Digital-Analog-Konverter, Wandel und Anwendung

Geschichte und Einteilung

Vorwort

Dieser Artikel soll und kann kein umfassendes Kompendium werden, sondern ein Schnappschuss der eigenen Erfahrung - wie immer kann ich nicht alles wissen, sondern nur vieles weiter geben.

Anfänge der Technik

Wie so oft vermutet man bei der Digitalisierung als Laie gar nicht, wie weit sie bereits historisch zurück reicht. Ein schönes englischsprachiges Dokument dazu habe ich in englischer Sprache hier bei Analog Devices gefunden, belegt ist Digitalisierung laut dieser Aufstellung bereits mindestens bis zurück ins 18te Jahrhundert, richtig spannend und im heutigen Sinne anwendbar wurde es in den 1920ern - spätestens zu Beginn der 1930er waren mit dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem die wesentlichen Grundlagen dieser Technik gelegt.

In der Studio-Aufnahmetechnik tauchen in Folge zunehmender Transistorisierung und der nachfolgend erhöhten Bauteile-Dichte in integrierten Schaltungen erste Digital-Aufnahmen in den 1970ern auf. Gründe für diese Entwicklung findet man ebenfalls schön zusammen gefasst in der Wikipedia, siehe z.B. den Abschnitt "Gründe für die Digitalisierung" im Artikel "Digitalisierung".

Da der Basis-Aufbau einfacher Digital-Wandler für die Rück-Wandlung (DAC) vorhandener Daten sogar einen Tick einfacher ist, als der einer Quantisierungs-Anordnung (ADC), war es für die Tontechniker zunächst das entscheidende Kriterium, wie man auf diesem Weg akzeptable Aufnahmen macht. Die einfacheren Wiedergabe-Geräte waren noch nicht Bedingung, es war im Grunde aber klar, dass diese folgen würden.

Die Audio-CD trug dann diese Technik erstmals im großen Maßstab in die Wohnzimmer und sorgte für eine beschleunigte Entwicklung in Aufnahme- und Wiedergabe-Technik. Und wie immer gab es hier viel Licht und Schatten vor allem in den ersten Entwicklungsjahren. Man muss deutlich unterscheiden zwischen

• den ernsthaften Könnern und Vorreitern, die vorrangig das Ziel im Auge hatten, "es richtig zu machen", z.B. den Chip- und Laufwerks-Entwicklern bei Philips oder anderen, Grundlagen-schaffenden Spezialisten, denen teilweise bis heute konkurrenzfähige, hervorragende Entwürfe gelangen und
• der mit kaum erklärbarer Technik-Gläubigkeit in der damaligen Globalisierungs-Welle aufkeimenden Massenproduktion schlechter und schlechtester Aufnahmen nach dem "viel Knöpfe hilft viel"-Prinzip und den dazu passenden Billig-Abspielern.

Natürlich interessiert mich eher die erste Kategorie...

Damit kommen wir auch zurück zu digitalen Wiedergabe-Geräten, damals in der Unterhaltungs-Elektronik erstmals in Form von CD-Spielern - und hier zum Kernstück der Rück-Anbindung an die bis heute (selbst bei "Class-D" noch) gängige analoge Verstärker-Technik, den Digital-Analog-Converter (-Chip).

R2R-Parallel-DACs

Die ersten CD-Spieler, die 1982 auf den Markt kamen, wandelten ihren digitalen Datenstrom allesamt mit ICs nach dem Parallel-Verfahren. Als einer der beiden Haupt-Protagonisten führte Philips nach viel Grundlagen-Forschung einen 14-Bit-Kandidaten ins Rennen. Sony setzte gleichzeitig auf die 16-Bit-Technik - eigentlich nicht aus Gründen einer höheren Qualität, sondern aus Kompatibilitäts-Gründen mit der erstmals boomenden Computertechnik, bei der die Informationseinheiten ohnehin im Byte-Format (= 8Bit) vorlagen, jede kompatible 14-Bit-Technik hätte daher stets 2 Leer-Bits mit geschleppt, zur damaligen Zeit sah man das als ungeheure Verschwendung.

So wurde im CD-Format entgegen ursprünglichen den Philips-Vorstellungen eine 16-Bit-Wortlänge festgelegt und damit gleich von vornherein eine enge Verbindung zur Computer-Technik geschaffen. Sony hat 1982 im CDP-101 seinen ersten Wandler CX20017 dann auch gleich für diese Auflösung ausgelegt, hier hat man sich in den Debut-Geräten lieber den zweiten DAC-Chip gespart und nur einen einzelnen Mono-Wandler per Trick-Schaltung abwechselnd für den rechten und linken Kanals eingesetzt. Philips musste umschwenken, um hier keinen Marketing-Nachteil zu haben, lieferte zwar zur Markt-Einführung des CD100 mit seinen zwei linear betriebenen TDA1540 noch vermeintlich leicht verminderte Auflösung durch Weglassung der kleinst-wertigen auf der CD vorhandenen Bits, zog allerdings bei diesem Gerät auch bereits mit einem Trick nach, der uns dann bis heute erhalten geblieben ist:
Man vervierfachte die Takt-Frequenz, um mit dem vorhandenen 14-Bit-Wandler durch Integration der in jetzt pro Datenwort vier möglichen Einschalt-Längen den resultierenden Rausch-Abstand um die fehlenden zwei Bit zu erhöhen. Die Wandlungs-Präzision war in Zusammenarbeit mit dem vorbereitenden SAA7030-IC mit dem des Sony-Wandlers vergleichbar, die akustische Qualität ebenfalls, ja sogar eher überlegen. Damit waren bereits in der ersten Geräte-Generation auch die Verfahren "Noise-Shaping" und "Oversampling" waren geboren, die beide unter "Hardcore-Puristen" nicht nur Freunde haben.

Philips wurde schnell zum bekanntesten Hersteller für Audio-DACs, weitere relevante Mitspieler wurden eher Burr-Brown und Analog Devices, weniger der CD-Format-Mitbegründer Sony oder andere japanische Mitbewerber (Sanyo, Hitachi...).

Revidiert habe ich bereits etliche CD-Player und Wandler, die Wandler nach diesem Prinzip enthalten, genauer befasst habe ich mich mit den Besonderheiten der jeweiligen Wandler-Technik allerdings nicht allzu umfassend, am tiefsten eingestiegen bin ich noch bei den späten Burr-Brown-Typen.

Nachdem inzwischen auch die letzte Produktion von Parallelwandlern dem Rotstift zum Opfer fiel, erwähne ich hier - als in irgendeiner Form für eigene Entwürfe verwendbar - nur die beiden letzten und am weitesten entwickelten Wandler-Typen, den

• TDA1541A von Philips und den
• PCM1704 von Burr-Brown, später Texas Instruments

Beide sind in gewissen Mengen noch aufzutreiben, der erste, weil er seit Mitte der 80er bis Ende der 90er Jahre in großer Menge produziert wurde, der zweite wurde  zwar sicherlich eher seltener gebaut, jedoch erst 2015 abgekündigt.

Die gemeinsamen Besonderheiten der R2R-Parallel-Wandler

Zunächst einmal die prinzipielle Basis dieser ersten Generation von Audio-Wandlern:
jedes Bit der zu wandelnden Binär-Zahl wird durch ein eigenes, entsprechend seines Stellenwerts gewichtetes Wandler-Element repräsentiert, der analoge Ausgangs-Wert der Gesamt-Anordnung besteht aus der Summe aller eingeschalteten Elemente. Mehrheitlich wird dies durch Stromquellen-Schaltungen erreicht, die mit Hilfe einer Widerstands-Kette mit immer gleichem Teiler-Verhältnis gewichtet sind (R2R lies: Widerstand zu Widerstand bzw. Widerstands-Verhältnis R zu 2xR).

Und hier liegt gleichzeitig auch der große Vor- und Nachteil dieser Konzeption:
Es kommt auf die Präzision dieser Widerstände an, die in der gewünschten Genauigkeit nicht auf Bäumen wachsen. Es gibt auch kein selbst justierendes Verfahren, in dem automatisch Widerstände exakt im geforderten Verhältnis entstehen. In puncto Linearität (und somit in Sachen Klirrfaktor) hängt die Qualität von der Fertigung dieser Widerstände ab, die ohne "Trimmung" während der Fertigung keine hohen Ansprüche erfüllen können. Und das macht derartige Umsetzer entsprechend teuer. Im Gegensatz zu jeglicher anderen modernen Chip-Fertigung, bei der man stets auf Konzepte setzt, die das Produkt in einem einzigen Schritt entstehen lassen, hat man hier einen kombinierten Zwischenschritt, für den man eine ganz spezielle Apparatur vorhalten muss: die halb fertige Schaltung wird angeschlossen und die Widerstände per Laserstrahl "getrimmt", bis die Werte passen. Auch das Ergebnis der Fertigung muss - mehr als heute üblich - geprüft und sortiert werden. Dazu wird in der Regel jedes Exemplar End-vermessen, aus- oder einsortiert - hier entstehen auch entsprechende Selektions-Klassen, die übrigens mit Fortschritten in der Produktion oft "überholt" wurden, die höchste Güteklasse der ersten Produktionsjahre eines Typs wurde häufig vom Durchschnitts-Wandler späterer Jahre in den Schatten gestellt.

Die ohne Tricks und ausschließlich mit hohen Kosten erzwungene Linearität stellt aber im Grunde auch die Basis für der größten Vorteil des Prinzips dar: der Ausgangs-Pegel ist die direkte Summe von gleichzeitig eingeschalteten Elementen, ein Ersatz von genau justierten Wandler-Elementen durch billiger erreichbare Hochfrequenz-Einschaltzeit-Verhältnisse mit anschließender Integration findet nicht statt. Das Parallel-Wandler-Prinzip ist daher z.B. ohne jegliche Anpassungen für langsamere Takte geeignet, außer der Basis-Takt-Frequenz und dem momentan eingespeisten Datenwort hängen Wert und Spektrum des Ausgangs-Werts/Signals von nichts weiter ab. Hielte man einen solchen Wandler zu irgend einem Zeitpunkt im Betrieb an, würde am Ausgang der Gleichstrom-Wert geliefert, den das letzte verfütterte Datenwort eingeschaltet hat, ein reiner Gleichstrom ohne jegliche Wechselstrom-Anteile, völlig "ruhig" und dennoch mit gleicher Präzision, wie bei jedem zulässigen Takt-Betrieb. Dagegen erzeugt ein 1-Bit-Wandler auch das kleinste Signal stets aus dem gleichen, mit vollem Pegel geschalteten einen Wandler-Element, das Größen-Verhältnis von interner (Over-)Sampling-Frequenz zum Ausgangs-Signal wird mit fallendem Signalpegel immer ungünstiger. An diesem Gedanken-Beispiel sieht man bereits: Es gibt bei Parallel-Wandlern spektral betrachtet neben der unvermeidlichen Sampling-Grund-Frequenz (mit Oberwellen...) weiter keinerlei prinzipielle Stör-Komponenten, die die Integrität kleinster Wandler-Werte- und -Schritte stören könnten. Das ist auch der Grund für eine "natürliche Ergonomie" dieser Konzeption. Parallel-Wandler mögen nur bei höchster Fertigungs-Präzision minimale Klirr-Verzerrungen produzieren, brauchen mit ihrem Umweg-losen Prinzip allerdings auch einige schwierige Hochfrequenz- und Intermodulations-Probleme nicht zu lösen, die ihre inhärent linearen Billig-Nachfolger mit der Umgehung des Linearitäts-Problems erst erzeugen. Bei aktuellen Bitstream-Wandlern bekommt man trotz aller Bemühungen auch in der realen Fertigung immer noch hörbar zu den Parallel-Konzepten unterschiedliche Ergebnisse. Präzision hängt beim Parallel-Wandler nahezu ausschließlich von Herstellungs-Sorgfalt ab - analog zur gesamten Analog-Technik. Diese Sorgfalt vorausgesetzt, fällt so einem R2R-DAC die musikalisch-fein-nervige Behandlung feinster Nuancen grundsätzlich leichter, als allen ausgefeilten "low budget"-Gegen-Entwürfen, inklusive der aktuellen "Flaggschiffe" sämtlicher Hersteller.

Bis das Produkt-Management wegen der hohen Fertigungs-Kosten (und des resultierenden geringen Absatzes) die technisch-klanglichen Argumente für die R2R-Wandler für ungültig erklärte, wusste man das übrigens z.B. auch bei Burr-Brown (Texas Instruments), man lese sich aufmerksam diese Zusammenfassung durch, die sich bei Jitter.de findet - manche Kollegen retten zurecht derartige Dokumente. Man liest dort Sätze wie in Abbildung 5.5:
"R-2R—The oldest and still the 'cleanest' conversion method".
Weiter unten wird ein Vergleich zwischen den THD+Noise-Pegeln des PCM1702 (R2R) und des PCM1710 (Delta-Sigma) bei -60dB gezogen. Im Kleinsignal-Bereich sticht hier die "alte" Technologie die jüngere um über 10dB aus.

Doch schon das Datenblatt des PCM1704 alleine ist recht aufschlussreich, man sehe sich die Abbildungen auf Seite 4 an. DAS wagt kein Hersteller für einen Delta-Sigma-Wandler abzudrucken, man würde bei –110dB, 24-Bit, 96kHz keinen erkennbaren Sinus mehr erhalten. Der oft im Datenblatt von Bitstreamern hervorragende Abstand der Digital-Null zum Maximal-Pegel beruht nämlich i.d.R. auf Abschaltung in diesem Spezialfall, die praktische Bedeutung dieses Werts ist insofern ebenfalls Null, digitale Stille gibt es bei echten Aufnahmen nicht, nur im Pausen-Modus. Sowie man kleine Signale ungleich Null einspeist, ist die ganze Pracht dahin. Das ist, wie wenn man den Geräuschspannungs-Abstand eines Verstärkers zwischen Vollaussteuerung und dem Störpegel bei abgeschaltetem Lautspecher-Relais angibt. Schöner Wert, aber ohne jede Aussage.

Ein weiterer Vorteil aller ernst zu nehmenden Parallel-Wandler, die der Markt gesehen hat, ist für den ambitionierten Anwender deren Modularität. Im Gegensatz zur immer weiter fortschreitenden Funktions-Integration in den Nachfolge-Generationen, liegen diese R2R-DACs in "Reinform" vor, der Anwender kann hier sowohl über die die Wandlung vorbereitenden digitalen Schritte, als auch über Art und Aufbau der analogen Ausgangs-Sektion entscheiden. Die R2R-Wandler haben also in der Regel weder eine interne (un-umgehbare) Digital-Signal-Bearbeitung, noch eine (un-umgehbare) interne Strom-Spannungs-Umsetzung. Einen TDA1541A oder PCM1704 kann man entsprechend nicht so leicht anwenden, wie die heutigen Eier-legenden Woll-Milch-Säue, doch man hat im Gegenzug auch die Freiheit, weit mehr als "das Übliche" zu verwirklichen.

Philips TDA1541A

(Vorläufer TDA1540, TDA1541)

Das langjährige Zugpferd der Philips-Wandler wird zurecht von vielen für einen der besten, wenn nicht für den bisher absolut besten Industrie-Audio-DAC gehalten. Dessen Einsatz ist ein Thema für sich, dieser Typ birgt sogar Möglichkeiten, die bei industriellen Umsetzungen nie zur Anwendung kamen - diese Diskrepanz zwischen in Bauteile gegossener, vorbereiteter Qualität und deren konsequenter Einsparung im Endprodukt wurde weitgehend Tradition bei Philips-CD-Spielern.

Wobei auch bei weniger gut eingesetzten Philips-Parallel-DACs eine Tendenz hörbar ist, die man bei anderen Herstellern und Wandlerkonzepten wenn überhaupt, dann nur mühsam erzwingen kann: die Teile gehen im Kernbereich (Mittelton, Anschlagsdynamik, Stimmen...) mit einer druckvollen, natürlichen Art ab "wie Schmitt's Katze", das kann man mit ausgetrockneten Elkos in lahmen Netzteilen natürlich nur noch schwer hören, doch bereits ein nachgelöteter, mit hochwertigen Elkos fit gemachter CD104 (2x TDA1540) oder CD650 (TDA 1541) lässt staunen.

Bislang habe ich mich jedoch mit keiner Konzeption um Philips-R2Rs eingehend befasst, ich revidiere solche Kandidaten bevorzugt ohne Schaltungs-Änderungen, alleine die Verschleiß-Beseitigung und eine verbesserte Teile-Wahl heben vor allem frühe Philips-CD-Player auf ein derart hohes Niveau, das es einem zu denken gibt. Was mag mit richtigem Aufwand noch zu verbessern sein?

Zwei Kollegen kenne ich im Internet, die in das Thema bereits tiefer eingestiegen sind, Roman Groß und Andreas Schlüter (nanaocamp). Bei beiden findet sich zu früheren Philips-Playern und dieser Art Wandler viel lesenswertes, leider konnte ich mir noch keines ihrer Geräte anhören.

Das liest sich jedenfalls alles recht plausibel, ein Grund mehr, warum ich da auch nicht dringend noch ein Fass aufmachen möchte, um mich mit in die gleiche Markt-Nische zu drängen.

Wobei ich hier gleich einen Punkt anbringen muss:

NOS (non-oversampling)

...mag toll sein, dennoch wird es von zwei Gruppen vehement kontrovers diskutiert. Meine Vermutung ist, dass es in bestimmten Zusammenhängen Probleme geben kann:

Wenn die ganze NOS-Maßnahme nämlich nur daraus besteht, dem Wandler schlichtere Daten langsamer zu liefern, dabei einfach sämtliche Filterung digital wie analog zu entfernen, ist das im Grunde auch nicht korrekt. Eigentlich müsste bei Entfernung der Digital-Filterung theoretisch auch das analoge Ausgangs-Filter eher wieder steiler auslegen, als im Oversampling-Modus - ansonsten erhält man am Ausgang deutliche Überreste der Sampling-Frequenz.

Lesen Sie dazu bei Keith Snooks, wie seinen Quad 405 -Ansatz finde ich auch seinen NOS CD104-Umbau weit besser fundiert, als viele Halb-Konzepte von esoterisch angehaucht Halb-Wissenden.

Ein angepasstes Analogfilter hat natürlich den Pferdefuß, dass nur beste Filter-Aufbauten das Signal ausreichend wenig in anderen Punkten verschlechtern. Die Sampling-Frequenz liegt eigentlich weit über dem Hörbereich und wäre an sich nicht weiter kritisch - es sei denn, sie trifft auf den falschen Verstärker...
Neigt das nachfolgende Gerät in dieser Situation dazu, per Intermodulation Mischfrequenzen zwischen Audio-Signal und Sampling-Frequenz (samt Oberwellen - Summen und vor allem Differenzen) zu bilden, dann erscheinen bei NOS plötzlich die hässlichsten, disharmonischen Klänge am Lautsprecher, wo es im korrekt angewandten Oversampling-Modus vorher gar kein Problem gab. Das kann u.U. auch bei Verstärkern schlecht klingen, die normaler Weise gar keine so schlechte Figur machen und hier nur eine sonst verdeckte, kleine Schwäche haben.
Ist der Verstärker dagegen ein auf solche Störungen unempfindlicher Kandidat, wird man von diesem Nachteil überhaupt nichts merken.
Also haben im Grunde vermutlich beide Parteien teilweise recht, reden aber aneinander vorbei...

Für englischsprachige Leser habe ich auf der interessanten Seite von LessLoss ein sehr umfassend die Grundlagen klärendes Video gefunden.
Man kann nach Verinnerlichung dieses Bombardements mit Basis-Fakten z.B. besser verstehen, wo der mögliche Haken beim NOS ist - "stairstep"-Artefakte und ihre Folgen - das wird kurz als "nicht abgeschlossene Wandlung" bezeichnet.
Schön, wenn Verstärker und Lautprecher sich als perfektes, komplettierendes Ausgangs-Filter erweisen. Müssen sie aber nicht...

und weil's so schön ist, hier der im Video am Anfang erwähnte Artikel:

Eine Sammlung so ziemlich aller Vorurteile und Aberglauben im (digitalen) Hifi-Bereich und deren Abhandlung.

Am interessantesten finde ich die Schlussfolgerungen zu der "hochauflösenden" Formaten. Geräte mit solchen maßlosen Erweiterungen werden nämlich aller Wahrscheinlichkeit nach in normalen Wiedergabe-Ketten SCHLECHTER klingen, als eine Quelle, die sich auf das Hörbare beschränkt - einfach, weil die nachfolgenden Verstärker damit schlechter zurecht kommen und in der Regel aus den unhörbaren Zutaten durch fehlerhafte Verarbeitung mehr hörbare Störungen produzieren, als man daraus je an (unhörbarem) Zugewinn erhalten könnte...

Meiner Meinung nach sind solche Formate ein reiner Marketing-Gag. Man braucht halt immer neue Medien, wenn man das Gleiche mehrmals verkaufen will. Doch im Gegensatz zum Kino, wo man auf große Flächen tatsächlich noch sinnvoll eine höhere Auflösung mit geringeren Artefakten (z.B. Bewegungs-Flackern) erreichen kann, ist bei Audio im Grunde das Ende der Fahnenstange bereits mit 14Bit/44,1kHz erreicht gewesen und die vielen zerstörten Informationen "zwischen den Zeilen", die dem ambitionierten Platten-Hörern bei vielen digitalen Aufnahmen und Wiedergabe-Geräten ins Ohr stechen, sind eben nicht dem digitalen Format selbst zum Opfer gefallen, sondern seiner mangelhaften Handhabung. Das liegt auch daran, dass bei Einführung neuer Techniken stets vermeint wird, man könne nun schlagartig alle bisher erarbeiteten Regeln unter den Tisch fallen lassen. Stattet man meinetwegen ein digitales Wiedergabe-Gerät mit analogem Ausgang mit schlechter Masse-Führung, einem minderwertigen Netzteil und einem Missverständnis von "unzweifelhaft perfekter D/A-Wandlung" aus, kommt eben bei weitem nicht das heraus, was möglich wäre.

Und hochauflösende Formate machen es den Herstellern auch durchaus leichter, z.B. ohne jede Mehr-Anstrengung bei der Filterung gerade noch brauchbare Ergebnisse zu erzielen, das ganze verknüpft mit viel Hype um große Zahlen. Schneller, weiter besser, ein Schuss von Scharlatanerie und Aberglauben verkauft sich halt gut, hat mit Musik aber wenig zu tun, ist eher was für Quartett-Karten-Spieler.

Burr-Brown/Texas Instruments PCM1704

(Vorläufer u.a. PCM53, PCM54, PCM58, PCM63, PCM1700, PCM1702)

Während Philips mit dem TDA1541A seinen großen Wurf bereits Mitte der 80er Jahre hatte und damit auch der "Platzhirsch" wurde, hat Burr-Brown sich eher in kleineren Marktsegmenten einen Namen gemacht. Deren Wandler findet man häufig in professionellen und hochpreisigen Anwendungen. Im Gegensatz zu Philips, wo man sich im Grunde mit der ersten 16-Bit-Parallel-DAC zufrieden gab und die Weiterentwicklung bereits an diesem Punkt auf billiger zu fertigende Verfahren konzentrierte, hat man sich bei Burr-Brown auch noch ein Jahrzehnt lang weiter um immer ausgefeiltere R2R-Verfahren gekümmert, dabei die Modularität gewahrt und auch alle Zutaten für digitale Vor-Filterung, analoge I/U-Umsetzung, Filterung und Pufferstufe aus einer Hand dazu geliefert. Nach und nach wurden dabei immer höhere Bit-Zahlen verwendet, über deren direkte Anwendung man trefflich streiten kann.

Als Zulieferer für Hersteller von Studio-Equipment jedoch hat eine großzügigere Quantisierung und Verarbeitung von längeren Bit-Wörtern durchaus Sinn. Am Mischpult oder in einem Effektgerät kann man rauscharme, unterschiedlich laute Signale ohne große Klimmzüge mit guten Ergebnissen zusammen fassen, jedes Verschenken von Rauschabstand "an der Quelle" zwingt hier zu Kompromissen oder besserer Vorbereitung, wird stets den dynamischen Handlungsspielraum der Nachbearbeitung einschränken. Denn sämtliche (Quantisierung)-Rauschteppiche und -Fehler addieren sich ebenfalls im nachträglich gewählten Verhältnis. Man kann also ein leise aufgenommenes Signal mit geringem Rauschabstand (=Bit-Tiefe) nicht ohne weiteres ungestraft mit hohem Pegel in die Summe mixen, sein Rauschen vermindert den gesamten Rausch-Abstand. Mit viel Luft (und wenig Rauschen) aufgezeichnete 24-bit-Einzel-Signale lassen z.B. ein (in der Bit-Tiefe reduziertes) Stereo-CD-Master-Signal zu, das keine wesentliche Abstriche gegenüber einer direkten, sorgfältig korrekt ausgesteuerten 16-bit-Stereo-Aufnahme macht. So kann man die Burr-Brown-Produktpalette auch auf A/D- und D/A-Wandler-Seite als 24-bit-Gesamt-Konzept für Profis sehen, da konnte der Hersteller den entsprechenden Parallel-DA-Wandler (das im Grund am wenigsten wichtige Teil im Studio) nicht unterschlagen.

Im Zusammenhang mit genauestens getakteten Digital-Filtern wiederum kann die erhöhte Bit-Zahl eines Wandlers zur möglichst exakten Wiederherstellung einer weniger tief quantisierten Signal-Kurve umfunktioniert werden - und zwar ohne den Umweg über extremes Oversampling. Im Grunde nutzt ein PCM1704 in einem CD-Spieler sein zusätzliches Byte (256fach genauere Amplituden-Auflösung) nur dazu, die tatsächliche Ausgangskurve mit wenig externem Analog-Filter-Aufwand möglichst exakt der im Digitalfilter errechneten Ideal-Kurve anzunähern. Und diese Annäherung erreicht ein Parallelwandler auch heute noch mit weniger Störungen, als ein 1-Bit-(Delta-Sigma-)Wandler, der sich dieselben vor-berechneten 24-bit-Worte über das Hochfrequenz-Puls-Verhältnis zusammen integriert.

Doch war man  in den 90ern mit dem PCM1704 auch im Bereich des technisch machbaren auch an der Grenze des ergonomisch begründbaren angelangt, die weitere Entwicklung wurde auf höchstem Niveau aufgegeben und man konzentrierte sich auch hier auf höhere Integrations-Dichte bei gleichzeitig reduzierten Fertigung-Kosten. Trotzdem wurde der PCM1704 noch 20 Jahre weiter produziert und ist bei richtiger Anwendung in meinen Ohren auch nach wie vor nur durch seinen älteren Philips-R2R-Konkurrenten ernsthaft angreifbar.
Zugegeben, SO schlecht sind andere (z.B. aktuelle Bitstream-)Wandler nun auch wieder nicht, doch insbesondere das letzte Quäntchen mehr Sauberkeit und die bei guten Aufnahmen phänomenale Abwesenheit digitaler und Hochfrequenz-technischer Artefakte (von denen einen sonst nur analoge Quellen entwöhnen) machen den PCM1704 für mich zum Maßstab, an dem die aktuellen Erzeugnisse immer wieder scheitern.

Philips TDA1545 - eine abgebrochene Entwicklung

Nachdem man sich bei Philips lange Jahre auf den TDA1541A-Lorbeeren ausgeruht hatte, brachten die Zwänge zur Verbilligung nicht nur die Entwicklung hin zum 1-Bit-Wandler in Gang. Auch für das Parallel-Konzept hat man sich Gedanken gemacht, wie man die aufwändige Präzisions-Widerstands-Kette kostengünstig aus dem Weg räumen könnte.

Ein vielversprechender Ansatz war das "constant calibration"-Konzept, hier wurden die wichtigsten Stromquellen nicht mehr fest vor-eingestellt, sondern im Betrieb ständig von neuem "geeicht". Aus dem Datenblatt geht hervor, dass eine zu Betriebs-Spannung und dem externem Referenz-Widerstand proportionale Referenz-Quelle immer wieder ihren Strom auf Feldeffekt-Transistoren überträgt, deren Gate dann für die eigentliche Wandlungs-Periode getrennt wird. Der vorher eingespeiste Strom bleibt auf diese Weise eingeprägt, die Transistoren werden selbst zu 32, auf exakt gleichen Strom kalibrierten Kopie-Quellen pro Kanal. Bei der Wandlung schaltet man diese nun gemäß der 5 "most significant" Bit-Werte des zu wandelnden Datenworts zusammen ein.

Dazu kommt ein Wandler-Bereich, der den Referenz-Strom mit Hilfe von Strom -Quellen und -Spiegel-Schaltungen wiederholt halbiert, dieser aktive R2R-Ersatz umfasst 2048 Transistoren pro Kanal. Wie bei den größeren Strömen durch ständige Kopie des Referenzstroms fünf genaue Verdopplungen ermöglicht werden, erreicht diese Schaltung elf-fach eine ebenfalls hohe Halbierungs-Präzision ohne fest voreingestellte Widerstände. Die hier im Kleinsignal-Bereich verwendete Technik stammt vermutlich bereits aus dem ebenfalls nicht getrimmten (Billig-)Vorläufer TDA1543 - dessen Datenblatt sich jedoch zu technischen Details ausschweigt - ganz klar ist einzig, dass der TDA1543 keinen "constant calibration"-Teil besitzt. 

Insgesamt erreicht man erstmals eine echte 16-Bit-Parallel-Wandlung wie bei den R2R-Vorläufern, jedoch ohne Trimmung des Chips bei der Fertigung. Traditionsgemäß liefert dieser winzige TDA1545-Wandler-Chip "nur" zwei Ausgangs-Ströme,  beschränkt sich also auf seine Kern-Aufgabe.
Äußerlich knapper geht es überhaupt nicht (SOT8), die 8 Anschlüsse sind +5V, 0V, Daten, Bit-Clock, Word-Clock, Referenz-Spannung - sowie rechter und linker Strom-Ausgang.

Noch mehr als seine verhältnismäßig riesigen Vorgänger-"Maikäfer", ist dieser Chip in allen Zuliefer- und Ausgangs- Fragen von jedem Schnickschnak befreit, ein reduzierter "Nur-Daten-zu-Strom-Wandler". Was ihn wieder ideal für modulare Lösungen macht. Ursprünglich für Billig-Player gedacht, kann man in der Daten-Aufbereitung, der I/U-Wandlung, der Pufferstufe und bei der Versorgung entscheidendes richtig(er) machen und so das wirkliche Potential heraus kitzeln.

Klein, parallel und noch keineswegs Ende seiner Entwicklungs-Fahnenstange hat man dieses raffinierte Konzept, das für wenig Geld sämtliche Untiefen der Bit-Stream-Wandlung umschifft hat, wieder einschlafen lassen.
Die Delta-Sigma-DACs lieferten wohl die bessern Vorstands-Diagramme. Und leider wurde auch nirgends (insbesondere nicht unter den "HighEndern") das Potential dieser Entwicklungs-Linie erkannt, was ich vor allem darauf zurück führe, dass dieser preisgünstige Wandler auch so gut wie nie eine ernsthafte Arbeits-Umgebung gesehen hat. Philips hat ihn nur in billige, schlecht konstruierte Consumer-Player gepackt. einer der wenigen, meines Wissens genau diese Vorlage genutzt haben, war John Farlowe bei Exposure. Offenbar mit Verlass auf die eigenen Ohren und wohl auch, weil man hier als günstig verfügbares Gesamt-Basis-Paket eine Laufwerk-Bedienteil-Kombination mit selbst zu verwaltenden Strom-Ausgang bekam, zu dem er vermutlich schon ein paar passende TDA1541-I/U-Entwürfe in der Schublade hatte. Aus Teilen des Philips CD721 wurde hier ein wirklich vernünftiges Gerät geschaffen, was auf gleicher Basis mit etwas ausgefeilterem Aufwand noch geht, zeigen die Erweiterungen meines Bruders im "Revelation"-Exposure.

Im unerwarteten Gegensatz zu den Datenblatt-Aussagen stehen hier die Hör-Ergebnisse, wenn man mit dem TDA1549-bestückten (also mit "halber" Bitstream-Technik versehenen) Konkurrenz-Entwurf für den CD751 vergleicht. Beide Wandler geben in der Doppel-Bestückung ihr Bestes, der Anteil, den ich nicht der Außenbeschaltung, sondern eindeutig der Wandlertechnik selbst zuschreiben würde, beherrscht der Budget-Parallel-Wandler besser - Stimmen, der gesamte Hochton-Bereich sind beim TDA1545 schlicht sauberer, obwohl hier im Datenblatt-Vergleich für Kleinsignal ein höherer Klirrfaktor angegeben wird. Wer weiß, wie weit bei Fortführung des Konzepts vielleicht eine noch präzisere Stufung der elf Teiler-Stromquellen einem Nachfolger auch diesen theoretischen Nachteil noch ausgetrieben hätte. Mal abgesehen davon, dass man bei heutiger Integrationsdichte weit mehr der Referenz-Strom duplizierenden Quellen auf einen gleich großen Chip brächte und auch schnell genug kalibrieren könnte. Die 16Bit des CD-Formats z.B. tatsächlich aus 65 536 gleichen Elementen zusammen zu setzen, ist inzwischen gar nicht mehr so abwegig.

Dem teuren TDA1541A (gar einem S2 Double Crown oder einem aus letzter Fertigung...) in gleich guter Arbeits-Umgebung wird der TDA1545 das Wasser vermutlich zwar eher nicht reichen können, doch er erhebt sich bei gekonnter Anwendung in der Hör-Praxis bereits über die überwiegende Mehrzahl der 1-Bitler. Mehrere TDA1545 in Parallelschaltung dagegen können jedem einzeln bestückten R2R-Typ theoretisch wie praktisch gefährlich werden.

Das alles hat wohl nur noch niemand gemerkt (merken können). Schade drum, hiermit wäre auf Dauer wohl auch "billig und gut" gegangen, bekommen haben wir nur "billig". Wie in der Evolution setzt sich auch in der Technik-Entwicklung nicht immer der beste Ansatz durch, Zufall und momentane Zustände lassen auch oft die schlechtere Lösung dominieren und sich alleine fort entwickeln.

Philips TDA1549 - ein Hybrid

Im selben Zeitraum, in dem Philips mit "constant-calibration" experimentierte, kam auch ein "Misch-Konzept" auf den Markt, das man dem "bitstream conversion"-Aufdruck der entsprechenden Philips-Geräte so nicht ansah. Noch war man sich wohl völlig im Klaren, dass Delta-Sigma mit seiner schwer beherrschbaren inneren Hochfrequenz nicht der alleinige Stein der Weisen ist und versuchte es "halbe-halbe". Eigentlich sogar eher "ein Sechzehntel zu Eins" - denn man hat einen 4-Bit -Parallel Wandler mit einem Delta-Sigma-Konverter zusammen gepackt. Was dazu führt, dass die Oversampling-Frequenz niedriger ausfallen kann und im Ausgangs-Signal logischer Weise nur noch um 24dB (1 Bit entspricht 6 dB) gedämpft wirkt. Und das ist (logarithmisch betrachtet) bereits um den halben Dynamik-Umfang einer Schallplatte oder eines Tonbandes leiser als bei reinen 1-Bit-Wandlern. Also ein vielversprechender Zwitter zwischen der angeborenen Linearität der Delta-Sigma-Fraktion und der Stör-Armut eines Parallel-DACs.

Direkt aus dem eher selten eingesetzten TDA1549 hat sich dann der viel produzierte TDA1305 entwickelt, der im Grunde die gleiche Wandler-Technik verwendet, jedoch im Eingangs-Bereich einiges mehr an Integration enthält. Er arbeitet das digital zugeführte Signal viel weiter gehend als der TDA1549 vor der Wandlung auf, das enthebt den Entwickler natürlich von mancher eigenen Überlegung zum Digital-Filter bzw. dessen Auswahl. Zwingt ihn allerdings auch das zu verwenden, was eben eingebaut ist.

Als der ältere Spross dieser Familie lässt sich der TDA1549 dagegen zwar schwerer, aber auch universeller handhaben, er wünscht wie der TDA1545 vor-gefilterte Multiplex-Daten, abwechselnd rechts und links. Wie man ihm diese Daten verschafft, liegt im eigenen Ermessen, vorgesehen ist bei Philips die Speisung z.B. aus so etwas wie dem Laufwerks-Chip SAA7345 oder SAA7378.