Апгрейд ОУ в ЗК: зачем и на что?

для раздела Блоги

Качество воспроизведения звука... сколько копий уже сломано, и сколько ещё сломят - страшно представить. Благодаря повсеместному использованию персональных компьютеров качественный звук стал значительно доступнее, чем, скажем, лет 10 назад. А прогресс мультимедийной акустики можно наблюдать невооруженным ухом, звуковые карты семимильными шагами догнали недорогую бытовую технику. Причем по заявленным характеристикам (используемым цифроаналоговым преобразователям, далее - ЦАП) более-менее дорогие звуковые карты даже превосходят многие проигрыватели компакт-дисков, только вот на поверку это превосходство зачастую не подтверждается. В чем причина?

Существует распространённое заблуждение, что в компьютере очень неблагоприятный электрический фон, который и не позволяет ему хорошо звучать. Измерения профессиональных карт это опровергают - при наличии качественного блока питания и нормальной материнской платы спектры сигналов идеально чистые.

Гораздо более грамотным объяснением является используемая элементная база. Компьютерные инженеры слабо подкованы в аудиотехнике, поэтому зачастую используют типовые схемы включения и самые доступные компоненты. Тогда как адепты от электроники щепетильно высчитывают режимы работы каждого каскада и их согласованность между собой, используя ровно такое количество и качество компонентов, которое не повредит общим характеристикам изделия.

Значит ли это, что звуковую карту нельзя улучшить без полной переделки? Отнюдь! Получить ощутимое улучшение качества можно и с минимальными затратами. В этой статье я хочу конгламерировать опыт множества людей, подкрепив его теоретическими изысканиями.

Тракт воспроизведения в современных звуковых картах построен следующим образом: PCM-кодированный звуковой поток (например с Audio CD) поступает на ЦАП, где преобразовывается цифровым фильтром в меньшую разрядность, но значительно большую частоту (до 33 МГц), затем фильтруется цифровыми алгоритмами для отсечения составляющих выше половины частоты дискретизации исходных данных (как того требует теорема Котельникова), после чего преобразовывается в аналоговый сигнал дельта-сигма конвертерами. Для чего все эти сложности - тема отдельная, однако на выходе ЦАП мы получаем некий аналоговый сигнал со спектром, на порядки шире звукового диапазона. Ультразвуковые составляющие затем отфильтровываются аналоговым усилителем на операционных усилителях, которые не должны ухудшать паспортные характеристики ЦАП. А вот тут-то есть загвоздки. Операционные усилители в массовых звуковых картах не удовлетворяют даже элементарным требованиям в данной области применения!

Простейший пример: для полноценной работы фильтра низких частот после ЦАП, полоса усиления ОУ должна превышать частоту среза хотя бы в 100 раз. Аналоговый фильтр, чтобы не вносить дополнительных искажений АЧХ и ФЧХ в звуковой диапазон, обычно ограничивается вторым порядком и настраивается на частоту не менее 50 кГц. Если же он, по совместительству, является и усилителем напряжения до стандартной в аудиотехнике величины 2 В, то требования к полосе усиления необходимо увеличить ещё минимум в два раза. Итого получаем цифру 10 Мгц как минимально-допустимую. Тогда как у большинства из встречающихся на звуковых платах ОУ полоса усиления даже в идеальных условиях меньше.

Исключением здесь выглядит NJM4580, который используется на таких известных звуковых картах, как Terrateс Aureon Sky/Space, Audiotrak Prodigy 7.1, M-Audio Revolution 5.1, ESI Juli@ и Maya 44. Только вот у этого операционного усилителя далеко не идеальные характеристики по искажениям...

Как я уже упоминал, искажения ОУ при заданном коэффициенте усиления (обычно 1 или 2), должны быть ниже, чем искажения ЦАП. Причём заметно ниже в звуковом диапазоне, и очень желательно, не принципиально выше в сверхзвуковом, в связи со спецификой дельта-сигма преобразователей. Наведённый ими ультразвуковой шум, умноженный и обогащенный искажениями усилителя, обязательно увеличит интермодуляционные искажения в звуковой области. Кроме того, специфика музыкального сигнала требует, чтобы уровень искажений мало зависел от амплитуды сигнала, а возможность подключения наушников непосредственно к звуковой карте требует ещё и слабой зависимости искажений от сопротивления нагрузки. Тут ещё следует делать поправку на максимальное усиление ОУ: чем оно выше, тем глубже получается обратная связь и тем меньше уровень искажений в стационарных условиях, в которых обычно проводятся измерения. Однако лучше будет звучать тот усилитель, который обеспечивает заданный уровень искажений при меньшей глубине обратной связи, т.е. имеющий меньший коэффициенте усиления.

Удовлетворить всем этим требования способен редкий ОУ. Давайте рассмотрим кандидатов, проходящих по первому критерию - полосе усиления. Первым по алфавиту идёт Analog Devices. Воспользуемся очень удобным параметрическим поиском по следующим параметрам:
Vcc-Vee 24 Вольта. В звуковых картах ОУ чаще всего питаются прямиком от блока питания.
Amplifiers Per Package 2. Нам нужно заменить штатные без переделки платы.
V or I Feedback Voltage, по той же причине.
Отсортируем список по Small Signal Bandwidth. Этот параметр не всегда равен частоте единичного усиления, но за неимением в поиске другого...

Парад открывает малоизвестный в аудиофильских кругах AD8019.
До 92 дБ и 80 МГц усиления.
Уровень гармоник ниже -85 дБ даже при нагрузке 10 Ом и коэффициенте усиления 10, причем очень слабо зависят от амплитуды напряжения и тока, а также частоты.
Очень ровная фаза в широком диапазоне частот.
Учитывая его малошумность, выглядит очень заманчивым вариантом, с двумя оговорками: очень слабое подавления пульсаций питания и только SOIC исполнение.

Вторым по списку следует как раз хорошо известный и получающий самые лестные отзывы AD8066.
До 114 дБ и до 65 МГц усиления.
Очень удобно, что искажения приведены и для двукратного усиления: уровень гармоник значительно ниже -95 дБ при нагрузке более 150 Ом.
Амплитуда тока на выходе до 30 мА, что может быть не достаточно для части низкоомных наушников. Хорошее подавление пульсаций.
Универсальный и очень качественный по звуку операционный усилитель. Для звуковых карт это один из главных кандидатов в любом включении.
Доступен как в SOIC, так и в MSOP корпусе.

AD8022
Усиление до 72 дБ и до 100 МГц!
При КУ=1 на нагрузке 500 Ом уровень гармоник не превышает -110 дБ!
Сверхмалошумящий, плюс имеет вдвое большую нагрузочную способность, чем AD8066 и по всем признакам, должен звучать как минимум не хуже его. Единственное "но" - посредственное подавление пульсаций напряжения.
Доступен как в SOIC, так и в MSOP корпусе.

AD828
Компенсирован для КУ=2 (-1) и более!
Усиление до 80 дБ и до 100 МГц!
Способен обеспечить 2 В амплитуды даже на нагрузке 10 Ом! Без искажений выдаёт в нагрузку до 50 мА тока.
Уровень гармоник при КУ=2 плавно стремится к -100 дБ, что также можно считать великолепным результатом.
Малошумен и обладает хорошим подавлением пульсаций.
Обилие восклицательных знаков должно к чему-то обязывать. И правда, по отзывам, ОУ звучит замечательно, но далеко не во всех схемах стабилен, поэтому может быть разумным не уповать на везение и присмотреться к другим ОУ.
Доступен в SOIC и DIP корпусах.

AD8034
Усиление до 96 дБ и до 40 МГц.
На нагрузке 1 кОм уровень гармоник находится ниже -100 дБ, однако уже на 500 Ом подскакивает до -85. Причем третья гармоника по уровне заметно больше второй, что не есть хорошо.
Остальные параметры весьма приличные, архитектурно чип является родственником AD8066 и, скорее всего, характер звука будет схожий.
Доступен в SOIC корпусе.

AD8397
Усиление до 96 дБ и до 35 МГц.
Уровень гармоник при КУ=2 и нагрузке 25 Ом ниже -100 дБ! Зависимость искажений от частоты и амплитуды сигнала очень слабая.
В придачу ко всему, усилитель сверхмалошумящий.
Но без ложки дёгтя, как всегда, не обошлось - подавление питания оставляет желать лучшего.
Доступен в SOIC корпусе с металлическим "брюшком" для улучшения теплоотвода.

AD826
Усиление до 77 дБ и до 50 МГц.
Фактически является скомпенсированным для единичного усиления AD828, со всеми его достоинствами, но значительно более стабильный! Небольшая потеря в уровне подавления пульсаций питания компенсируется способностью легко выносить ёмкостную нагрузку.
Доступен в DIP и SOIC исполнениях.

AD827 фактически является клоном предыдущего, с ослабленным выходным каскадом и в другом корпусе. При этом стоит в полтора раза больше :)

Широкоизвестный в узких кругах AD8620 на фоне уже рассмотренных моделей блещет не особо: огромный коэффициент усиления (более 105 дБ) при полосе до 25 МГц, искажения менее 0.001%, но резко растут с уменьшением сопротивления нагрузки. Его звучанием многие довольны, только вот для наушников обязательно будет нужен дополнительный усилитель тока (буфер).
Неприлично высокая цена объясняется его превосходными характеристиками по постоянному току (что для звука совершенно не актуально) и их температурным постоянством, а также потрясающе низкой чувствительностью к ёмкостной нагрузке, отличным подавлением пульсаций и непревзойдённой стабильностью в любых включениях.
Доступен только в SOIC корпусе.

Новинка! AD8599
Сверхмалошумящий с усилением до 10 МГц и 116 дБ. Искажения менее 0.0005% на нагрузке 2 кОм, но возрастают до 0.002% при 600 Ом. Зато очень либерально относится к ёмкостной нагрузке, имеет отличное подавление питания и выходной ток до 50 мА.
Доступен только в SOIC корпусе.

AD823
Усиление до 95 дБ и до 9 МГц.
Искажения ниже -100 дБ, но при выходных токах более 20 мА лавинообразно растут. Соответственно, на нагрузке 32 Ома отдаваемая без искажений мощность составит всего 6 мВт, что явно не достаточно для комфортного прослушивания.
По всем остальным параметрам, кроме подавления пульсаций питания, ОУ очень хорош, его звук хвалят за мягкость.
Доступен в DIP и SOIC исполнениях.

AD746
Компенсирован для КУ=2 (-1) и более!
Имеет большой коэффициент усиления (до 118 дБ), но полоса усиления лишь 10 Мгц, т.е. в наши требования он уже вписывается со скрипом.
Искажения в звуковом диапазоне не превышают -110 дБ, ОУ обладает неплохим подавлением пульсаций, работоспособен при низкоомной нагрузке (при токах менее 20 мА), однако сам производитель почему-то рекомендует его максимум для 14-битных ЦАПов. Скорее всего это относится к стадии I/U преобразования, которое в большинстве звуковых карт уже встроено в ЦАП, посему данный ОУ как минимум достоин рассмотрения.
Характер вносимых искажений близок к пресловутому звучанию Burr-Brown.
Доступен в DIP и SOIC исполнениях.

AD712
Компенсированная для единичного усиления версия предыдущего усилителя.

AD8676
Усиление до 72 дБ, полоса до 10 МГц.
Сверхмалошумящий, имеет отличное подавление пульсаций, но очень слабый выход (до +-20 мА тока). Данных об искажениях не приводится.
Доступен как в SOIC, так и в MSOP корпусе.

AD8672
Выглядит "ускоренной" версией предыдущего. Огромаднейший коэффициент усиления (135 дБ), полоса усиления до 10 МГц. Искажения крайне низки, но выходной каскад не справляется с большой амплитудой сигнала при низкоомной нагрузке.
Доступен как в SOIC, так и в MSOP корпусе.

OP275
Весьма популярный в аудиофильских кругах продукт. Усиление до 104 дБ, полоса до 9 МГц, хорошее подавление пульсаций, искажения ниже 0.001% в широком диапазоне выходных напряжений при сопротивлении нагрузки выше 100 Ом. Однако с ним есть сложность: при неинвертирующем включении необходимо подбирать сопротивление резисторов обратной связи пропорционально выходному сопротивлению предыдущего каскада (в нашем случае ЦАП, а для них выходное сопротивление не афишируется), чтобы избежать значительного роста искажений на частотах выше 1 кГц. Проблема неактуально, если ОУ применяется в инвертирующем включении или как дифференциальный сумматор.
Доступен в DIP и SOIC исполнениях.

OP285
Копия предыдущего, что-то вроде отборных зёрен (селекция по напряжению смещения), за счет чего и стОит гораздо дороже. Доступен только в SOIC корпусе.

AD8512
Усиление до 100 дБ, полоса до 8 МГц.
Хороший выходной ток (до 70 мА), отличное подавление пульсаций, малошумящий, искажения на высокоомной нагрузке ниже 0.0001%. Однако насколько они увеличатся при подключении наушников - не известно. По отзывам, звучит немного грубее AD823, с меньшей натуральностью высоких частот, но лучшей проработкой баса.
Доступен как в SOIC, так и в MSOP корпусе.

Необходимо заметить, что производитель предлагает всем желающим ознакомиться со своей продукцией бесплатно, осуществляя рассылку ограниченного количества (по две штуки не более трёх наименований) микросхем средствами TNT International. Доставка в Москву занимает около месяца.

Ещё один известнейший производитель продукции с музыкальным уклоном - National Semiconductor. Компания также предлагает бесплатные образцы продукции для ознакомления, но берёт деньги за доставку (около 20 долларов).

LM4562
Усиление до 140 дБ, полоса до 30 МГц.
Сверхмалошумящий, с невероятно низким заявленным уровнем искажений. Нагрузку в 600 Ом переносит без увеличения искажений, выходной ток до 20 мА, отличное подавление пульсаций. По отзывам, звучит фантастически, без малейших признаков окрашивания. Звук стерилен до такой степени, что некоторые предпочитают другие ОУ. Однако независимые тесты показали, что ему свойственна проблема, описанная выше для OP275. Впрочем, если ОУ используется в качестве сумматора после ЦАП с дифференциальными выходами, звучание получается ощутимо лучше, чем с OPA2132/4.
Доступен в DIP и SOIC исполнениях.

Практически идентичными параметрами обладают LME49720 и LME49860. Последний отличается способностью работать при напряжении питания 44 В, в отличие от 34 В у двух предыдущих.

LM6172

Усиление до 86 дБ, полоса до 100 МГц!
Малошумящий, искажения ниже -100 дБ на нагрузке 100 Ом, до 50 мА выходного тока. Мечта аудиофила, если бы не склонность к самовозбуждению - усилитель далеко не всегда стабилен. Однако когда разводка платы подходящая, его звуком довольны все.
Доступен в DIP и SOIC исполнениях.

LM6152

Ничем не примечательный ОУ, не обращайте внимания.

LM7372

Усиление до 85 дБ, полоса до 120 МГц!
Выходной ток до 150 мА, уровень гармоник в 100 дБ, вроде всем хорош... но при сопростивлении нагрузки ниже 150 Ом искажения начинают резко расти, преодолевая в итоге планку -80 дБ.
Компенсирован для КУ=2 (-1) и более!
Доступен в SOIC корпусе.

LM833

Усиление до 115 дБ и до 10 МГц.
Малошумящий, хорошее подавление пульсаций, но слабый выходной каскад. Искажения превышают 0.001% уже при нагрузке 1 кОм.
Очень старый ОУ. Отзывы о звучании противоречивы.

Linear Technology не столь известна, как Analog Devices или National Semiconductor, но выпускает продукцию не менее интересную с точки зрения звука и, что немаловажно, также предлагает бесплатные образцы продукции для ознакомления.

Воспользуемся параметрическим поиском по следующим критериям:
Channels = 2
GBW >= 10
Type != CFA
Vs Max > 12
Av Min Stable = 1

В получившемся списке оказались несколько позиций, несовместимых по цоколёвке или назначению, их я пропущу.

LT1208 DIP, SOIC

Усиление 77 дБ до 8 кГц, полоса 45 Мгц, нарастание до 400 В/мкс, хорошее подавление и выходной ток, стабилен с ёмкостной нагрузкой, но overshoot более 20%. Искажения менее -0.002% в звуковом диапазоне, далее резкий рост.

LT1211 SOIC

LT1213 SOIC

LT1215 SOIC

Семейство из трёх ОУ с низкими входными токами и разным быстродействием (от 14 МГц и 7 В/мкс до 23 МГц и 50 В/мкс).
Усиление до 130 дБ, отличное подавление, искажения 0,0007% до 4 кГц, далее рост как у LT1208.
Рекомендуются производителем для I/U. LT1213 отличается повышенным overshoot, а LT1215 повышенными смещениями.

LT1352 DIP, SOIC

Искажения больше 0.002%

LT1355 DIP, SOIC

LT1358 DIP, SOIC

LT1361 DIP, SOIC

LT1364 DIP, SOIC

Семейство из четырёх ОУ с малым (LT1355 и LT1358) и очень малым (LT1361 и LT1364) временем установки, различающихся быстродействием (от 12 МГц и 400 В/мкс до 70 МГц и 1000 В/мкс).
Неплохое подавление, повышенная стабильность при ёмкостной нагрузке, искажения в неинвертирущем включении порядка 0,0007% до 2 кГц.
Звучание LT1364 хвалят.

LT1469 DIP, SOIC

Экстремально низкий уровень искажений на высокоомной нагрузке и отличное подавление, усиление более 110 дБ, полоса до 45 МГц, нарастание до 22 В/мкс.
Малый выходной ток и небольшая индифферентность к ёмкостной нагрузке. Превосходный вариант для I/U.

LT1498 DIP, SOIC

LT1630 DIP, SOIC

LT1632 DIP, SOIC

LT1678 SOIC

Малошумящий, с огромным усилением, отличным подавлением, малым overshoot. Но искажения резко растут уже с 1 кГц.

Среди операционных усилителей с низкими входными токами обнаруживаются несколько потенциально интересных микросхемы.

LT1057 DIP, SOIC
SR=14 В/мкс, GBW=5 МГц, Av=110 дБ, нулевой overshoot, неплохое подавление

LT1457 DIP, SOIC
практически по всем параметрам повторяет предыдущий, но SR=4 и GBW=1.7

LT1169 DIP, SOIC
SR=4.2, GBW=5.3, Av=133, THD<0.0004% на частотах ниже 1 кГц и плавный рост. малошумящий, неплохое подавление, минимальный overshoot, растущий только при ёмкости нагрузки больше 100 пФ, входная ёмкость менее 2 пФ

LT1113 DIP, SOIC
практически по всем параметрам повторяет предыдущий, но SR=3.9, GBW=5.6 и Cin>14 пФ

В ассортименте Texas Instruments также очень много интересной продукции, они тоже рассылают бесплатные образцы, причем в количестве от 5 до 10 штук 8 разных позиций, а доставка через FedEx занимает менее недели. В пятницу заказал - в понедельник получил :)

THS4012 MSOP, SOIC

THS4032 MSOP, SOIC

THS4042 MSOP, SOIC

THS4052 MSOP, SOIC

THS4062 MSOP, SOIC

THS4082 MSOP, SOIC

THS6042 MSOP, SOIC

THS6062 MSOP, SOIC

THS6072 MSOP, SOIC

OPA2211 MSOP, SOIC

OPA2132 DIP, SOIC

OPA2134 DIP, SOIC

Будьте внимательны при выборе микросхемы, предварительно удостоверьтесь, какой тип корпуса подходит к вашей карте.
Операционные усилители от NJR, устанавливаемые на подавляющее большинство звуковых карт, встречаются в следующем исполнении:
SSOP8 длина корпуса 4.4 мм, ширина 3.5 мм, шаг выводов 0.65 мм, длина выводов 1 мм
DMP8 длина корпуса 5 мм, ширина 5 мм, шаг выводов 1.27 мм, длина выводов менее 1 мм
EMP8 длина корпуса 4 мм, ширина 5 мм, шаг выводов 1.27 мм, длина выводов 1 мм
DIP очень крупный корпус, выводы загнуты вниз (вставляется в "кроватку" или впаивается в отверстия на плате)
Операционные усилители от Analog Devices имеют следующие габариты корпуса:
SOIC_N (R8) длина корпуса 4 мм, ширина 5 мм, шаг выводов 1.27 мм, длина выводов более 1 мм
MSOP (RM8) длина корпуса 3 мм, ширина 3 мм, шаг выводов 0.65 мм, длина выводов менее 1 мм

Статья дорабатывается по мере возможности. Замечания/предложения приветствуются в ветках по доработке звуковых карт на форумах Overclockers и iXBT:
http://forums.overclockers.ru/viewtopic.php?t=126233&sid=e3d390de8f35f94aee743f57c8696953
http://forum.ixbt.com/topic.cgi?id=12:22570

Другие полезные материалы по теме:
http://www.sg-acoustics.ch/analogue_audio/ic_opamps/index.html
http://audioportal.su/forums/showthread.php?t=7276
http://musatoffcv.narod.ru/Docs/FiltersOpAmp.htm
http://musatoffcv.narod.ru/Docs/OA_For_WT192X.htm
http://musatoffcv.narod.ru/Docs/DescNoLinerOfOpAmp.htm
Telegram-канал @overclockers_news - это удобный способ следить за новыми материалами на сайте. С картинками, расширенными описаниями и без рекламы.
Оценитe материал

Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают