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HiFi-Lexikon: D/A-Wandlung mit Ladder-DAC oder R2R-Netzwerk

Als 1982 die CD eingeführt wurde, waren die D/A-Wandler in den Playern vom Ladder-Typ. Heutzutage dominieren Delta-Sigma-DAC-Chips (etwa von AKM, ESS etc.). Der Begriff Ladder-DAC oder R2R-Netzwerk leitet sich von der Leiter-förmigen Anordnung und der Dimensionierung der einzelnen Widerstände, die zur Wandlung des Datenworts geschaltet werden, ab.

Der Bartók APEX von dCs mit Ladder-DAC-Technologie

Der englische Hersteller dCS – im Bild der Bartók APEX – ist bekannt für seine auf die Spitze getriebene, auf einem Ladder-DAC-Design aufsetzende Lösung namens „Ring DAC“

Das eingehende Bit-Wort entscheidet: Welche Widerstandspfade werden geschaltet?

Das Grundkonzept eines Ladder-DACs, auch R2R-Netzwerk genannt, ist vergleichsweise einfach erklärt: Eine Referenzspannung liegt an einem komplexen Widerstandsnetzwerk an, das so beschaffen ist, dass sich diese Referenzspannung (und genauso der Strom) auf verschiedene Widerstands-, sprich Signalpfade aufteilt. Wie die Aufteilung erfolgt, d. h. welche Signalpfade tatsächlich geschaltet werden, entscheiden die anliegenden Bits bzw. das jeweilige zur Wandlung anstehende Bitwort.

Gehen wir vom Redbook-Standard, also von einem 16-Bit-Wort aus, das zur Wandlung ansteht: Besteht es nur aus Einsen, werden alle Signalpfade durchgeschaltet – besteht es dagegen nur aus Nullen, liegt an keinem der Pfade eine Eingangsspannung und es fließt auch kein Strom. Dazwischen gibt es 2 hoch 16 (minus 2) Zwischenwerte und die Ausführung findet 44100-mal in der Sekunde statt.

Ladder-DAC-Lösung von Aqua

Opulent: Wo sonst ein DAC-Chip von der Stange steckt, finden sich bei diesem Ladder-DAC (Aqua Formula xHD Rev.2) vier Widerstandskaskaden (Bildmitte), die zusammen mit einem FPGA-Baustein (links vor dem Viererensemble) die Wandlung des Signals bewerkstelligen

Jedem Bit ist ein individueller, fester Spannungswert zugeordnet

So trägt jedes Bit über seinen eigenen Signalpfad einen festen (oder eben keinen) Anteil zur letztlich resultierenden Ausgangspannung bei. Darüber hinaus sorgt die Anordnung der Widerstände dafür, dass diese fixen Anteile je nach Bit unterschiedlich hoch ausfallen beziehungsweise jedes Bit einen spezifischen festen Spannungs- bzw. Stromwert repräsentiert: Ausgehend vom höchsten Bit halbieren sich die geschalteten Ströme von Digit zu Digit des Bitwortes typischerweise.

Alle Pfade laufen zusammen: Das Ausgangssignal

Als Ausgangsspannung/-strom erhält man schließlich ein von den anliegenden Bits definiertes Summensignal. Danach wird gefiltert, heutzutage meist digital, um sogenannte Spiegelspektren zu entfernen – das sind Vielfache des ursprünglichen Nutzsignals im Ultraschallbereich, die durch den Digitalisierungsprozess entstehen. Und schließlich ist der Informationstransfer von der Bitebene (verschiedene analoge Einzelsignale mit entweder 0- oder 1-Information) in ein einzelnes analoges Signal vollzogen.

Vor- und Nachteile von Ladder-DACs/R2R-Netzwerken

Eine Schwierigkeit des R2R-Konzepts: Die Widerstände müssen sehr präzise sein, denn sind sie es nicht, entstehen Amplitudenabweichungen, die insbesondere bei leisen Passagen in der Musik stören können. Eine weitere: Ladder-DACs lassen sich nicht so gut in ICs wie die DAC-Chips vom Delta-Sigma-Typ integrieren, produktionstechnisch ist die diskrete Bauweise aufwendig. Dafür bieten Ladder-DACs/R2R-Netzwerke von Haus aus hohe Schaltungsgeschwindigkeiten beziehungsweise Bandbreiten. Auch das Problem des Pre-Ringing (künstliche Vorschwinger im Ausgangssignal) durch die Digitalfilter einer Delta-Sigma-Wandlung umgehen sie.

Auch das für die Delta-Sigma-Wandlung typische Oversampling sehen Befürworter von Ladder-DACs häufig kritisch: He höher der Arbeitstakt, desto größer der Anteil einer gegebenen Timingungenauigkeit am je einzelnen Sample, lautet das Argument.

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