nombreuses lances ont été brisées sur la conversion numérique-analogique - les adeptes de l' R2R en échelle pointent vers un son analogique fluide, tandis que les partisans des puces delta-sigma parlent de précision et de dynamique. Dans ce guide, nous passons en revue chaque nuance technique des architectures modernes qui convertissent un signal numérique en un signal analogique.

Une revue complète du DAC Holo Audio May KTE se trouve ici.

Comment fonctionne l' R2R en échelle

R2R, ou le réseau en échelle, est la méthode « directe » de conversion numérique-analogique. Un réseau de résistances de deux valeurs, différant exactement par un facteur de deux, est agencé de sorte que chaque bit du mot d'entrée contrôle un interrupteur qui ajoute une part définie de la tension de référence au total (le bit le plus significatif contribue à la moitié, le suivant à un quart, le suivant à un huitième, et ainsi de suite). Le signal apparaît à la sortie immédiatement, sans conversion intermédiaire. D'où son autre nom  - le design multibit DAC, puisque tous les bits sont traités simultanément.

Les limites de la précision

La manière dont une matrice R2R fonctionne correctement est déterminée par la précision de ses résistances. Pour que la contribution du bit le plus significatif ne submerge pas celle du bit le moins significatif, la valeur de la résistance la plus significative doit être maintenue à mieux qu'un divisé par deux à la puissance de N, où N est la profondeur de bit.

Les meilleures résistances de précision de production ont des tolérances de l'ordre de 0.01–0.005%, ce qui correspond à environ 13–14 bits honnêtes. Tout ce qui dépasse cela est obtenu par sélection individuelle, découpe laser ou calibration de la matrice avec compensation pour les écarts.

Problèmes liés à la température et au temps

Parce que les résistances ont un coefficient de température de résistance, leurs valeurs dérivent à mesure que l'unité se réchauffe et que la calibration d'usine cesse d'être précise. D'où deux mesures de conception caractéristiques des unités High-End R2R  - stabilisation de température de la référence et auto-calibration périodique de la matrice. Les résistances dérivent également à long terme, c'est pourquoi les unités de ce type doivent parfois être recalibrées après des années d'utilisation.

Comment fonctionne la conversion delta-sigma ?

Delta-sigma résout le problème d'une manière fondamentalement différente de l' R2R. Au lieu de viser une haute précision en amplitude, l'architecture échange la profondeur de bit contre la vitesse. Le signal est suréchantillonné de nombreuses fois, généralement par un facteur de 64 ou 128, puis quantifié à un petit nombre de niveaux  - dans le cas limite, à un seul bit. Une telle quantification grossière génère un bruit de quantification considérable, mais c'est là que le mécanisme clé entre en jeu - le modelage du bruit. La boucle de rétroaction du modulateur est agencée de sorte que le bruit de quantification soit poussé hors de la bande audio vers les hautes fréquences, où il est éliminé par le filtre analogique à la sortie.

Le résultat est un niveau de bruit extrêmement bas et une très haute linéarité dans la bande jusqu'à 20 kHz, car la linéarité d'un quantiseur à un bit ou à quelques bits est trivialement assurée  - cette puce n'a pas de résistances dont les valeurs pourraient dériver.

Nuances

Bruit ultrasonique. L'énergie déplacée ne disparaît pas ; elle se situe au-dessus de 20 kHz. Avec un filtrage insuffisant, elle peut charger l'étage de sortie du DAC.

Tons au repos. Sur un signal d'entrée constant ou très faible, le modulateur est sujet à former des motifs périodiques qui produisent des composants discrets dans le spectre. Les conceptions modernes contrent cela en ajoutant du dither et en augmentant l'ordre du modulateur.

Dépendance au filtre numérique. Le suréchantillonnage nécessite un filtre numérique, et ses caractéristiques deviennent une partie du son de l'appareil. D'où les filtres commutables sur la plupart des unités modernes.

Conceptions hybrides

Aujourd'hui, une proportion significative des DAC de haut niveau n'utilise pas seulement les deux schémas décrits ci-dessus, mais des conceptions hybrides.

Le filtre numérique est exceptionnellement important

Puisque c'est le filtre qui détermine le comportement du système dans le domaine temporel, son influence peut être comparable à celle du schéma de conversion lui-même.

Le pré-ringing d'un filtre à phase linéaire est un phénomène qui n'existe pas dans la nature  - l'oreille ne rencontre jamais un son qui surgit AVANT sa source. Cela explique une grande part des plaintes formulées à l'encontre de l'audio numérique. L'argument contraire est que l'amplitude du pré-ringing est extrêmement faible et concentrée à la toute limite de la bande audible.

Quels paramètres sont mesurables ?

Sur la plupart des paramètres, la conversion delta-sigma offre des spécifications bien meilleures. L'R2R a un avantage structurel dans un seul domaine - l'absence de tons au repos. 

Et pourtant, lors d'écoutes en direct, une part considérable des audiophiles préfère les DAC R2R. Pourquoi ?

Le caractère des erreurs. Les erreurs de non-linéarité dans une échelle produisent un spectre qui diminue à mesure que l'ordre harmonique augmente. Les erreurs delta-sigma se manifestent comme une modulation du plancher de bruit qui dépend du signal. L'oreille perçoit cette dernière comme une artificialité.

L'absence d'un filtre numérique, ou un filtre simplifié. De nombreuses unités R2R fonctionnent sans suréchantillonnage, et ce qui est attribué à l'architecture est en fait l'absence de pré-ringing.

La section analogique et l'alimentation. Les unités construites sur une échelle discrète sont presque toujours plus chères et ont donc un étage de sortie et une alimentation plus sérieux. 

CE QU'IL FAUT GARDER À L'ESPRIT

La dispersion de la qualité au sein de chaque architecture est de plusieurs fois supérieure à la différence entre les architectures. Un design R2R mal exécuté avec une échelle non calibrée sonne pire qu'une unité delta-sigma construite de manière compétente coûtant deux fois moins cher. Et vice versa.

Qu'est-ce qui façonne le caractère sonore d'un DAC ?

L'étage de sortie analogique. Il détermine l'impédance de sortie, le comportement sous charge et le spectre de distorsion de l'unité. 

L'alimentation. Rails séparés pour les sections numériques et analogiques, et la qualité de régulation.

Horloge. Ce qui compte n'est pas tant la valeur absolue du jitter que sa stabilité et son caractère spectral.

Le filtre numérique. Il détermine le comportement dans le domaine temporel et est audible sur les transitoires.

L'architecture de conversion elle-même. Sa contribution est comparable à celle du filtrage et du reste.

Quel DAC devriez-vous choisir ?

Liste de contrôle

Demandez aux fabricants des données de linéarité à -60, -90 et -110 dB. C'est le paramètre le plus informatif pour comparer les convertisseurs.

Vérifiez l'impédance de sortie. Une valeur supérieure à 500 Ω peut causer des problèmes avec certains préamplificateurs.

Vérifiez le niveau de sortie déclaré. Un décalage de niveau entre les unités rend la comparaison d'écoute directe peu fiable.

Vérifiez s'il y a un choix de filtre numérique. 

Pour un design R2R, vérifiez si l'auto-calibration de l'échelle et la stabilisation de température de référence sont fournies.

Ne comparez pas les unités par la profondeur de bit de l'entrée numérique qu'elles acceptent. 

Égalisez la pression sonore lors de la comparaison. Une différence de 0.3 dB sera considérée comme une qualité supérieure.

Prenez la décision finale uniquement après une écoute approfondie.