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PCM1710U オーディオDAコンバーター

はじめに

インターネットを見ていると、数は少ないながらも、オーディオ用DAコンバーターの製作記事が見つかります。取っつきやすい回路のひとつとして、TI (旧Burr-Brown) のDAコンバーターIC、PCM1710Uに、Cirrus<(旧Crystal)のディジタルオーディオ・レシーバー、CS8412-CPの組み合わせがあります。この組み合わせは、PCM1710Uのデータシートに載っているものですが、かつてラジオ技術社で基板キットとして売り出したこともあり、けっこうポピュラーのようです。DAコンバーターを自作する、というアイデアが魅力的に思えて、実用上の必要はあまり無いのですが、挑戦してみることにしました。

回路

製作したDAコンバーターの回路はこんな感じです(クリックして拡大画像になります)。だいたい、PCM1710Uのデータシートに載っている評価ボード DEM-DAI1710 の回路そのままですが、出力部分は少し変えてあります。

主要なIC、回路の概要

ディジタルオーディオ・レシーバーは CirrusのCS8412-CPという28DIPのICです。このICは業界標準とされているようですが、発売からかなり 時間がたっており、すでに廃品種です。96KHｚサンプリングの信号にも対応したCS8414が後継品種で、ピン互換です。でも、CS8414は表面実装のSOICとなっており、アマチュアにはCS8412のほうが扱いやすいことから人気があるようです。現在でも、入手は難しくありません。

主役のPCM1710Uは20ビットのオーディオDAコンバーターICです。ディジタルフィルターを内蔵し、デルタ・シグマ（ΔΣ）DAコンバーターに加えてアナログフィルターまで内蔵していて、(電流出力ではなく)電圧出力をする、というオールインワンのＤＡコンバーターです。外形は1.26mmピッチ、28ピンのSOIC(Small Outline IC)となっており、ハンダ付けには注意が必要です。ディジタルフィルターは８倍オーバーサンプリング、３段、合計102タップのFIRフィルターです。そのあと、さらに６倍のオーバーサンプリングをして４次、５レベルのΔΣ変調器に入ります。ＤＡコンバーター本体は、DEM (Dynamic Element Matching)を用いた５レベルのコンバーターです。「マルチレベル・デルタシグマＤＡＣ」とは、おおざっぱに言えば、マルチビット方式と１ビット方式(デルタ・シグマ)の組み合わせのような方式で、現在の24ビットＤＡＣはほとんどこの方式のようです(PCM1704のような例外もありますが)。最後に2次のアナログ・ローパスフィルターを経て、CMOS OPアンプによるバッファから出力されます。性能的には、ディジタルフィルターのパスバンド・リップルが±0.008dB，ストップバンド減衰量が-62dB、総合的なTHD+N(高調波ひずみ＋雑音)が-92dBと、現在のレベルでも、まずまずです。ミッドレンジのオーディオ用ＤＡＣと思われますが、データシートは1994年作製で、発売からはもうかなり時間がたっており、廃品種になる寸前のようです(日本ＴＩのウェッブページからはもう消えています)。現在ではエントリーレベルのＡＶアンプでも、スペック上は24ビット、96KHzサンプリングが当たり前となっており、メーカー製品に採用されることはもうないと思われます。

PCM1710はローパスフィルターを内蔵していますが、外部にフィルターを追加することが推奨されていて、ここでは３次の正帰還型のローパスフィルターを追加しています。5Vの単一電源にしたかったので、単電源レール・ツー・レール・タイプのCMOS型OPアンプIC、TIのOPA2350を用いました。これは黒田徹氏の「解析ＯＰアンプ＆トランジスタ活用」(ＣＱ出版社、2002)に、低ひずみの単電源ＯＰアンプとして紹介されていたものです。入力雑音電圧は7nV/√Hz、GB積は38MHzと立派なものです。出力インピーダンスは高め(1Kオーム)なので多重帰還型ローパス・フィルターには使いにくく、正帰還型ローパス・フィルターに変更しました。CR定数は、やはりPCM1710のデータシートに紹介されていた回路を借用しました(自分で計算するのは面倒だったので)。

電源部は、ACアダプターから8V〜12Vを入力し、電圧可変型の３端子レギュレーター、LM317Tによって5Ｖを得ています。一般的な３端子レギュレーター(7805など)に比べると部品数が少し増えますが、ADJ端子にバイパスコンデンサーを付けることにより、最大20dB程度リップル、雑音を減らせるのがメリットです。アナログ部、ディジタル部、ＰＬＬ部に分けてインダクターを通して電源を供給、それぞれ電解コンデンサーでバイパスし、さらにＩＣの電源ピンの近くで積層セラミックコンデンサー、ＯＳコンでバイパスしています。

各部の動作、設定

回路はデータシート通りとはいえ、データシートをよく読んで、設定を確認しておきます。

入力は同軸のS/PDIF(Sony/Philips Digital InterFace)で、Cirrus CS8412のRS422レシーバー部に入ります。ここは、ヒステリシス50mVのシュミット型コンパレーターです。この出力はPLL(Phase Lock Loop)に入り、ジッターを低減して、MCK(マスター・クロック、256×FS、19ピン)を生成します（FSはサンプリング周波数、CDの場合は44.1KHz)。データ(SDATA、26ピン)はシリアルデータとして、SCK(同期クロック、64×FS、12ピン)、FSYNC(=FS、LRチャンネルの同期に用いる、11ピン)とともに出力されます。データ・フォーマットは、今回は16ビット、右詰めです。フォーマットの設定は、マイクロコントローラーを使わないパラレル・モードでの設定となるので、M3(17ピン)をL (low)にして、M2/M1/M0 (それぞれ 18, 24, 23ピン) を H/L/H に設定します。データのステータスは、C0/Ca/Cb/Cc/Cd/Ce (それぞれ 6, 5, 4, 3, 2, 27ピン）に出力されます。C0はデータがプロフェッショナル・フォーマット（つまり、AES/EBUデータ)かコンスーマー・フォーマット（S/PDIF)かを出力します。今回は、普通はS/PDIFが入力されるはずで、この場合はCcにエンファシスの有無が負論理で出力されます。このディエンファシス信号は、2SC1815を用いたインバーターを介してPCM1710に入力します。他のステータス信号は今回は用いませんが、Caにはオーディオ・データかどうか(DVDのドルビー音声信号など)が、Cbにはコピー禁止ビットが、Cd, CeにはSCMS(Serial Copy Management System)関連のデータが出力されます。エラーステータスは、VERF(Validity + エラー、28ピン)、ERF（エラー、25ピン）に出力されます。せっかくの自作なので、これらのステータスをLEDで見られるようにしても面白かったかもしれません。

CS8412の出力データ、SDATA、MCK、SCK、FSYNC はそれぞれ PCM1710 のDIN （2ピン)、XTI(5ピン)、BCKIN （3ピン)、LRCIN (1ピン)に入力されます。PCM1710の設定もマイクロコントローラーを用いないパラレル・モードなので、MODE (24ピン)をLとします。このとき、データ・フォーマットはノーマル・モード(16ビット右詰め)に固定されます。CKSL (23ピン)はマスター・クロックの倍率の設定で、今回は256×FSなので、Lに設定します(384×FSの場合がHです）。ディエンファシスはDM1、DM2 (それぞれ26、27ピン)で設定しますが、今回の回路では、ディエンファシス・オンになるとHHとなり、44.1KHzのディエンファシスがかかります(32KHz、48KHzのディエンファシスは、ちょっと変になります。実用上は問題ないと思いますが)。25ピンのミュート、28ピンのDSD(倍速ダビングモード)は今回は用いません。開放のままでいいようです。11,12,18,19ピンにつながるコンデンサー(C5、C6)は、アナログフィルターの帰還回路のAC接地用です。PCM1710の出力信号の直流電位はVcc/2なので、そのままOPA2350に入力し、出力側のカップリング・コンデンサーで直流を切っています。あとはアナログ回路なので、回路図でわかるとおりです。

部品について

部品表は、このページの最後にあります。DAコンバーターを製作する場合の(アマチュアにとって)最大のハードルは、ICチップを入手することではないかと思います。今回用いた CS8412 とPCM1710 は比較的入手しやすく、両方とも若松通で入手可能です。他にも、CS8412は共立シリコンハウスでも扱っています。海外通販を使うならば、AudioChipsでは両方とも扱っているようですし、Digi-Keyでは PCM1710 を扱っています。私は、CS8412は若松通商で、PCM1710はDigi-Keyで購入しました。OPA2350もやや入手しにくい感じですが、わたしは Digi-Keyで一緒に購入しました。共立シリコンハウスでも扱っているようです。５Vで動作するレール・ツー・レールタイプのOPアンプなら何でも使えると思います。他の部品は、すべて秋葉原で購入しました。

CS8412まわりのコンデンサーに何を用いるべきかは、経験が無く、調べてもよく分からなかったのですが、とりあえず高周波特性のいいもの、ということでポリプロピレン・フィルムにしました。少しかさばるのが難点ですが、いちおう大丈夫のようです。小型のPPSフィルムや、常誘電性の積層セラミックの方がいいのかもしれません。ローパス・フィルターのコンデンサーも、すべてポリプロピレン・フィルムとしました。ここは、別にマイラーでも大丈夫と思います。電源のバイパスコンデンサーは、定番の積層セラミックと、10uFはOSコンを使いました。他の電源部のコンデンサーと、出力コンデンサーは、普通の電解コンデンサーです(オーディオ用を使ってもいいのですが...）。抵抗は、精度が問題になる部分と信号経路は1%級の金属皮膜、それ以外はカーボンです。ケースは、比較的安価なタカチのYMシリーズのYM-180を使いました。電源は、トランス式のACアダプターで、秋月電子で、なんと150円でした。スイッチング式の方が小型で、発熱も少ないようですが、どうせ内部で安定化するので、ノイズの点からはトランス式の方が有利なように思います。

製作費用は、部品表の部品の総計で8805円、他に配線材その他細かいものがあるので、全体で１万円弱くらいと思います。

製作

秋月のAE-5という、サイズ138mm×95mmのユニバーサル基板上に(電源を含めて)主要部品をすべて載せることにしました。これが出来上がった基板です。

基盤の配線の様子

経験のない高周波を使う(10MHｚくらい）ということで、配線についてはいろいろ悩みました。結局、銅箔テープを使って、CS8412とPCM1710のディジタル部分にかけてのＩＣの下の基板裏面にアース面を取り、ディジタル部分のアースはニアバイ・アースとしました。電源ラインは、その上の部品面（ＩＣソケットと、変換基板の下）に、同様に銅箔テープを貼り供給しました。ＰＬＬ部分は、基板部品面に銅箔テープを貼ってアース・グラウンドとし、ディジタル・アースとは分離しました(写真左のCS8412の下側に見える銅箔面)。アナログ部分のアースも、PCM1710の部分は銅箔テープを用いてニアバイ・アースとし、、ローパス・フィルターの部分は一点アースに近い配線をしました。全体のアースは、PCM1710のディジタル部とアナログ部の接続部分に集めています（シャーシ・アースはいい加減で、ここから取らず、出力ジャックのアースから落としています。とくにノイズの問題はないようですが、アースを集めたポイントから引くのが本当かと思います)。

電源のバイパスの積層セラミック・コンデンサーは、原則通りICのピンの可能な限り近くに配線しました。C8412については、ICソケットの足に直接、PCM1710については変換基板上でチップ積層セラミック・コンデンサーを付けています。チップ部品を使うのは初めてだったので、きれいにはできませんでしたが、一応しっかり付いています。OSコンも、なるべく近くに配置しました。CS8412からPCM1710への信号線(SDATA、MCK、SCK、FSYNC)は、最短距離と言うことで、ICソケットと基板の間を通して配線しています。

PCM1710は、サンハヤトの変換基板を用いてDIP28ピンのピッチに変換し、ピンヘッダー(背の低いタイプ)を用いて主基板に接続しています。ここは、かなり不細工な出来になってしまい、見ても分かるくらいICの取り付け位置が曲がっています。この取り付けがけっこう微妙で、いちおう導通確認はしてあったのですが、最初完成したときは、ここの接触不良で音が出なくて、しばらく悩みました。結局テスターで導通を再確認し、ハンダを追加し接続し直してトラブルが解消しました。

シャーシは、1mmのアルミなので、加工はわりと簡単です。薄いアルミを折り曲げて強度を出しており、軽量です。シャーシ本体は黒色塗装、カバーはアルミヘアーラインで、豪華ではありませんが、見栄えは悪くありません。いかにもアマチュアの試作用にぴったりの感じで、気に入りました。写真では見にくいですが、パワースイッチは赤のLEDを内蔵した黒色の照光式スイッチを使っています。困ったのは文字入れで、黒パネルなので、前回のようにレーザープリンターで透明シートに出力して貼る、という訳にはいきません(白文字は印字できない)。インスタント・レタリングを使う気もしません。仕方ないので、白いレーザープリンター・ラベルに印字して貼りました。あまり格好良くはないですが、実用上、文字入れは必須と思います(さもないと、１年後には、どう使えばいいのか知るために内部をのぞき込むことになりかねません)。

配線が終わって、カバーを付けない状態で前後から見るとこんな感じです。

完成したフロントパネルは最初にあります。これがバックパネ ルです。

背面の様子

測定結果

このDAコンバーターの入力ソースを兼ねて購入したオーディオ・カード、M-AudioAudiophile 24/96 と、オープンソースのオーディオ測定ソフト、RightMark Audio Analyzerを用いて測定をしてみました。Audiophile 24/96 のディジタル出力からこのDACに入力し、DACの出力を Audiophile 24/96のアナログ入力に入れて、ループバックで測定します。データ語長はもちろん16ビット、サンプリング周波数は44.1KHｚです。測定結果のサマリーはこうなりました。

測定結果の詳細は、ここです。サマリーを見ると、一応きちんと動いていることが分かります。周波数特性は、やや高域の減衰が早いような気がします。これは、フィルターの設計の問題で、ディジタル・フィルターがあるのだから、もう少し出力（アナログ）フィルターのカットオフを上げるべきかもしれません。

ノイズについては、ホワイトノイズのフロアーは-130dBくらいで十分低いのですが、原因不明の500Hzのノイズが気になります。レベルは-110dBくらいなので、実用上問題ではありませんが。ダイナミックレンジは、-60dBの1KHz信号を入れて、ひずみ+ノイズとの比を取って算出しているのですが、こんどは、1.5kHz, 2.5KHz, 3.5KHzにもスペクトルが見えています。これは、上の500Hzのノイズとの積(非線形効果)で出ているものと思われます（もちろん、レベルは低いのですが）。THDは-3dB、1KHzの信号の高調波ひずみを測定しています。数字上は0.01%程度で悪くないのですが、かなり高次の高調波まで出ています。Audiophile 24/96のループバックの結果と比べると、かなり見劣りする部分です(他もそうですが)。IMひずみは、19KHzと　20KHzの信号を入力して、非線形性によって生じる成分を測定しているのですが、THDと同じような傾向です。クロストークは、高域でやや上昇していますが、問題ない大きさです。内部配線にシールド線を使えば、もう少し下がるかもしれません。低域では、電源からの回り込みなどは全く見られません。

全体として、絶対値としてはそう悪くはないけれど、改善の余地はまだまだある、という感じです。とにかく、「普通に動作している」ということで、ひと安心です。

まとめ

測定結果から期待できるとおり、ごく普通に音が出ました。「試聴システム」と言えるようなものはありませんし、聞き込んでもいませんが、印象としては、Audiophile 24/96よりいい音には聞こえません(情けない感想ですが)。実用的には、まずまずのＤＡコンバーターではないかと思います。

今回の測定結果を見ると、量は少ないとはいえ、ひずみ、特に高次の高調波ひずみが気になります。もしかすると、ローパスフィルターに使っている、低電圧動作のＣＭＯＳ-ＯＰアンプの問題かもしれません。この辺は、別にアンプを作って測定するなどして追求するべき部分と思います。高域の減衰がやや早いのも、気にかかります。いずれも、アナログ回路の部分の問題点で、アナログ回路部分にもっとリソースを費やすべきではないか、というのが今回の反省点です。もっとも、そのためには電源の拡張が必要で、ＡＣアダプターという訳にもいかないし、全体にひと回り大掛かりにならざるを得ません。今回は、「最初から高性能は無理だろうから、せめて手軽なものにしよう」という制作意図もあったので、こんなところかな、と思わないでもありません。ＤＡコンバーターの設計、製作は、とても面白く、自分に合った趣味のように感じました。試してみたいことは、たくさん思いつくので、これからトライしていきたいと思います。

最後に、恒例の大きさの比較です。Headphone Amp No.2 と比べると大きいけれど、幅18cmですから、けっこう小型のDACです。CDジャケットよりもう一回り大きいサイズです。

CDジャケットと、ポータブル・ヘッドフォンアンプと並んで。
CDは、Phillip Picket & Richard Thompson "The Bones of All Men".