AK4499 For All开发、测试小记

z-raymond

Ak4499这款芯片相信大家都有所耳闻，是AKM最近推出的一款电流输出型4通道DAC芯片,芯片的具体指标和参数我在这里不多做赘述，网上也是好坏各半的评价。因该芯片具有硬控（只支持I2S通信的PCM信号）及软控（全能）功能，为了将最新的DAC芯片拉下SHEN坛走群众路线，我就计划着做一块通吃的板子，因此命名“AK4499 For All”。
DAC想好声，供电是关键，该芯片的主要供电需求如下：数字部分5v供电、数字部分3.3v供电、数字部分1.8v核心供电（该组核心供电可由引脚控制为内部LDO供电）、模拟部分5v供电、模拟部分2.5v偏置电压供电。
因为该芯片为四通道，根据其引脚排列，分为两个独立通信通道，即在I2S信号下，两个通道共用BCK、LRCK，一个通道使用SDATA1，另一个通道SDATA2；在DSD信号下，两个通道共用DCLK，SDATA2则变成DSDL2，另外又有一个DSDR2引脚，这样也形成了一个左右声道。表面上，两路数字信号分配给两侧的两个双声道，实际上，可以在软控状态下调整任何一个声道使用任意信号源里的左或右声道的数据。至于其它的数字滤波输入、DCHAIN数据链工作模式搞大并联用，我没有这个水平去研究个透彻。

言归正传，根据两侧的两个通道引脚排列，我将模拟部分的供电也分为两组，我相信有发烧友有能力分为四组，但是我并不想把空间搞得太复杂，即使以后用软控，每个通道作为一个声道使用，左右声道独立供电也是非常到位了，因为供电分得多了，分离度是好的，但是精度会变差，好坏参半，适可而止。
值得一提的是，这次的芯片数据手册中，是包含了关于偏置电压的使用的，因为电流型DAC需要一个偏置电压来平衡内部恒流源的静态电流，这里科普一下：电压型DAC的输出可以是正负电压的交流信号，但是电流型DAC的输出由于其内部构造，无法完成正负电流的输出和过零时候的开关状态的连续性，所以会有一个稳定的恒流源，电流或大或小，但不会关断，始终围绕在恒流的左右形成交流信号，经过I/V转换后就成了一个交流电压，因为恒流的存在，I/V转换后的输出就会有一个恒压源的存在，整个波形在运放正电压的一侧偏多，这样很容易造成放大倍数过大时，摆幅超过供电及运放的最大放大电压造成削波失真，也可能因为运放的放大曲线而造成波形失真，因此，偏置电压就用来让信号回归到运放正确摆幅范围内，让上下半周平衡，使得失真最小（这里埋个伏笔，关于如何调整偏置电压使用上下半周信号的平衡与不平衡所产生的失真度来调声）。

z-raymond

该芯片的数据手册中关于偏置电压的产生是简单使用分压电阻配合电容，在模拟的5v供电中分压出2.5v电压来，这样做的优点是元件简单，稳定可靠。但偏置电压毕竟也是一个电源，即使分压电阻后面会有电容来稳压，但是使用的2k电阻也就直接成为了这个电源的内阻。根据TI的HiFi Audio Circuit Design一文中推荐的使用OPA1688运放的超低噪音供电电路为范本，利用该运放本身的双通道，利用一组采样电阻，配合精密多圈电位器，我设计了可调的偏置电压，每组通道需要的两个偏置电压正好由一个运放的两个通道来提供，优点是噪声低、内阻低，关键是电压可小幅调整。在对系统声音产生影响最大的I/V转换电路中，为什么对偏置电压的设置成为调声的关键，那就是因为在电流输出本身的恒流源在转换后变成了恒压源，原始的交流信号并没有被在运放的0v输出左右摆动，而是偏在正电压的放大区间内更多。我们知道即使是运放，其内部也是会有放大倍数随着放大的电压变化而变化、也是会有过0时候的轻微失真的，因为这两种失真的存在，而声音波形的完全平衡放大不一定就是声音听感最佳的时候。就像MBL6010前级中在运放上加一个偏置电压成为调声方法，让波形处在一个非对称的轻微失真状态，这已经得到了认可。同时因为I/V转换运放自身的一些不对称、不匹配性，根据实际的测试结果，即使加了偏置电压，也会存在放大波形不对称，所以，可调的偏置电压是十分有必要的。
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z-raymond

仔细阅读芯片手册，我发现芯片的总功耗被分解成每个部分独立的功耗，而且所需的电流经多路电压分解后也不需要很大，因此我使用了超低噪声的电源芯片LT3042，数字5v、数字3.5v是两枚串联，1.8v的核心供电交给芯片自带LDO，因为外部供电LDO的噪声及 PSRR已经非常优秀，所以完全可以依赖芯片内部自己供电，不会引入更多噪音，也极大的简化了线路。模拟部分2个通道也同样分别使用1枚LT3043，200mA的最大供电电流在良好的散热下没有问题，最重要的还是噪声低、指标好，DAC芯片的模拟部分不像后面的放大电路中那样不需要那么多的功率富余，精准才是重中之重。

z-raymond

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在布线上，我对数字地、每个通道的模拟地进行了划分，三者在芯片的底部TAP处结合，由于数字信号输入还一个保护地层，为了避免该地层的高频耦合噪声通过芯片底部，在数字信号输入的较长距离的保护地用一个飞线焊盘使用飞线飞到数字供电的接地处，老式DAC的常见招数用来一点接地。按照意大利模块的尺寸（也是Xmos等异步USB数字接口的通用尺寸）还有设计方案，使用了ISO7640作为模块与板子的接地物理隔离。根据一贯的设计经验，每个通道的模拟部分包括芯片的部分，上方依旧是接地层，下方对应区域为模拟供电层，这样形成的一个压差电场可以带来优秀的屏蔽指标，也方便各种供电的快捷需要。整个布线功能区域的划分，配合元件的摆放，形成的以DAC芯片为核心的凤凰状结构，看起来是不是有点北京大兴机场的设计灵感！
线路好了以后当然是测试，这一等就是半年，本来板子在国庆前就打样好，也是准备为祖国庆生写一个设计心的，奈何本职工作因为大庆维稳和城市创文的需要特别的忙，再加上芯片昂贵（当时一片需要600元），测试就一直延期。直到年后疫情缓和些，快递恢复了，才陆续购买了元件和芯片（这时候已经降价到400元）。焊接时非常紧张没有把握，128的HTQFP，太密集，生怕短路，也怕烫坏，主要还是太贵，元件跟前能找到凑合用的都用上了，没有的才去买，也算基本按照原参数。记得之前说过的电源进芯片要经过4.7欧和1欧的电阻了吗，这时候发挥作用了，我先不焊接他们，调试供电。数字部分正常，模拟部分没有？原来是数字供电没进入核心区，模拟部分电源芯片的EN没有信号，为什么要这样设计，因为数据手册要求模拟供电要晚于数字供电以保证系统稳定，因此一个使能代表数字供电达到电压，解决了先后的问题。飞线接上EN后，上电，一路没有输出，量一下，没有输入，原来是供电芯片的输入是画的覆铜，被自己一根EN布线直接斩断竟然没发现（大BUG，测试值了），依然飞线，模拟供电正常，检测偏置电压过高，调节范围最低达不到，无奈因为串联的电压采样电阻阻值设置不对，先把多圈精密调整至中点附近，串联一个500k大电位器，慢慢拧，发现电压相近的时候，把大电位器焊下来，测量、计算出应该使用的固定采样电阻值，记录。有人问，你为什么不用一个大一点的多圈电位器，这样电压调节范围就大了，串接的好处是可以让电位器范围尽量小，又要可调，因为如果电位器过大，螺丝刀轻轻一动，上下好几百mv，那会非常累，而且不稳定，会飘。因此既要能调，又要调得准，这是目标。现在20k精密多圈的调电位器调节电压在2.1-2.9v，如果需要更大范围偏置电压调声，可以减小上下固定采样电阻值（分别是140k和100k），增加电位器值。等到电压调试完毕，我将供电电阻焊接上。后来在焊接2200uF的主芯片旁的滤波电容时，意外发生了。由于是用的跟前的旧电容，焊接时候突然电火花一冒，我顿时凹糟了，放了将近7年的电容竟然还有电，我还忘记放电了，这下完蛋，虽然保护的稳压二极管已经焊接，但是真的很怕主芯片打水漂。就这样忐忑的心情，我一个星期没有敢去接电测试。
周末，难得的双休，我终于鼓起勇气去接电了。上电后，我用电脑上的波形输出小程序输出1000hz正弦波，测试I/V转换的输出，示波器无波形输出，心里一凉，断电，忧伤。平复心情的又花了一星期，又仔细看了一遍数据手册，应该是只接硬控PSN、上电复位PDN、时钟电压VTSEL三个控制引脚还不够，还需要选择数字输入格式TDM0~1（这两个一开始没有注意要用上，实际硬控模式接地即可，直接飞线，软控用不上，可以保持接地）、DIF0~2、数字滤波器模式SD、SLOW、SSLOW才行吧，按照手册默认和实际需要，选择了跳线位置，又上电，放了首歌，有波形！按耐住激动的心情，使用波形输出，能有正常输出，虽然有一点失真，那也只是测试电压不足手册要求的双15v且I/V电路的反馈电阻阻值过大导致波形削顶，测试了一些频率，总结了一些问题，思考了一些问题的解决方法，断电，继续平复心情。平复下来以后，忘记把测试过程拍照留念了，于是又去上电开机，没有波形，又闷了，测试电压正常，各种检查，热风也吹了，放置碰到哪里虚焊了，结果还是不行，最后发现核心电压1.8v引脚无电压，当时考虑可能是上电复位的问题，经测量，发现断电后数字供电仍有电压，经检查，是飞线过来的数字信号把电压引入，导致PDN没有上电复位，所以数字信号隔离还是有必要的。断掉数字信号接口，先接电，再接数字信号，依然无用，继续量电压，表笔不小心短接PDN和地，数字核心1.8v瞬间恢复，波形输出正常！再关机，再通电，还是需要短接一下PDN，好吧，上电复位电容偏小，首次上电成功，后来各种电容里有了电，断电不能彻底放光，系统开机响应速度快了，导致上电复位时间不足。原因查找到了，但是代价也是大的，四个大电容守卫给我拆下来方便检查了，现在的波形正常输出了，但是去掉这四个电容，波形没法看了，毛刺很密集，因此这四个电容很关键！一颗心终于可以平静下来，今天也没有心思拍照了，连夜把这篇早该写的文章写好吧，相关的BUG和需要改进的地方就是下个星期在电脑上的事情了，一切完善之后，就是出正式版和研究软控的时候了，希望这块板子快快造福烧友，更希望芯片降价让大家接受。

侃单

关注中，我的4499已经开声，主控目前用F7计划换H7 用于读取DSD MCLK

z-raymond

侃单 发表于 2020-5-16 10:01
关注中，我的4499已经开声，主控目前用F7计划换H7 用于读取DSD MCLK

私聊我，我现在缺主控。

hwd31802

z-raymond 发表于 2020-5-16 09:59
在布线上，我对数字地、每个通道的模拟地进行了划分，三者在芯片的底部TAP处结合，由于数字信号输入还一个 ...

像看天书一样一字不漏看完，还是一脸懵逼，太复杂了，看不懂，128脚搞不来，焊接都是问题，还是折腾我的PCM63,声音也不错，不知AK4499比PCM63好多少？

timtombj

也想知道和pcm63比较有啥差别

lter15

加ISO7640会有增加几百ps的抖动哦

z-raymond

lter15 发表于 2020-5-18 17:13
加ISO7640会有增加几百ps的抖动哦

wood2k

这些新的DAC接播放CD的同轴，能有多好？我觉得CD用PCM58、63、1704，足够用了，至于新的数播，那就再说了……

lter15

z-raymond 发表于 2020-5-18 19:47

看看ISO7640的资料吧

Upuops

ns抖动哦

ISO764x

胆中的彩虹

终于看到有人搞AK4499了，我很欣赏这个芯片，我觉得在所有DAC解码芯片中只有AK4499是真DSD解码，但无力开发。
这个芯片的输出是PCM和DSD各自独立的，因为PCM和DSD的 filtering参数完全不同，不知老兄在模拟部分是怎么处理的？

lter15

Upuops 发表于 2020-5-19 23:50
ns抖动哦

这个是延迟，不是抖动哦

lter15

胆中的彩虹 发表于 2020-5-20 16:43
终于看到有人搞AK4499了，我很欣赏这个芯片，我觉得在所有DAC解码芯片中只有AK4499是真DSD解码，但无力开发 ...

看看CS4398 AK4490？

Upuops

更正:
延迟 -> 抖动其中一个元素

飞天狼001

支持！主楼每声道4个DAC是如何运用转单端的？是二级差动转单端，还是并联后一级差动转单端？
还有如果只用到单端就可以不用2.5V基准电压，差动转单端会把±输入端的2.5V电平抵消掉，输出稳定在0V。
当然平衡应用的话，高质量的2.5V基准是必要的。

xmlhifi

玩到4499还是为听运放声？