Digital Analog Converter (DAC)

Les convertisseurs numérique-analogique (DAC) haute fidélité permettent la transformation des fichiers audio numériques en signaux analogiques. Ce qui est indispensable pour pouvoir transmettre le signal au préamplificateur ou directement à l'amplificateur. Les DAC peuvent intervenir à différent moment dans le chemin du signal, dans cette catégorie nous nous intéresseront principalement aux DAC externes qui sont des composants dédiés à la transformation du signal numérique en signal analogique. Ceci dit un DAC intégré ou un DAC externe fonctionne techniquement de la même façon.

DAC : Le signal

La qualité d’un DAC est souvent déterminée par la sophistication de ses technologies. Par exemple, beaucoup de DAC haute fidélité emploient des techniques de suréchantillonnage pour augmenter la fréquence d’échantillonnage des données numériques avant leur conversion. Ce processus améliore la qualité du son en réduisant les artefacts. Les filtres numériques intégrés contribuent également à éliminer d’autres imperfections sonores, assurant ainsi une meilleure clarté.

Upsampling, c'est quoi ?

L'upsampling est une technique employée pour augmenter la fréquence d'échantillonnage des fichiers audio numériques. L'upsampling commence par l'insertion de zéros entre les échantillons existants du signal numérique, augmentant ainsi artificiellement la fréquence d'échantillonnage. Par exemple, si un fichier audio est initialement échantillonné à 44,1 kHz, l'upsampling peut l'élever à 88 kHz ou plus. Après cette insertion de zéros, un filtre passe-bas est appliqué pour lisser le signal, remplissant efficacement les "trous" créés par l'insertion de zéros et réduisant les artefacts audio. En conséquence, le signal audio reproduit est plus fidèle à l'original, avec une réduction notable des distorsions et une richesse accrue en détails. De plus, l'upsampling améliore la gestion du filtrage numérique requis dans les DAC, permettant l'utilisation de filtres à pentes moins raides qui minimisent les impacts négatifs et affinent la réponse transitoire du son.

Il est cependant important de comprendre que l'upsampling ne génère pas de nouvelles données audio. Il reconfigure et étend les données existantes pour optimiser l'interaction avec les caractéristiques techniques du DAC, dans le but d'enrichir l'expérience d'écoute. Des processeurs numériques de pointe réalisent l'upsampling grâce à des algorithmes sophistiqués qui élèvent la fréquence d'échantillonnage sans introduire d'artefacts sonores discernables.

Le suréchantillonnage

Le suréchantillonnage est conçu pour préparer le signal numérique de façon à maximiser la performance du DAC. En augmentant à la fois la fréquence d'échantillonnage et la profondeur de bit, le suréchantillonnage modifie le signal pour optimiser sa conversion en analogique. Ce faisant, il diminue le risque de distorsions. En haussant le nombre de bits, le suréchantillonnage assure une représentation plus détaillée et plus précise des nuances subtiles du signal audio. Le processus intègre l'utilisation de filtres numériques élaborés, souvent des filtres à réponse impulsionnelle finie (FIR), qui sont optimisés pour fonctionner à des fréquences élevées, minimisant ainsi les dégradations sonores pendant le filtrage.

En outre, le suréchantillonnage contribue à l'efficacité des DAC, qui opèrent mieux sous des fréquences plus élevées, permettant l'usage de filtres analogiques moins restrictifs. Cela réduit les risques de distorsion audible et améliore la netteté du son, facilitant une meilleure coopération entre la source audio et le DAC pour une restitution sonore plus authentique et agréable.

Quels différences entre upsampling & suréchantillonnage ?

La principale différence entre l'upsampling et le suréchantillonnage réside dans les modifications spécifiques qu'ils apportent au signal audio pour en améliorer la qualité de reproduction. L'upsampling se limite à élever la fréquence d'échantillonnage d'un signal audio numérique, comme passer un fichier de 44,1 kHz à 96 kHz ou plus. Cela aide à adoucir les filtres numériques requis par les DAC, réduisant certaines erreurs de conversion et améliorant ainsi la qualité du son.

Le suréchantillonnage, en revanche, englobe l'upsampling et ajoute une augmentation de la profondeur de bit. Cela signifie qu'en plus d'élever la fréquence d'échantillonnage, le suréchantillonnage peut transformer un signal de 16 bits en un de 24 bits, améliorant ainsi la résolution du son. Cette élévation de la profondeur de bit réduit le bruit de quantification, améliore la dynamique du signal, et entraîne une amélioration notable de la qualité audio, avec moins de distorsions et une restitution plus fidèle des détails subtils de la musique.

En somme, alors que l'upsampling s'occupe uniquement de la fréquence d'échantillonnage, le suréchantillonnage aborde à la fois la fréquence d'échantillonnage et la profondeur de bit, offrant une amélioration plus globale de la qualité du signal audio avant sa conversion en analogique par le DAC.

Effet de Gigue (Jitter)

La gigue ou jitter fait référence à des variations temporelles imprécises dans le signal d'horloge qui synchronise la conversion des données numériques en signaux analogiques dans un DAC. En termes simples, c'est le timing inexact lors de la lecture des échantillons numériques. Si le timing n'est pas précisément maintenu, cela peut entraîner des distorsions dans le signal audio converti, car les échantillons ne sont pas convertis aux intervalles exacts prévus. Cela peut créer plusieurs problèmes lors de la restitution du signal comme la modifications des fréquences audio, entraînant une reproduction moins fidèle des enregistrements, la perte de détails ou encore un impact sur la localisation des instruments et des voix.

Pour minimiser ou éliminer les effets de jitter, diverses méthodes sont intégrées dans la conception des DAC. L'adoption d'horloges de haute précision est une des techniques fondamentales pour réduire la gigue, assurant ainsi que le signal d'horloge reste stable et précis. En outre, certains DAC avancés sont équipés de circuits spécialement conçus pour atténuer le jitter avant qu’elle n'influence la conversion numérique-analogique. Ces circuits travaillent à analyser et à corriger les signaux d'horloge pour une synchronisation optimale.

Isoler les composants susceptibles de générer de la gigue, comme les alimentations et les circuits de traitement numérique, du reste du système de conversion numérique-analogique peut diminuer la quantité de gigue dans le signal audio. Par ailleurs, une technique appelée reclocking, consiste à ajuster le signal numérique avec une horloge qui a été régénérée pour être plus stable, juste avant que le signal ne soit converti en analogique. Enfin, l'utilisation de boucles à verrouillage de phase, ou PLL (Phase-Locked Loop), contribue également à stabiliser le signal d'entrée en le verrouillant sur un signal d'horloge stable et propre. Cette méthode aide à maintenir une précision de timing rigoureuse dans le système, garantissant ainsi une qualité audio optimale. Ensemble, ces approches fournissent une solution robuste pour combattre le jitter dans les systèmes audio numériques, améliorant significativement la fidélité et la clarté du son reproduit.

DAC : Chipset

Le cœur d'un DAC est son chipset, qui effectue la conversion numérique-analogique. Ce processus implique de lire les données numériques (comme celles d'un fichier audio ou d'un flux numérique) et de les transformer en un signal analogique continu. Cette transformation se fait grâce à des algorithmes complexes et des procédés électriques précis contenus dans les circuits intégrés du chipset.

La qualité du chipset a un impact direct sur la fidélité audio. Un chipset de haute qualité peut améliorer la dynamique, la clarté, et la précision sonore. Des chipsets de meilleure qualité sont également mieux à même de gérer les taux d'échantillonnage élevés. Des entreprises comme ESS Technology, Burr-Brown (appartenant à Texas Instruments), AKM, et Cirrus Logic sont bien connues pour fabriquer des chipsets de DAC qui sont hautement appréciés dans l'industrie audio. Chaque fabricant a ses propres technologies et approches de la conception de chipsets, offrant ainsi une variété de caractéristiques sonores et de performances.

DAC Ess Technology

Les DAC de ESS Technology, plus particulièrement la série "Sabre", sont célèbres pour leur excellente qualité sonore, leur dynamique étendue et leur faible distorsion.Les DAC de la série "Sabre" utilisent la technologie propriétaire HyperStream® d'ESS, qui est une forme avancée de modulation Delta-Sigma. Cette technologie permet de gérer une plage dynamique très large avec un niveau de distorsion extrêmement bas. HyperStream® offre une architecture de modulation unique qui peut gérer jusqu'à 32 bits de résolution audio et prend en charge des taux d'échantillonnage très élevés.

DAC Burr Brown (Texas Instruments)

Burr-Brown est une marque historiquement reconnue pour ses composants électroniques de haute qualité, avant son acquisition par Texas Instruments en 2000. Les DAC Burr-Brown sont réputés pour leur excellente performance audio, leur précision et leur fiabilité. Burr-Brown a développé la technologie "Advanced Segment" DAC, qui est une approche hybride combinant les meilleures caractéristiques des architectures DAC Multibit et Delta-Sigma. Cette technologie permet d'atteindre une excellente dynamique et une précision sans compromis sur la linéarité et la résolution.

DAC AKM

La société Asahi Kasei Microdevices (AKM), basée au Japon, est reconnue pour la production de DAC qui se distinguent par leur grande qualité sonore et leur utilisation dans des équipements audio haute gamme. AKM a développé une marque de technologie de DAC appelée VELVET SOUND, qui vise à reproduire le son avec une précision riche en détails et en texture, ce qui est souvent décrit comme "velouté". De nombreux DAC AKM utilisent des modulateurs Delta-Sigma avancés qui sont optimisés pour des performances audio haute fidélité. Ces modulateurs aident à fournir une conversion très efficace du numérique à l'analogique, avec moins d'erreurs de conversion et une meilleure gestion des fréquences élevées.

DAC Cirrus Logic

Les DAC de Cirrus Logic sont largement utilisés dans l'industrie audio en général (tels que les smartphones, les tablettes, les baladeurs, etc...) grâce a leur excellente qualité sonore, leur faible niveau de bruit et surtout à leur efficacité énergétique. Beaucoup de DAC de Cirrus Logic utilisent la modulation Delta-Sigma, qui est idéale pour obtenir une haute résolution et une performance audio de qualité tout en maintenant les coûts de fabrication à un niveau compétitif.

DAC : Technologies de chipset

L'univers des technologies de chipset pour les DAC (convertisseurs numérique-analogique) est à la fois vaste et complexe, avec une multitude de spécifications techniques et de terminologies qui peuvent facilement devenir déroutantes. Ces technologies, allant des architectures Delta-Sigma très répandues aux systèmes Multibit, en passant par les R-2R Ladder, offrent des performances et des caractéristiques sonores variées, adaptées à divers besoins. Chaque type de chipset a ses propres avantages et inconvénients, et le choix entre eux peut influencer de manière significative l'expérience d'écoute finale.

Delta-Sigma (ΔΣ)

Ces convertisseurs fonctionnent sur le principe de modulation Delta-Sigma, une méthode qui combine la suréchantillonnage extrême avec un modulateur à un seul bit pour produire un signal analogique à partir de données numériques. Au cœur du processus de conversion des DAC Delta-Sigma se trouve le modulateur, qui suréchantillonne le signal numérique d'entrée à une fréquence bien supérieure. Ce suréchantillonnage s'accompagne de la génération d'un signal d'erreur, obtenu par la différence entre le signal numérique d'entrée et une version filtrée du signal de sortie. Ce signal d'erreur est ensuite intégré sur le temps, technique d'où provient le terme "Sigma" dans le nom. L'intégration aide à lisser les variations du signal d'erreur, produisant un flux de bits à un seul niveau, aussi appelé bitstream.

La modulation par bitstream produit un signal où le bruit de quantification est poussé hors de la bande audio, dans des fréquences plus élevées. Cela permet de faciliter grandement le filtrage analogique final, car le filtre passe-bas appliqué peut être moins complexe tout en étant efficace, ne nécessitant de supprimer que le bruit à haute fréquence sans affecter la gamme des fréquences audibles. Le résultat est un signal analogique qui possède une très haute résolution, avec un rapport signal/bruit amélioré et une distorsion réduite comparativement à d'autres méthodes de conversion.

Les DAC Delta-Sigma sont particulièrement appréciés pour leur efficacité dans la gestion du bruit et leur capacité à produire une sortie analogique de haute précision à partir d'un signal numérique. Cette technologie permet de réaliser des DAC qui non seulement supportent des résolutions audio élevées, telles que 24 bits ou plus, mais aussi de minimiser l'impact des inévitables erreurs de quantification présentes dans tout système numérique.

Multibit

Les DAC Multibit représentent une catégorie de convertisseurs numérique-analogique qui utilisent des architectures différentes des DAC Delta-Sigma pour convertir des données numériques en signaux analogiques. Ces DAC sont souvent privilégiés pour leur capacité à fournir une excellente précision temporelle et une bonne stabilité linéaire, ce qui en fait des choix appréciés dans les systèmes audio de haute fidélité.

Les DAC Multibit traitent plusieurs bits numériques à la fois, contrairement aux DAC Delta-Sigma qui utilisent une méthode de suréchantillonnage et un modulateur à bit unique pour générer un signal analogique. Dans un DAC Multibit, chaque bit du signal numérique d'entrée est traité directement pour influencer le signal analogique final. Une des méthodes consiste à utiliser un réseau de commutateurs et de résistances ou de sources de courant calibrées qui sont activées en fonction des bits du signal numérique. Cette méthode peut offrir une excellente précision et réduire l'effet de glitching, qui est un brusque changement de tension lors de la transition entre les échantillons.

R-2R Ladder

Les DAC R-2R Ladder représentent une architecture spécifique de conversion numérique-analogique qui utilise un réseau en échelle de résistances pour convertir un signal numérique en un signal analogique. Ce type de DAC est particulièrement apprécié pour sa simplicité conceptuelle et sa capacité à fournir une conversion de haute précision. Le réseau R-2R est ainsi nommé d'après l'arrangement des résistances de deux valeurs différentes : R et 2R. Le réseau en échelle est construit de manière à ce que chaque "rung" (échelon) de l'échelle ait une résistance de 2R et chaque connexion entre les échelons comporte une résistance de R. Ce réseau permet une conversion numérique-analogique en utilisant une méthode de sommation pondérée où chaque bit du mot numérique est traité par une partie spécifique de l'échelle.

L'un des principaux avantages du DAC R-2R est sa haute linéarité, grâce à la régularité des valeurs de résistance utilisées dans le réseau. La linéarité est essentielle pour assurer que la sortie analogique change de manière proportionnelle à l'entrée numérique sans distorsions notables. La structure répétitive et symétrique du réseau R-2R en fait une solution robuste et fiable pour la conversion numérique-analogique, avec moins de composants susceptibles de défaillance comparativement à des architectures plus complexes.

Les DAC R-2R peuvent ne pas évoluer aussi efficacement que d'autres architectures pour des applications nécessitant des résolutions très élevées ou des fréquences d'échantillonnage très rapides. Leur performance peut également être limitée par la bande passante des résistances et des commutateurs utilisés dans le réseau.