自作オーディオDAC(PCM1794A+CS8416)



DACを作りたい

以前に、かなり力を入れて、NOS DAC(Non Over Sampling Digital Analog Converter)を制作し、長らくこれを使ってきた。

TDA1543CS8414の石(IC)を使った、トラディッショナルなDACだ。暖かい良い音が鳴るので気に入っていた。
(製作記はこちら↓)

はじめに タイムドメイン(TIMEDOMAIN)社の由井さんの講義を聞く機会を得たので行ってきた。 周波数領域でフラットになるように...

そんな中、Raspberry Piの持つI2S出力から(S/PDIFを介するのではなく)ダイレクトにDACに入力するHi-Fi DACキットを購入し、音を出してみると、おったまげた。
(Raspberry Pi DACのレビューはこちら↓)

MINIBOSS I2S DAC Raspberry Pi の I2S インターフェースを使うことで、クロックジッタを低減...

MINIBOSSというRaspberry Pi の HiFi DACで、PCM5122のICを使ったDACなのだが、音の解像度、クリアさ、臨場感、低音と言い、素晴らしい。

TDA1543を使った自作NOS DACの限界を感じてしまった。

そこで、最近では最も音が良いと言われているPCM1794AというDAC ICを使って、DACを作ることにした訳である。完全に泥沼にハマった状態かもしれない。

PCM1794A+CS8416 DAC設計

まずは、DAI (Digital Audio Interface) の設計を行う。

DAIの設計

PCM1794Aと相性の良いDAIとして、Cirrus Logic社のCS8416旭化成エレクトロニクス社製 AK4113がよく使われている。

前回、NOS DACを制作した際は、CS8414を使用したので、よく似ているCS8416を使用することにした。

CS8416から、I2S (Inter-IC Sound)で出力して、PCM1794Aへオーディオデータを入れる

I2Sについては、こちらのエントリで詳しく書いたので、興味があれば参照ください。

Raspberry Pi の HiFi DAC まとめ Raspberry Pi は、I2S (Inter-IC Sound)というインタ...

CS8416のデータシート を読んで、評価回路を参考にして回路を設計。
ちなみに、CS8416のデータシートは、とんでもなく分厚い。全部読むのは不可能なので、要所々々読むと良い。

CS8416は、ソフトモードとハードモードがある。マイコンで制御するまでしたくないので、簡単なハードモードで動かすことにした。
なお、ここで注意だが、ハードモードは、出力が24bitしか対応していない
TDA1543のような古いDAC ICは、16bitのみ対応というものもあり、CS8416が使えない場合がある。

今回使用するPCM1794Aは、24bit入力対応なので問題ない

CS8416 DAI回路図

(クリックで画像が最大化されます)

部品一覧

部品番号型番概要数量単価購入先
DAI ICCirrus Logics CS841624bit 192kHz対応DAI IC1¥996Mouser Electronics
RST ICNJM22103リセットIC1¥90秋月電子
TORXPLR135/T光レシーバ1¥150秋月電子
L10147uHトロイダルコイル1¥50秋月電子
R10147kΩ抵抗8¥9共立エレショップ
R1023kΩ抵抗1¥30共立エレショップ
R10347Ω抵抗1¥30共立エレショップ
C1010.1uFメタライズドポリエステルフィルムコンデンサ4¥15秋月電子
C1020.022Fメタライズドポリエステルフィルムコンデンサ1¥15秋月電子
C1031000pFメタライズドポリエステルフィルムコンデンサ1¥15秋月電子
C1040.01Fメタライズドポリエステルフィルムコンデンサ1¥15秋月電子
SSOP変換アダプタTSSOP28ピン(0.65mm)・SOP28ピン(1.27mm)DIP変換基板変換アダプタ1¥50秋月電子
DIPソケット丸ピンICソケット ( 8P)DIPソケット1¥15秋月電子

データシートを読んでいて、なかなか分からなかったことをメモしておく。

(1)RESET (RST) はリセットICからの入力を得る
電源が安定するまでは、RESET ICがRESET信号をV+にしないらしく、電源が安定するまでCS8416を動作させないための工夫とのこと。リセットICは、NJM2103など秋月電子で100円くらいで売っている。

(2)RXSEL[0,1]でRXP[0,3]を選択する(入力ソースの選択)
これもデータシートを読んでいて分からなかったのだが、RXSEL[0,1]をGND/VDDに切り替えることで、RXP[0,3]のオーディオ入力を切り替えることができるらしい。わざわざ入力切り替え器を作らなくても良くて便利。

(3)ハードモードで、OMCKに外部クロックを入力すると幸せになれるか
OMCKに精度の高いクロックを入れると、OSCLKとOLRCKが、入力された精度の高いクロックによって叩き直されて送出される。ハードモードでは、柔軟に外部クロックを入れたり切ったりはできないらしいが、ソフトモードだとできるらしい。ハードモードだと、44.1kHz/44.8kHzなどサンプリングレートが違う入力が入ってきた時に、固定的なクロック周波数となるため、うまくいかない。外部クロックを入れたかったのだが、残念。ただ、CS8416内に高精度な水晶発振子を持っているらしく、高精度クロックで各種信号を叩き直してジッタノイズ対策をし、RMCKなどを生成してくれるらしい。

DACまわりの設計

DAC ICはもちろん Texas Instruments社の PCM1794A だ。

PCM1794Aのデータシート を読んで勉強した。

PCM1794Aは分かりやすいDACで、データシートの分量も少なく、かなりシンプルな回路構成となった。

PCM1794A DAC回路図
(画像クリックで拡大します)

部品一覧

部品番号型番概要数量単価購入先
DAC ICTexas Instruments PCM1794A132dB SNR 24bit 192kHz DAC1¥1484Mouser Electronics
R20110kΩ抵抗1¥30共立エレショップ
C2010.1uFメタライズドポリエステルフィルムコンデンサ4¥15秋月電子
C20247uFコンデンサ ニチコンFG2¥20秋月電子
C20310uFコンデンサ ニチコンFG2¥10秋月電子
SSOP変換アダプタTSSOP28ピン(0.65mm)・SOP28ピン(1.27mm)DIP変換基板変換アダプタ1¥50秋月電子

PCM1794Aから出力した後は、オペアンプによりIV変換を行う。1段目のオペアンプでIV変換して差動出力(バランス出力)にし、 2段目のオペアンプでアンバランス出力に変える回路となっている。

実は、PCM1794Aのデータシートに載っているサプルアプリケーションの回路図をそのまま使える。なので、PCM1794Aのデータシートを転記します↓

PCM1794Aアナログ回路
(画像クリックで拡大します)

部品一覧

部品番号型番概要数量単価購入先
オペアンプTexas Instruments OPA6041回路入オペアンプ3✕2¥374.5Mouser Electronics
R1,R2820Ω抵抗2✕2¥30共立エレショップ
R3,R4,R5,R6360Ω抵抗4✕2¥30
(200Ωと150Ω)
共立エレショップ
R7100Ω
DALE
抵抗1✕2¥84共立エレショップ
C1,C22200pFメタライズドポリエステルフィルムコンデンサ2✕2¥15秋月電子
C3,C42700pFポリフェニレンスルフィドフィルムコンデンサ2✕2¥84共立エレショップ
C11,C12,C13,
C14,C15,C16
0.1uFメタライズドポリエステルフィルムコンデンサ6✕2¥15秋月電子
C17,C1822pF絶縁型ラジアルリード型積層セラミックコンデンサ2✕2¥10秋月電子
C1933pFポリフェニレンサルファイド フィルムコンデンサ PPSC1✕2¥152共立エレショップ
DIPソケット丸ピンICソケット ( 8P)DIPソケット6¥15秋月電子

電源部の設計

電源部の設計だ。

トランス電源 v.s. スイッチング電源 で悩む。

トランス電源は、高周波ノイズが少なく、オペアンプ用の負電圧も簡単に作ることができる。
だが、電力効率が低い。DACはわざわざ出かける度に電源OFFにしたくないので、消費電力が気になるところ。

スイッチング電源は、電力効率が高い一方で、高周波スイッチングのためのノイズや、負電圧が作るのが難しい点が悩ましい。
スイッチング電源は、トロイダルコアでLPF(ローパスフィルター)を作れば、高周波ノイズは取り除けること、チャージポンプICを使えば負電源が作れることから、今回はスイッチング電源で作ることにする。

5V、3.3V、12Vの電源回路はこちら。

電源回路
(画像クリックで拡大します)

-12Vの電源回路がこちら。

負電源回路図
(画像クリックで拡大します)

NJW4191MというチャージポンプICを使って、負電源を作り出している。

チャージポンプICとは、高速にスイッチングして回路をつなぎ替えることで、負電源を作ることができるICだ。便利なのだが、かなり無理をして負電圧を作るので、出力電流が1つのICにつき、55mAと小さい。

これだと、オペアンプを駆動するのに心もとないので、ICを4つ並列に並べて使うことにした。
(回路図は、最後の2つの回路は記載を省略した)

部品一覧

部品番号型番概要数量単価購入先
レギュレータ 5V5V 1A
(7815FA)
レギュレータ2¥50秋月電子
レギュレータ 3.3V3.3V 1A
(BA033CC0T)
レギュレータ3¥100秋月電子
チャージポンプ ICNJW4191M負電圧チャージポンプIC4¥110秋月電子
L143uHトロイダルコイル6¥50秋月電子
C11000uH電解コンデンサ ニチコンFG6¥50秋月電子
C20.22uFメタライズドポリエステルフィルムコンデンサ6¥15秋月電子
C31uFフィルムコンデンサ12¥40秋月電子
DIP化基板超薄型1.27mmピッチDIP化基板1.27mmピッチからDIPへ変換する基板1¥150秋月電子
ACアダプタ端子
ケーブル
ケーブル端子

現在発注し、制作待ちの状況です!乞うご期待



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