哇哈哈大的USB音效卡~ - 音響

關於要不要使用耳擴的問題 主要還是跟設計有關係 我凹了哇哈哈很久 他終於答
應釋出一點技術面的討論 我就把他的文章改得白話點 轉出來給大家做個參考

另外關於 gdi2000520 兄講的 就我個人的感覺 在 AF21 的系統下 的確可能會有
這樣的問題 因為 即便是我在家中的系統 如果不是因為我的耳朵聽習慣一些聲音
的差異 不然以兩者特性 就喜好的角度看來 固然聲底不同 但也不見得就會高下立
判 只是 1u4 有 無 Run 開 聲音也的確是會有差沒錯

前陣子 我從 newalway 兄手中購入 瑞麗的 Sound Image 火網 1723 這張卡 因為
家中沒有桌上型電腦 所以我把主機連續抱三天回家聽 因為數位輸出不是我的重點
所以我直接用類比端輸出接家裡的前後級 初聽之下著實驚為天人 考量到功能性與
價格 現在的性價比王者等級 確非浪得虛名 在解析能力一般的系統下 1u4 其實佔
不了多少便宜 甚至還可以這麼說 :

不是偏解析的愛樂者 火網 1723 某種方面的聽感平衡度 可能還勝過 1u4 ...

以下是我轉述 wahaha99 (以下簡稱 W) 的內部文章 不過因為他實在下了許多苦功
所以不太想公開太多 (可是他又沒像 nuforce 搞塗黑 :p) 所以我也只能截取修改
語句後轉出 供懂得 DIY 或是想稍微了解 USB DAC 的一些部份 大概在做那些事的
板友參考一下 由於這是我再改的文章 並加上許多縮寫的全名與中文名

所以 如果有轉述錯誤的部份 還請指正 感激不盡 Orz

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1u4 這張音效卡與其他擁有外接變壓器 或是使用電池當輸入的作品不同 他的目的
是希望儘量縮小體積 並能方便取用為考量 (尤其是移動型筆電 且使用中階耳機的
族群) 所以初步設計時 即排除外部供電的思維 不過 這類設計的音效卡畢竟不是
什麼新鮮事 但是現有此類 USB 音效卡聲音的水準 往往還不到一般的基本需求

我想大家知道 USB 的 5V 輸出 是非常不穩定的 不僅是安培數常不足 (理想狀況
下每個 USB 1.1 應該至少輸出 500mA/5V 不過 USB 產品耗電流量 遠超過這個數
值的 比比皆是 更糟的是 5 伏特電壓的供電穩定度 更是時有震盪 所以第一個要
解決的問題 就是 -- 如何提供乾淨的電源環境 -- 相信所有稍微講究點的音響產
品 電源都是需要審慎考量的議題

一開始 W 因為設計錯誤又用錯焊槍 燒掉了他的第一組晶片 (Dopin: 這糗事就跳
過吧 :p) 重新思考佈線後 W 仍想的很直覺 要乾淨的來源 用大的電容濾波就好了
的確 在許多機器上 聲音都表現良好 但是很不幸的 他在光華的 慶X資訊 燒掉了
人家 Intel i5 based 的主機三次 一個 USB 產品會燒 CPU 還得了 ?!! 檢討的原
因 是因為濾波電容量太大 造成插上主機時形成瞬間突波 干擾了 CPU 穩壓的控制
器 這時 32nm 製程的 i5 因為對電源較為敏感 所以就陣亡了 (反之 在我的 AMD
K8/K9(10?) 系統下 CPU 都活的好好的)

W 抱著實驗心情 繼續試插了 45nm 的 Intel i7 不過 結果是安全的

這種設計本身帶有恐佈的缺陷 所以 W 再只好重新思考怎麼樣才能搞定電源這一塊
簡單的說 前面的整個設計都是不行的 必需全部重來 回歸 USB 的規範 建議的輸
入電容 最大只到 10 uF 這麼小的緩衝端 能有多少效果 是讓人心寒的 但是 W 選
擇相當具有挑戰性的做法 他只用 1.4 uF 做為接觸端 據說 這正是產品命名的由
來 (Dopin: 前面那啥生物毒性就算了 ...)

[ 感謝 Huangs 兄指正 : 因為主機板端已有一個濾波電容 所以在此的 10 uF 是
做為一個 5V 的 buffer 供裝置端做暫存緩衝以便 loading 並非整流用的濾波
故容值不需要太大 過大只會造成 USB 供應端的不穩定 ]

為了因應原本就很慘的電腦電源輸入 所以 W 不像別人只用一兩顆 IC 穩壓 他用
了四顆 且不是一般常見的 LM1117 這類型號的 LDO IC (Low Dropout Regulator
IC 相較於傳統的 IC 輸入電壓要高於輸出電壓很多 LDO 這種 IC 相對的不需要差
太多 適用於進出端低伏特差或是需要高穩定性的環境) 又 因為 LM1117 這顆 IC
並不適合用於 ESR (equivalent series resistance 等效串聯電阻) 太低的電容
(電容 ESR 越低 電流消耗小 輸出能力就大) 的狀況 否則供電的穩定性就會出問
題 所以幾經考量 W 選擇了沒有 ESR 下限限制 卻又具有高 PSRR (Power Supply
Rejection Ratio 指 IC 對於電源端雜訊處理的能力 越高表示處理雜訊的能力越
好) 的 LDO IC

因為這樣的設計 手機等不利環境 必需要距離耳機線或音效卡很近的距離 才會聽
到所謂的發射干擾聲

但 光是穩壓與高雜訊處理並不夠 濾波電容還是非常重要的角色 1u4 很小 不像其
他鋁殼產品有較大的空間 所以同時得滿足 空間有限 預算有限 性能要夠用 其實
是有難度的 W 選擇近方型的貼片式電容 但一般鉭電容有安全性上的疑慮 (Dopin:
簡單的說 失效時會 Fire ! 很歡樂吧) 因此 W 選擇了無這類安全顧慮的電容 但
是處理高頻的陶質電容也是不能少的 由於陶瓷電容有所謂的鐵電性 會造成很多不
利音頻好聲的狀況 所以 W 在於選擇上是相當費時費工的 畢竟稍一不慎音質就會
造成大傷害 幸好最後他有克服相關的問題

之於音效卡 現在的類似產品 極少會用交連電容的 (Dopin: 非 DIY 改卡的狀況下
大多是換 OP 調音) 為何會用呢 ? 要從電源輸入說起 因為 USB 並不提供所謂的
負電壓 (-5V) 如果要使用無輸出電容的處理方式 目前較常見的是使用交換式電源
或 Charge Pump ( http://blog.roodo.com/gordonwei/archives/2922551.html )
然後接一顆 OP (Operational Amplifier 運算放大器)

另外的作法 就是採用像 Fireye II 使用的 drv601 類元件 有內建 charge pump
線路的耳機用 buffer IC 但是這樣多出的干擾與零件只會有增無減 電源的處理將
變的更複雜 而且實際上交連電容還是存在的 只是可以換成小容量而高品質的規格
但是這樣一來也浪費了 PCM2704 原本內建的 buffer 結果多餘作用的 PCM2704 的
buffer 反在這樣的條件下成為一個累贅的部份 徒增加失真的不確定因素

又如果說要為了略過這個 buffer 而改用獨立的 DAC 來處理 成本 與 空間(這是
大問題) 又將提升更多 而且 PCM2704 內建的 DAC 跟 LPF (Low Pass Filter 低
通濾波) 也將被浪費掉 這也是為什麼許多 USB DAC 都不直接採用 PCM 系列的原
因 因為如果一開始就要走 DAC 處置方式 那就不應該考慮 PCM 系列 因為這是十
分浪費的事情 PCM2704 雖然只是顆廉價 IC 但也是 Ti BB 的一份子 代表他仍有
一定水準 要找到全面勝出的組合 在同樣的價格下是不容易的

幾經思索 最後 W 決定採用傳統的電容直接交連架構 一方面讓 PCM2704 本身的效
益最大化 另一方面利用更換交連電容做為調音 可以讓音色調整至更接近平衡的狀
態 (Dopin: 嗯 這是理想狀況 Orz) 至於電容交連有什麼缺點 ? 其實就頻率響應
而言 470uf 應該就很夠用了 剩下的音染問題倒是沒有特別好不好 往往只有喜歡
或是不喜歡 (Dopin: 偏偏 W 喜歡冷解析 但我喜歡暖適中 Otz)

像 drv601 這類所謂的 G 類 directpath 技術標榜著擁有比交連電容更低的 THD
(Total Harmonic Distortion 總諧波失真) 但就真的沒有音染嗎 ? (Dopin: 這當
然是不可能的囉 :p) 但這類技術在音效卡上是很重要的 可以提供更高的電壓擺幅
以驅動擁有較高阻抗的耳機 (但阻抗太高的還是得靠耳擴來推才行)

由於 1u4 原本的定位 就是取代內建主機板音效 提升音質並降低失真的設計 所以
嚴格上說來 他是一個沒有什麼能量增益的產品 (Dopin: 事實上 1u4 的推力 還輸
很多所謂的 "內建音效") 所以原本不用耳擴的耳機 "理論上" 是可以不用耳擴 反
之 原本就需要耳擴的 則可能 "更需要"

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最後 本段是我個人的感想 雖然工程版期間 W 的想法都有確實的實現 但是實際送
工廠製作後 礙於種種因素 所以並沒有完全達到期望 高音的音色部份 在許多系統
之下的確是 不夠舒服 但是當時犧牲許多聽感而達成的解析力 倒是沒有損失太多
還在容許範圍內 厚底的調音 也沒有偏離之前的預期太遠 但是出力太小 沒想到卻
成為使用耳機系統的不方便性與不確定性 這是當初始料未及的 而且最後被很多人
以為是電池 (笑) 的交連電容 也變成讓外觀不能再更進一步縮小的不利因素

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修改原因 : 修正錯字
補上 Huangs 兄指正文中錯誤的地方

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