ASUS Xonar STX MOD 4

AUDIOMOD.RU

Представляю свою разработку по улучшению всем известных карт ASUS Essence STX/ST. Про эти карты достаточно много написано, есть много твиков и

возможностей улучшить качество звучания исходной карты. Этими твиками занимался в том числе и я сам. Там и установка клока и очистка питания,

пересчет фильтров, замена ОУ и другое. Однако, по прошествии времени стало ясно, что все эти действия являются полумерами и не обеспечивают такого

же уровня "погружения" в музыку, как внешние ЦАПы. Карту можно заставить тембрально звучать как очень хороший ЦАП, на уровне самых дорогих

аппаратов, но вот звучит она все равно плоско и не так интересно.

Стало ясно, что качество звучания ограничивает сам DSP CM-8878 от С-Media, который не проектировался для столь амбициозных целей, как переигрывания

ЦАПов за десятки тысяч рублей. Повышенный фазовый шум (он же джиттер) на частотах кратных 44,1 КГц, а так же неудовлетворительное качество

звучания в частотах кратных даже 48 КГц привело к мысли, что клоку, выдаваемому DSP на ЦАП, жизненно необходим реклок от более качественного

генератора. Кроме того, если говорить о косяках, то сама карта от Asus спроектирована крайне безграмотно (чего стоит только питания DSP и ЦАП

напрямую от материнской платы), поэтому о каком-то прогрессе, при иcпользовании такой разводки говорить сложно.

НО почему тогда Asus было не взять карту с каким-то другим DSP? Ответ прост - до сих пор, у чипа CM-8878 самые нормальные драйвера и полноценный bit-

perfect в ASIO режиме. Как бы не ругали Asus, но у конкурентов все еще хуже: нет игровой поддержки, нет DTS и Dolby, куча глюков или пожизненный

пересчет частот, как у Creative. Драйверы от CM-887x самые пригодные и не вмешивающиеся в исходный сигнал, как при выводе в ЦАП, так и передаче по

SPDIF на другие аппараты.

В свете вышеперечисленных фактов, мной, на протяжении нескольких лет, были изготовлены несколько Модов карт ASUS STX/ST. По сути Моды

представляют собой новую плату, на которую переносится ЦАП и то, что не сделали инженеры Asus. На основной плате остается лишь DSP и АЦП.

Остальное я делаю с нуля, для ухода от безграмотной разводки. В каждом новом Моде применялись самые разные решения, как в организации питания и

выхлопа ЦАП, так и по улучшению клока поступающего от DSP. Все это позволило выяснить, как обеспечить максимальное качество звучания, при

адекватных материальных затратах.

Первостепенной задачей является улучшение точности клока сигнала I2S, поступающей на ЦАП. Это можно сделать разными способами - от простейшего

реклока на D-триггерах, до использования программируемой логики (ПЛИС). Однако, с максимальным соотношением качество/цена, удобно делать это на

специализированных асинхронных ресемплерах (ASRC).

Во всех Модах я использовал микросхему от TI - SRC4192. Она показала очень высокое качество цифрового сигнала. Но все же использование её ведет к

недостатку, связанному с тем, что для того, чтобы она работала в синхронном режиме, нужно соответственно использовать мастер клок, синхронный и

кратный поступающей частоте дискретизации. Для этого, разумеется, нужно два генератора, каждый для частот кратных 44,1 и 48КГц. В Asus, как известно,

генератор один, подходящий для частоты 48КГц. Поэтому, при синхронизации ASRC от него, частоты кратные 44,1 подвергаются внутреннему пересчету

(ресемплер способен работать в асинхронном режиме, что следует из названия), это приводит к заметному ухудшению качества, как при измерениях, так и

на слух.

Это не дает в полной мере раскрыть как возможности ЦАПа, так и способности DSP передать сигнал без изменений (bit-perfect) на ЦАП.

В четвертом, завершающем Моде ASUS Essence STX я применил технические решения, чтобы полностью исключить этот недостаток, причем без

использования дорогостоящих решений типа "Чистюли" (см. форум Vegalab), организованных на современных низкоджиттерных программируемых PLL. Были

использованы практически аналоговые решения фазовой автоподстройки частоты, отработанные годами, не создающие побочных помех при работе и не

нуждающиеся в программировании.

Так же были применены и другие решения, выразившие свою оптимальность в отличном звучании 4-го Мода. Рассмотрим их подробнее.

Цифровая часть

Рассмотрим логику работы шаг за шагом.

Цифровой сигнал в формате I2S с DSP поступает на входной буфер, обеспечивающий изоляцию напряжений питания собственно DSP от цифровой части,

находящейся на плате Мода. Кроме функции защиты от помех, буфер так же формирует качественный сигнал, для работы последующих цепей. Так же,

буфер косвенно уменьшает джиттер DSP, возникающий из-за нестабильности питания.

Далее, сформированный по уровням сигнал I2S с буфера поступает на микросхему ASRC, схему ФАПЧ (фазовая автоподстройка частоты) и блок,

определяющий конкретную частоту дискретизации, которая сейчас приходит с DSP.

Блок определения частоты собран по аналогово-цифровой схемотехнике. Принцип его работы очень прост - он перебирает по очереди все частоты

дискретизации, пока система ФАПЧ не синхронизируется и не остановит работу блока определения частоты. Для определения текущей частоты нужно не

более 0,3 секунд. В этом состоянии блок определения полностью неактивен и не оказывает какого-либо влияния на работу остальной части схемы.

В отличие от решений с микроконтроллерами или программируемых PLL это является плюсом, поскольку для работы микроконтроллера нужен свой задающий

генератор, способный наводить помехи на остальную высокоточную часть схемы.

Блок определения частоты формирует необходимые сигналы для управления кварцевыми генераторами и формирования частоты мастер клока,

соответствующей той, что в данный момент приходит с DSP. Неиспользуемый кварцевый генератор неактивен и не наводит помехи на работающий, как в

большинстве других заводских устройств с двумя кварцевыми генераторами. Для удобства пользователя, текущая частота дискретизации отображается

светодиодным индикатором. При этом ФАПЧ синхронизирует частоты таким образом, что изменения или джиттер клока DSP практически не оказывают

влияния на сформированный мастер клок. Это происходит потому, что частота среза замкнутой цепи ФАПЧ составляет 2Гц. То есть джиттер DSP выше этой

частоты будет подавлен.

Сформированный с помощью ФАЧП мастер клок поступает на ASRC, ЦАП и систему вывода цифрового сигнала, организованного на SPDIF передатчике DIT

(DIT4192).

Микросхема ASRC (SRC4192) в карте может работать в двух режимах: как простой реклок и как ресемплер. В любом случае формированием сигнала I2S,

приходящего на ЦАП и DIT занимается исключительно она. То есть "некачественный" I2S сигнал с DSP более никак не фигурирует в дальнейшей работе.

DIT нужен для того, чтоб вывести максимально качественный SPDIF сигнал, ведь он синхронизируется так же от качественного мастер клока. По сути, с

выхода SPDIF мы может снять (и проконтролировать) цифровой сигнал (I2S), приходящий на вход ЦАПа PCM1792A. Измерения в режиме вывода в ASIO

показали его полную битперфектность с тем, что воспроизводит плеер.

После DIT цифровой сигнал приходит на дополнительный буфер с дифференциальным входом и собственным источником питания, нужный для того, чтоб ток

нагрузки SPDIF передатчика DIT не создавал дополнительный джиттер и не влиял на работу ASRC и ЦАПа.

Кроме того буфер может быть переключен (DIP переключателем) на передачу SPDIF сигнала непосредственно от DSP. Это нужно, если, например,

необходимо передать многоканальный звук в DTS формате на рессивер. В этом случая SPDIF выход работает как стандартный, через драйвер карты.

Помимо вышеперечисленных функций цифровая часть схемы может обеспечивать ресемплинг входящей частоты в выбранную, DIP переключателями. Это

может быть полезно, если вам нравится окраска звука, при определенной частоте дискретизации ЦАПа (внутреннего PCM1792A или внешнего,

подключенного к SPDIF выходу карты). Существующие варианты:

BYPAS - в этом режиме не происходит какого-либо измерения цифрового сигнала, ASRC работает исключительно как реклок сигнала I2S

44/48 - ресемплинг всех частот, приходящих с DSP в кратную 44,1 или 48, в зависимости от входной частоты

88/96 - ресемплинг всех частот, приходящих с DSP в кратную 88,2 или 96, в зависимости от входной частоты

176/192 - ресемплинг всех частот, приходящих с DSP в кратную 176,4 или 192, в зависимости от входной частоты

Разумеется, при использовании DIT, частоты на SPDIF выходе будут так же конвертированы в указанные переключателями.

Аналоговая часть

Выполнена практически по даташитной схеме для ЦАП PCM1792A. Именно эта схема дает максимальные измеряемые параметры, не зря её указывают в

даташитах. Однако, предприняты меры, позволяющие без ухудшения метрических данных улучшить качество звучания и сделать менее зависимым от

примененных операционных усилителей.

В секции преобразователя ток-напряжение применены выходные буферные транзисторы для операционных усилителей. При этом буферные каскады охвачены

ООС вместе с операционниками и по сути являются их продолжением. Это позволяет практически полностью разгрузить выходной каскад операционного

усилителя, дополнительно уменьшив нелинейные искажения. Кроме того, вынос токонагруженной части из ОУ приводит к устранению динамических тепловых

искажений, которые и влияют на субъективное качество звучания. Все это позволяет использовать в секции ток-напряжение более дешевые и не такие

мощные операционные усилители, без ущерба для звука. Например, стало возможным использование операционных усилителей OP42, OPA604, обладающих

прекрасной линейностью, но маломощным выходным каскадом. Даже недорогие NE5534 стали звучать чисто и детально.

В цепи обратной связи используются точные металлопленочные MELF резисторы и полипропиленовые фольговые конденсаторы, что, впрочем, не мешает

установить туда и высоковольтную керамику, которая дает менее окрашенный звук.

В секции фильтра-сумматора применена типовая схема из даташита, но пересчитанная, с увеличенными в три раза номиналами резисторов, для обеспечения

меньшей нагрузки на операционный усилитель. Так же используются полипропиленовые фольговые конденсаторы, или высоковольтная керамика.

В выходной секции использован буфер на дискретных элементах и достаточно мощных транзисторах. Этот буфер не охвачен общей обратной связью и

служит для нескольких целей:

Первая и основная - отделить операционный усилитель от нагрузки, а значит опять же уменьшить искажения.

Отсутствие обратной связи в буфере позволяет исключить нежелательные колебательные процессы, при взаимодействии с буфером кабеля (или нагрузки),

обладающего высокой емкостью или индуктивностью.

Кроме того, буфер имеет выходную мощность, достаточную для раскачки низкоомных наушников, то есть он служит усилителем наушников. При этом,

отсутствие ООС самым положительным образом сказывается на звучании (несмотря на бОльшие искажения под нагрузкой). Была предпринята попытка

охвата буфера общей ООС с ОУ (как в секции ток-напряжение), но по звучанию (несмотря на лучшие измеряемые параметры под нагрузкой) это не

принесло нужного результата. Поэтому буфер можно считать чисто аудиофильской концепцией усилителей без ООС.

Предисловие

Питание

Качественное питание элементов схемы - залог качественного звучания. Питание определяют большую часть окраски звука и является решающим, при

построении High-End систем звуковоспроизведения.

В предыдущих модах я старался использовать "модные", в кругах самодельщиков, параллельные стабилизаторы, для отсутствия зависимости звука от

электролитических конденсаторов, условий питания, и в целом, для общей экономии на дорогостоящих аудиофильских емкостях. Однако все эти попытки не

увенчались серьезными успехами - параллельные стабилизаторы не спасают от зависимости от качества питания и, кроме того, сами вносят довольно

сильную коррекцию в тембральный баланс устройства. Они хорошо работают на низких частотах, а на средних и высоких, так или иначе, звук все равно

зависит от блокировочных емкостей.

В четвертом моде применена совершенно другая концепция - очень логичная и правильная - основной источник питания напрямую подключен к

потребителю. Нет каких то промежуточных звеньев, регулирующих элементов (стабилизаторов) и прочего, что ухудшает динамические характеристики

источника питания. В качестве источников питания выступают накопительные батареи танталовых конденсаторов большой емкости, шунтированные большим

количеством керамических конденсаторов. Причем сама 4-х слойная плата спроектирована так, что под обкладки получившегося "суперконденсатора"

использованы цельные полигоны фольги (как и для земляной шины). Эти же полигоны используются для подключения потребителей, что обеспечивает

сверхнизкое активное и реактивное сопротивление - то есть минимум потерь в плате.

Хоть тантал и не часто применяется в аналоговых аудио цепях, и сам по себе, в единичном экземпляре, дает посредственный звук, он использован по

нескольким причинам. Одна из них - довольно высокое внутрение сопротивление (ESR) и низкая индуктивность, что в итоге дает низкую добротность.

Поэтому, при объединении танталовых конденсаторов и шунтировании их керамикой, не возникают паразитные колебательные контуры, которые приводят к

"грязному", неприятному звучанию и перекосу тембрального баланса в какую либо сторону. При объединении достаточного количества качественных

танталовых конденсаторов, получается емкость с низким ESR, дающая чистый, но в то же время честный, не приукрашенный звук. Кроме того, парамеры

тантала не меняются со временем или при повышенных температурах, как у электролитических конденсаторов - то есть присутствует высокая

повторяемость параметров. Единственный недостаток - цена.

Все цепи потребители на плате Мода 4 питаются от таких танталовых батарей конденсаторов. Естественно, что цифровые и аналоговые цепи разделены и

имеют свои собственные стабилизаторы и собственные батареи конденсаторов. Стабилизаторы, собраны на малошумящих микросхемах LM723, служат в

первую очередь для поддержания заданного напряжения на конденсаторных батареях, они отделены от них индуктивностями. Кроме того в индуктивностях

тоже частично накапливается энергия, расходуемая на пиках нагрузки. Преимущества использования микросхем LM723 заключается в том, что они мягко

ограничивают ток заряда батарей конденсаторов, при включении компьютера.

Сервисные цепи реле и АЦП, остающиеся на плате ASUS, используют источник питания +5 вольт, формируемый, как обычно, с помощью стабилизатора

L7805.

Все стабилизаторы питаются от напряжения +12 вольт, с PCI-E разъема. Для лучшего качества питания, поступающего оттуда, использованы 8 банок

твердотельных конденсаторов по 470 мкФ, представляющих собой дополнительную буферную батарею.

Поскольку для питания аналоговой части необходимо отрицательное напряжение, а в PCI-E разъеме его неоткуда взять, пришлось использовать импульсный

преобразователь из +12 вольт в -12. Преобразователь работает на высокой частоте (1 МГц) и расположен в максимально дальнем углу платы, развязан

дросселями, для исключения помех.

Так что Моду 4 для своей работы необходимо только напряжение +12 вольт и, при желании, его можно взять с внешнего блока питания (а так же -12 вольт,

отключив преобразователь).

DSP получает питания как обычно, с материнской платы. Это не имеет особого значения, так как предприняты меры по реклоку сигнала I2S, зато

существенно удешевляет конструкцию и уменьшает нагрев.

В результате имеем звуковую плату, по качеству звучания превосходящую многие внешние ЦАПы. Измеренные же параметры говорят сами за себя.

Как видно, имеем сверхнизкие нелинейные искажения и отношение сигнал/шум одинаковые для всех частот дискретизации, а это значит, что система ФАПЧ

и новый клок имеют высокое качество реализации в цифре. В аналоговой части тракта тоже нет никаких проблем, иначе просто невозможно было бы

добиться таких параметров.

Для получения более подробной информации о Моде, стоимости приобретения, Вы можете обратится по координатам в контактных данных.

Возможно предварительное прослушивание звуковой карты.

Также возможен подбор операционных усилителей и звучания под Вашу, конкретную, аудиосистему.