DAC4499EXは実現するか？　2024.1.31

こんな投稿いただきました。



実は、以前にも同様の投稿を頂いてはいたのですが、あまり触手が動きませんでした。
というのも、AK4499EXが高い！　からです。

AK4499EXはAK4191とペアで使いますが、2つあわせると１万円を超えてきます。DIGIKEYで購入すると、
１万円以上は10%の消費税も加わってきます。

というか、最近のハイエンドDACって高すぎです。AK4499,BD34301、ES9038PRO等等〜。
もうちょっと、庶民のささやかな楽しみの為に手の届きやすい価格帯にしてほしいものです。

もっとも、メーカ側からしたらそんなこっちゃ知ったことはないですし、開発費もかかっている割には
数量はでないでしょうから高くなるのは重々承知です。それに、ハイエンド品の心臓部の１万円程度に
グダグダ言うな！って言われそうです。

ということで、いままでスルーしていたのですが、思わず酔った勢いで１組みをポチってしまいました。
もう、後には引けないなあ〜（笑。

まずはデータ集め

まずは部品が来る前に、必要なデータ集めです。ＡＫＭのＨＰから取り寄せができます。
私の備忘録として下記に置いておきますが、みなさんはAKMのHPから取り寄せてくださいね。
AK4499EXデータシート
AK4499評価マニュアル
AK4499アプリケーションノート
AK4191データシート
AK4191アプリケーションノート

しかし、これらを印刷したらどのくらいの分量になるだろう？

なお、AK4499EXを搭載したDACも割と安価に市販されているようです。
AK4499EXを２個もつかってこの値段だから安いような気もしますが、重量が2kgもないから、
電源はスイッチングでしょうね。

部品の原価を考えると、案外安いかも。

その他、AK4499EXの試聴記事なんかも探してみました。　AV　WATCHに記事がありました。
記事の中に試聴のデモセット（メーカの試作品中でしょう）の基板の様子もありました。
これも参考になります。　DAI部、AK4191､AK4499EX、アナログ部はGNDプレーンが独立していますね。
さらに、AK4191とAK4499EXの信号線にはダンピング抵抗が入っています。案外重要だったりするかもですね。

樋口監督、AKMでデジアナ分離 & 64bitの「シン・オーディオDAC」に目覚める - AV Watch[Sponsored] (impress.co.jp)

へえ〜　2024.2.1

しかし、相変わらずマニュアルのページ数の多いこと！
AK4191は130ページあります。AK4499EXはもっと多いのかな〜と思ったら50ページ程度でした。
まあ、AK4499EXはAK4191の信号を受けるだけなので、設定できる内容も少ないですから、
説明も少なくて済むのでしょう。

で、アプリケーションマニュアルもあわせて一読して、色々とわかってきました。

MCK要らないんだあ〜

　PCM入力でMCKは不要です。正確には、MCKは外付け発振器で別途供給しなければ、いけないのですが、
BCK等とは非同期でいいみたいです。これはRasPiなどと接続するには便利かもです。でも、RasPiのDACに
AK4499EXは勿体ない気もしますが。
　ただ、MCLKにはジッタの低いものを使えとあります。わかってはいるのですが、ワザワザ書かなくてもいいのに、
という気もします。


MCKは非同期でもいいようです。それにしても、「Low　Ｊｉｔｔｅｒ　ＭＣＬＫ！」と強調しているのがウザイなあ〜。

勿論、MCKはPCM入力側から供給することも可能です。こうすれば、クロックのH/Wを省略できるので簡単になります。
ただ、入力できる周波数が限定されていることと、復調器（DAI）のMCKだとジッタが多くなるので、あまり推奨されていない
感じです。アプリケーションにも「簡単な場合」として、紹介してあります。


MCKがPCM信号の中から供給されています。いわゆる同期している状態です。発振器が不要なので簡単ですが、
あまり推奨されていない感じです。

モノラルモードは悩むなあ〜

AK4499EXにはステレオモードとモノラルモードの２種類選択できます。
モノラルモードにするには１個のAK4191に２個のAK4499EXを接続することになりますが、
AK4499EXが高いんだよなあ〜。これって、いっぱいDAC素子を買わせたいメーカの策略だろうか？
メーカのデモセットでも、ステレオモードでつかっているようだから、わざわざモノモードにしなくても、
十分性能がでるということなのだろうか？
　自作ならではとモノモードで攻めるか？（メーカの策略にはまるようで嫌だなあ〜）
　それとも、素直にステレオモードで攻めるか？
どちらを選ぶかで基板の設計が全然ちがってきます。
ちょっと悩んでしまいそう。

構成はどうしよう？　2024.2.4

基本はALL-IN-0NEで
　DAC4499のように、入力のDAIも、ポストアンプもなにもないシンプルなDACのみとするか、
DAC34301のようにDAI機能からポストアンプもすべて含んだものにするかが、まず悩みどころ。
バラバラにしたほうが開発リスクは小さいですが、 使い勝手と、デバッグのしやすさから考えると、
やっぱりALL-INーONEかな〜。
　ただ、複数枚を同時に使えるようには拡張性ももたせましょう。

DAIはPCM9211かなあ〜
　SPDIF入力も必要になるので、DAIはPCM9211をつかいましょう。使い慣れているということもありますが、
AD入力もありますし、PCM切替スイッチとして使えるので便利です。また複数枚をつかうことを前提として、
PCM9211からの入力と外部入力の切替SWを取りつけておいて、どちらも選択できるようにしておきましょう。
そうすれば、追加基板に不要な部品を搭載する必要がなくなります。

ポストアンプはシングル仕様が基本
　私のアンプ入力はシングルエンドで使っていますから、基本的にはRCA出力を前提に設計です.。
ただし、バランス出力も得られるように、取り出し口は用意しておきましょう。
あと、MUTEリレーも搭載できるようにしようかな？そうすれば、電源ON/OFF時のポップノイズを
防ぐことができます。

電源は超低ノイズLDOで
　これはLT3042あるいはADM7154あたりの超低ノイズ品を使用できるようにしましょう。
ただ、メーカのデモボードは割りと簡単なLDOのような気がするので、そこまで奢らなくてもいいのかも。
コストも重要ですからね。


これが電圧レギュレータのようですが、割と汎用品をつかっていそう。

クロックはSi5340で
　AK4499EXは低ジッタ―のクロックを要求しています。普通の水晶発振器でも十分な気もしますが、
折角なので低ジッタのクロックをつかってみましょう。使い方によっては、周波数の可変も必要ですし、
AK4499EXとAK4191とを異なる周波数で動かすのも面白いですし、さらに外部にクロックを供給すること
を考えると、複数のクロック出力が必要になります。
　そうなると、SI5340は４出力ありますし、低ジッタ（90fs)でもあるので、これをつかうのがいいかもしれません。
それに、リファレンスクロックは外部のものも使えます。
MCK,BCK,LRCKのマスター側クロックにもできそうな気もします。

マイコンはＰＩＣそれともＰＩＣＯ？
　当然のことながら制御にマイコンが必要になりますが、いつものPICをつかうか、.
それともPICOにするか悩みます。PICOをつかうとなると、初トライになりますが、
プログラムにバグがあったときの修正配布が簡単です。まあ、サイズはPICが倍程度
大きいだけだから、どちらも搭載できるようにしたら面白いのかもです。

内蔵マイコン無しでも動作可にするか？
　プログラムを自分で組まれる場合もあるでしょうし、また使用するマイコンも色々とあります。
そこで、基板自体はI2Cのみで制御できるようにもしておけば、あとあと汎用性がでるかもしれません。

表示器はLCDとOLEDの両方つかい？
　パラメータ操作はいつものタクトスイッチとLCDにしようかと思っていますが、最近はLCDのサイズが
すこし気になる場合があります。なんせ、20x4文字のLCDになると相当にデカいです。そこで、１インチあるいは
１.3インチのOLED（128x64DOT）のグラフィック表示器がつかえるようにしておいたほうがいいかもです。
これに文字表示をさせると21x8文字が表示可能です。それに、I2Cだけで動かせるので配線も簡単です。

Integration Unitとの連動は？
　技術的には問題ないですが、もうソフト構造は忘却の彼方なので、
思い出して書けるかなあ〜これが一番の懸念かも。

一度ブロック図を書いてみましょう　2024.2.6

まずは簡単に書いてみました。
�@電源は±15Vと5Vがあれば動くように。AK4191とAK4499EXのLDOを分けるので、３つ必要になってきます。
�A入力はPCM9211を使いますが、外部からのPCM/DSDの直接的な入出力（MASTE,SLAVE）も接続できるように。
�B制御はスイッチとリモコンかな〜。あと抜けていますが、ボリューム制御用にエンコーダも必要です。
�Cクロックは内蔵は49.152MHzでここからマスタークロックを生成します。外部クロックも選択可能にしましょう。


全体としてはこんな感じかな？

次は回路図を書いてみましょう。その前に,

Ｉ２Ｃアドレスは大丈夫かな？

ちょっと心配なので、使いそうなＩＣのＩ２Ｃアドレスを確認です。
重複してしまったら、何系統かのＩ２Ｃラインを持たなければなりません。

これは意外だったなあ〜。
Si5340とPCA9539の上位５ビットは同じです。まあ、これらのデバイスは
基板を重ねても１個づつしか使わない予定なので、下位２ビットを分けてやれば
いいのですが、問題はAK4191とAK4499が同じアドレスです。
DUAL　MONOにするならAK4191が１個とAK4499EXが２個なので、
アドレスは足りますが、クアッドモノにしようとするとアドレスが足りません。
クアッドモノまで拡張するこは少ないように思いますが、
それに対応することを考えるとI2Cの通信ラインは2系統用意したほうが
よさそうです。

PINコントロール？それともREGコントロール？　2024.2.7

AK4191は基本的にはREGコントロール（いわゆるマイコンで内部レジスターを設定）
になっていますが、AK4499EXについてはどちらがいいのだろう？データシートを
ながめていていると、なんとなくPINコントロール（マイコンを使わずに設定）を推奨
しているような気になります。というのも、PINファンクションはPINコントロールが
最初に書いてあります。それにPINコントロールで大半の制御ができてしまいます。

マイコンとの接続を絶つことで、すこしでもS/Nに好影響がでるのなら、PINコントロール
にしたほうがいいのかもしれません。ジャンパーピンで設定するかな？

回路図カキカキ　2024.2.9

回路図を書く前に、AK4191とAK4499EXの部品データを作成です。
作成は２通り必要で、I2C通信でレジスター制御にする場合と、
PIN制御にする場合です。まとめて書いてもいいのですが、名前が
長くなってこんがらがってしまいます。


I2C制御する場合のAK4499EXの部品パターン



PIN制御にする場合のAK4499EXの部品パターン

まずは、PIN制御として書いてみましょう。
PIN制御なので、トータルでジャンパーピンが５箇所になります。


PIN制御にする場合は5個のジャンパーピンになりそうです。

PIN制御で大丈夫かな〜？

PIN制御にする場合、レジスター制御に比べて設定出来るパラメータが少なくなることが想定されます。
もし、致命的な問題があとでわかると困るので、何ができないかを確認です。

結果的には、出力の位相調整ができないくらいで、ほとんどレジスター制御と同じことができそうです。

レジスター制御だと出力の位相を反転させることができますが、つかうかなあ？

Sound Controlって使うの？
　データシートを眺めていて、Sound Controlというものがあります。
なにか、音質を変化できそうな響きなのですが、どうやらこれは、Measurement Modeで使わないと
所定の特性が保証できないようです。ということは、あえて変更できる必要はないのでは？と思ったりです。
でも、Sound Quality Modeって響きも気になるなあ〜。


Sound Controlという、なにやら怪しいセッテングがありますが、Setting1で使わないといけないようです。でも、気になるなあ〜。

とりあえず、全体を書いて行きましょう。


まずはアナログ部分（AK4499EX以降）はこんな感じでしょう。

クロック回路(Si5340)の確認　2024.2.10

ディジタル部分の回路図を書く前に、すこし確認です。
なにを確認するかと言えば、Si5340のクロック部分の動作です。
というのも、今回は外部クロック（例えば10MHz)から、マスタークロックである24.572MHz等を生成
するようにもするつもりですが、ちゃんと動くかな〜というところです。これを確認しておけば、
家にあるクロック標準(10MHz)が活用できそうです。

ということで、CLK5340基板を探し出してきてテストすることにしました。

クロック回路の確認のためCLK5340基板を探し出してきました。

10MHzのクロックには、部品箱を探したら、以前に変換基板に搭載したものが
でてきましたのでそれを使います。クロック標準を持ち出せばよかったのですが、
なんせアンテナの接続等も面倒なので、ここは安直な手段で済ませます。


10MHzのクロックを探し出してきて、それと接続です。


温調タイプの発振器です。3.3V動作ですが、温調のためか起動時は500mAくらい流れます。

出力を24.576MHzになるようにプログラムを作成して、テストです。
ちゃんと動きますね。


10MHzの原発振で、所定の周波数出力になることをわかりました。

気をつけなければいけない点はデータシートから、入力信号のSR(Slew Rate）の最低値が規定されています。
これを満たさないと、所定のジッタ性能がでないということのようです。ということで、10MHzの基準発振器が
正弦波の場合は、事前にクロック成形をしておく必要があります。

SI5340では入力クロックの最低SRが規定されています。


電圧レギュレータはどうしよう？

最初は安直に、LT3042（max200mA)で十分かなあ〜と思っていましたが、
SI5340が意外と大食いなのを思い出しました。LT3042では役不足です。
ADM7154(500mA)にしておいた方が無難ですが、それでも大丈夫だろうか？
念のため、主要な素子の消費電流を確認です。

こうやって眺めてみると、Si5340だけが大食いだなあ〜。
LT3042ではやっぱり役不足になりそう。

AK4499EXには5Vと3.3Vの超低ノイズLDOを使うのはほぼ確定。
ディジタル部の1.2Vは14mAしかないので勿体ないけどLDOを使用（ADM7154)。
ディジタル部の1.8VはLDOを使用（ADM7154)。
ディジタル部の3.3VはPICを含めてロジックICや水晶発振なども含みますから
おそらく300mAくらいになりそうです。1個のLDO(ADM7154なら500mA)でも足りそうです。
PICなんかに超ノイズ品をつかうのは勿体ないので、分離してやろうかと思いましたが、
AK4191よりPIC側の電源が先に立ち上がってしまったりすると、AK4191のディジタル入力の
電圧範囲を超えてしまう恐れもあるので要注意です。

電源部分はどうするかちょっと悩みそうです。

次はディジタル部の回路図　2024.2.10

こんな感じかな？　PCM/DSDの入力は３系統も必要ないので、１つ減らしもいいかもです。
１つの外部入力PCMについては、マスターモードとスレーブモードのどちらも対応可能なようにしましょう。

あ、PCMとDSDの自動切替回路はどうしよう？


次はディジタル部分の回路図です。

あとは、クロック部分とMCU部分、そして電源回路だなあ〜。

クロック回路は　2024.2.12

内蔵のクロックは49.152MHzのXOを使い、外部入力は２系統としておきましょう。
MCLKの出力はAK4499EXとAK4191と個別に供給します。


クロック回路です。


評価基板の電源はどうなっているのかな？

電源にどのようなレギュレータを使うかは悩んでしまいますが、
評価基板ではどのようなものをつかっているか、ちょっと調べておきました。

こうやって見ていると、AK4499EXのアナログ部分、その中でもVREFH電圧だけは、品質の良いものが
必要だけど、それ以外はなんでもいいような感じです。LT3021は入出力差の小さいLDOですが、
これをつかう理由は3.3Vから1.8Vを生成するとなると1.5V程度しか差がありませんから、
一般的なLDOでは難しかったからでしょう。

結論としては、どこかしこも、超低ノイズLDOを使わなくてもいいということだと思いますが、
ここは自作の世界ですから、拘りをもって出来るだけ高品質な電源でまとめてしまうというのが
いいのかもしれません。でも高品質のLDOって高価（１０００円くらいする）なのですよね〜。
どうしよう？

必要電源は3系統に絞りましょう

電源を分離しだすとキリがないのと、電源間の電位差に縛りのあるところもあります。
ケースが電源だらけになると配線も大変なので、必要な電源は３系統のみにしましょう。

１．OPアンプ用電源（±12〜±15V)
２．DACのアナログ用電源　6.5V　（基板内で5Vにドロップ）
３．ディジタル用電源　5V　（基板内で3.3V,1.8V,1.2Vに変換）

AK4499EXのアナログ部分には超低ノイズのLT3042を左右分離で２個使いますが、
あとは一般的なレギュレータです。ただ、Si5340は結構大食いなこともあって、
Si5340の3.3Vと1.8Vはレギュレータを分けています。他と共用でも容量的には
大丈夫なのですが、できればDACと分けたほうがいいかなあ〜という感じです。


電源回路です．結構な数の電圧レギュレータが必要です。

MCUはどうしよう？　2024.2.15

マイコン（MCU）はAK4191を制御する上で必須になりますが、なににしようか？
いつもはPICですが、PICOにすればソフトの変更時などの対応も可能です。
PIC（SDIP28)とPICO(DIP40)のパッケージサイズは勿論ことなりますが、
両用のパターンにすることはさほど難しくありません。

PICOのパターンも追加するか？

課題は、PICでいままでやっていたことがPICOで出来るかです。
正確には、問題なく出来るのは間違いないところなのですが、
どうやったらできるかです（あまり経験がない）。

過去にPICOや秋月マイコン（RP2040)で遊んだ記憶がありますが、
今一度確認です。

過去の記事は下記です。しかし、そろそろカテゴリー別に記事を並び
替えたほうがいいなあ〜。自分でもどにあるか探すのが大変です。
＜過去記事＞
ちょっとTea Time !? Raspberry Pi　のPICOを動かしてみる。　2021.8.5
ちょっとTea Time!? PICOの開発環境を揃える（備忘録）　2022.7.10
ちょっとTea Time!? 秋月のRP2040マイコンボードを動かしてみる！　2023.3.1

PICOでの必須の機能はインターバルタイマーでの割り込み機能です。
これは操作キーを押したことをチェックするルーチンを起動するためです。
この割り込み機能があることは確認していますが、その割り込みが停止できる
かどうかです。というのも、赤外線リモコンからの入力を検知したら、
そちらにかかりっきりになるので、一旦割り込みを禁止しなくてはなりません。
ただ、割り込み禁止がどうすればできるかが、まだわかりません。

このPICOの復習については、ここの記事の本質とは異なるのでTea Time!?で
検討しましょう。
ちょっとTea Time!? PICO（RP2040)を思い出してみる（備忘録）

作業再開！　2024.2.26

途中、Dクラスアンプで遊んでみたり、Pi5で遊んでみたりと茶々がはいりましたが、
すこし落ち着いたので作業再開です。（また別の茶々が入っていますが・・・・）

基板サイズは悩むなあ〜

ほぼ回路図もできてきているので（MCU周りはまだですが）、CADで基板パターンを考えていきます。
いままで出来るだけ、基板サイズを統一するようにしていましたが、今回はすこし大きくなりそうです。
まずは、主な部品を搭載してみて、どの程度の基板サイズであれば良さそうか検討です。

今回の基板は結構大きくなりそうで、およそ170x110mmくらいのサイズになりそうです。

下図の基板はまだまだ余裕がありますが、これから電解コンデンサやコネクタなどの比較的場所を
とりそうな部品が乗っかってくるので、最終的にはもっと実装密度が高くなるでしょう。

ひょっとして、このサイズでも収まりきらないかもしれません。

上：今回のサイズになりそう（約170mmx110mm)。かなりゆったりできるかも。
下：標準サイズ(DAC4499)とWIDサイズ

（つづくかな？）