Портативные и настольные ЦАП-усилители для наушников подошли к точке, где производители перестали соревноваться только в новизне маркировки чипа и начали конкурировать в том, как этот чип обвязан вокруг себя. Модель FiiO QX11 и настольный компакт Topping DX1 II вышли почти одновременно и решают одну и ту же задачу: получить полностью балансный тракт с минимальным шумом в корпусе размером с колоду карт. При этом производители выбрали противоположные пути к цели, и разница между двумя чипами ES9069Q от ESS в паре с отдельными операционными усилителями и одним чипом ES9039Q2M в паре с балансным каскадом на операционных усилителях и дискретной системой питания даёт хороший повод разобраться, что в подобных устройствах определяет реальный шум, а что остаётся строчкой в рекламном буклете.
Как строится тракт FiiO QX11 вокруг двух флагманских чипов и четырёх операционных усилителей
В основе цифро-аналогового преобразования QX11 лежат два чипа ES9069Q производства ESS Technology, построенные на четвёртом поколении архитектуры HyperStream с 32-битной обработкой. Ключевая особенность подобной схемы в том, что каждый из двух чипов физически представляет собой отдельный кристалл кремния, а не одну микросхему с двумя внутренними ядрами преобразования. Такое разделение уже на уровне цифро-аналогового преобразования снижает взаимное проникновение цифровых помех между левым и правым каналом, поскольку у каждого канала появляется собственный источник шума квантования, который физически изолирован от соседнего кристалла хотя бы на несколько миллиметров печатной платы.
За аналоговым выходом преобразователей стоит усилительный каскад на четырёх операционных усилителях производства Texas Instruments, включённых по так называемой end-to-end архитектуре, где вся аналоговая цепь от выхода ЦАП до разъёма построена на компонентах одного производителя с согласованными параметрами шума и скорости нарастания. Такая унификация упрощает расчёт совокупного шума тракта, поскольку инженерам не приходится подгонять параметры разнородных операционных усилителей друг под друга, и позволяет заявлять итоговую выходную мощность вплоть до 800 милливатт на канал при нагрузке 32 Ом в специальном настольном режиме питания, что заметно выше показателя 650 милливатт на канал у предыдущего флагманского донгла той же линейки.
Почему Topping DX1 II сочетает один чип ES9039Q2M с дискретной системой питания LNRD
Инженерное решение конкурента построено иначе. В основе DX1 II лежит единственный чип ES9039Q2M, который несмотря на единственный корпус содержит внутри два независимых канала преобразования, изготовленных на одном кристалле. Такая архитектура называется двухканальной интегрированной, в противовес двухчиповой схеме FiiO, и её главное преимущество в идеально согласованных параметрах обоих каналов, поскольку оба канала произведены в одном технологическом процессе на одной подложке и подвержены одним и тем же температурным и технологическим отклонениям, что упрощает достижение хорошего баланса каналов без ручной подгонки на этапе производства платы.
Цифровой интерфейс между источником сигнала и преобразователем в DX1 II реализован на отдельном контроллере XMOS XU316, специализированном чипе для приёма и буферизации звукового потока по USB, который снимает с самого ЦАП задачу разбора протокола USB-аудио и передаёт данные уже в готовом для преобразования виде. После преобразователя сигнал поступает на балансный четырёхканальный усилительный каскад на базе операционных усилителей с полностью раздельными путями для левого и правого канала от выхода ЦАП до самого разъёма, что производитель и называет полностью балансной архитектурой. Слово "дискретный" в характеристиках устройства относится не к самому усилительному тракту, а к отдельной системе питания LNRD, собранной инженерами Topping из рассыпных компонентов вместо готового интегрального стабилизатора. Именно эта дискретная опорная система даёт независимое и более чистое питание для цифровой и аналоговой части схемы, тогда как полностью дискретные усилительные каскады без операционных усилителей в топологии NFCA производитель оставляет для более дорогих настольных флагманов линейки.
Что означает полностью балансный тракт с точки зрения схемотехники, а не рекламной строчки
Термин "полностью балансный" в характеристиках современных ЦАП употребляется настолько часто, что стоит развести реальное инженерное содержание и маркетинговое использование. С точки зрения схемотехники полностью балансный тракт означает, что сигнал от выхода преобразователя до разъёма наушников идёт по двум противофазным путям, условно горячему и холодному, и оба пути имеют одинаковое усиление, одинаковое сопротивление и одинаковую задержку. Любая наводка или помеха, которая попадает в оба провода одновременно и в одной фазе, компенсируется на приёмном конце схемы наушника или измерительного прибора, поскольку разностный сигнал между горячим и холодным проводом эту синфазную помеху вычитает.
Формально оба устройства из этой пары действительно реализуют такую схему до самого выходного разъёма 4,4 миллиметра, и у обоих усиление выполняется в четыре независимых канала, по два на каждый стереоканал. Разница между ними лежит не в наличии балансной топологии как таковой, а в том, где именно начинается раздельная обработка левого и правого канала. У FiiO разделение начинается уже на уровне цифро-аналогового преобразования благодаря использованию двух физически отдельных чипов, у Topping разделение появляется только после преобразователя, на этапе балансного усилительного каскада на операционных усилителях, поскольку сам чип ES9039Q2M обрабатывает оба канала внутри одного кристалла.
Как сопоставляются заявленные цифры искажений и отношения сигнал/шум
Topping публикует детальную таблицу измеренных параметров для балансного выхода 4,4 миллиметра: коэффициент гармонических искажений с шумом на уровне 0,00007 процента на частоте 1 килогерц с А-взвешиванием, а по отдельным замерам лаборатории производителя минимальное измеренное значение доходит до 0,000056 процента. Отношение сигнал/шум и динамический диапазон заявлены на уровне 128 децибел, а переходное затухание между каналами составляет минус 140 децибел, что говорит об исключительно низком взаимном проникновении сигнала одного канала в другой благодаря полностью раздельным усилительным путям.
FiiO на момент выхода QX11 сделала акцент на мощности выходного каскада и функциональности вроде игрового режима и автоматической коррекции под конкретную модель наушников, но детальную лабораторную таблицу с коэффициентом искажений, отношением сигнал/шум и переходным затуханием на момент запуска модели производитель ещё не опубликовал в открытом доступе, ограничившись общими характеристиками поддерживаемых форматов и выходной мощности. Судить о реальных цифрах устройства до появления независимых измерений на анализаторе класса Audio Precision преждевременно, и разумнее ориентироваться на архитектурные решения, о которых производитель уже рассказал подробно, чем додумывать конкретные значения по аналогии с чипом ES9069Q из его технической документации.
Почему выходное сопротивление балансного выхода определяет звучание с разными наушниками
Выходное сопротивление усилителя редко попадает в заголовки обзоров, но именно этот параметр определяет, насколько ровной останется частотная характеристика при подключении конкретных наушников. Любой динамический излучатель обладает собственным электрическим импедансом, который меняется в зависимости от частоты и обычно образует характерный подъём в области резонанса на низких частотах и ещё один подъём на верхних частотах. Если выходное сопротивление усилителя сопоставимо по величине с минимальным импедансом наушника, между ними образуется делитель напряжения, который на частотах с повышенным импедансом наушника пропускает больше сигнала, а на частотах с минимальным импедансом меньше, из-за чего частотная характеристика на слух ощутимо отличается от заявленной производителем наушников кривой.
Дискретная четырёхканальная топология с раздельными путями усиления, применённая в обоих рассматриваемых устройствах, обычно позволяет держать выходное сопротивление в пределах долей ома на каждый канал, что делает связку практически нейтральной для подавляющего большинства динамических и большинства арматурных наушников с относительно ровным импедансом. Разница становится заметна только на наушниках с сильно изрезанной кривой импеданса, характерной для некоторых моделей с несколькими балансными арматурными излучателями, где даже небольшое отличие в десятые доли ома между разными усилителями может сдвинуть баланс между низкими и верхними частотами на слышимую величину. Владельцам подобных наушников имеет смысл сверяться с независимыми измерениями конкретной пары устройство-наушники, а не полагаться только на заявленную в характеристиках выходную мощность.
Как раздельные порты USB-C с проходным питанием меняют возможности карманного устройства
Отдельного внимания заслуживает силовая часть FiiO QX11: устройство получило два независимых порта USB-C, один из которых принимает аудиопоток от источника сигнала, а второй одновременно способен пропускать через себя быструю зарядку мощностью до 45 ватт по протоколу USB Power Delivery. Смысл такого разделения в том, что источник аудиосигнала, будь то смартфон или ноутбук, часто не в состоянии одновременно отдавать через один и тот же порт стабильный аудиопоток и большой зарядный ток без просадок напряжения, которые способны отразиться на качестве звука в виде дополнительных цифровых помех. Разнесение задач по двум физически разным портам снимает эту проблему и одновременно решает практический вопрос разряда батареи телефона при долгом прослушивании через внешний ЦАП с прожорливым усилителем на борту.
Именно эта силовая архитектура позволяет заявлять для настольного режима выходную мощность до 800 милливатт на канал: усилительному каскаду в таком режиме доступен внешний источник питания достаточной мощности вместо ограниченного бюджета обычного USB-порта смартфона, и операционные усилители получают запас по напряжению питания для работы без ограничения размаха выходного сигнала на пиковых уровнях громкости.
На что обращать внимание при пайке разъёмов 4,4 миллиметра и USB-C при ремонте
Компактный корпус портативного ЦАП с несколькими разъёмами создаёт характерные точки механической усталости, и большая часть отказов подобных устройств в реальной эксплуатации связана не с деградацией самого чипа, а именно с усталостью паяных соединений разъёмов от многократного подключения кабеля. При ремонте стоит придерживаться нескольких практических правил:
- Перед выпайкой любого разъёма зафиксировать плату в третьей руке или специальном держателе, поскольку резкое усилие при отрыве уже повреждённого разъёма легко отслаивает контактную площадку от тонкого текстолита компактного устройства вместе с дорожкой;
- Для многовыводных разъёмов USB-C предпочтительна выпайка горячим воздухом с температурой около 320-350 градусов Цельсия при умеренном воздушном потоке, а не последовательный прогрев каждого вывода паяльником, поскольку такой прогрев снижает риск перегрева соседних миниатюрных конденсаторов фильтрации питания;
- Перед монтажом нового разъёма контактные площадки нужно очистить от остатков старого припоя оплёткой с добавлением свежего бессвинцового припоя и флюса, а после пайки обязательно смыть остатки флюса изопропиловым спиртом, поскольку его остатки на плате со временем становятся гигроскопичными и снижают сопротивление изоляции между соседними дорожками аналогового тракта;
- После пайки перед первым включением стоит прозвонить линию питания на отсутствие короткого замыкания мультиметром в режиме прозвонки, а не полагаться на визуальный осмотр, поскольку микроскопический мостик припоя между соседними выводами разъёма USB-C легко остаётся незамеченным невооружённым глазом;
- Для разъёма 4,4 миллиметра, который в балансных схемах несёт четыре независимых сигнальных провода вместо трёх у обычного стереоджека, стоит заранее сфотографировать исходную разводку проводов до выпайки, поскольку перепутанные местами горячий и холодный провод одного канала на балансном выходе не выведут усилитель из строя мгновенно, но полностью разрушат заявленное подавление синфазной помехи, ради которого вся балансная топология и затевалась.
После завершения пайки полезно зафиксировать новый разъём каплей термостойкого клея или эпоксидной смолы в месте соединения с корпусом, а не только на паяных контактах, поскольку именно механическая нагрузка от бокового качания вставленного кабеля, а не осевое усилие вставки-выемки, чаще всего и приводит к повторному растрескиванию паяных соединений спустя несколько месяцев эксплуатации после успешного ремонта.