Eine Partnerschaft zwischen der TH Aschaffenburg und Eurocircuits

Überarbeitung des Ausgangsfilters eines High-End Audio-Digital-Analog-Wandlers

Im digitalen Zeitalter ist es zum Standard geworden, seine Musik von einer Compact Disc (CD) oder vom Computer abzuspielen. Mit beiden Geräten kann man die Musik über analoge Ausgänge direkt genießen. Möchte man das Musiksignal digital ausgeben, um es anschließend mit einem hochwertigen Digital-/Analogwandler (engl. Digital-to-Analog Converter, DAC) zu verarbeiten, benötigt man einen digitalen S/PDIF-Ausgang (Sony Philips Digital Interface) beim CD-Player oder einen USB-Anschluss am Computer. Einige Computer-Mainboards verfügen sogar über einen S/PDIF-Ausgang. Das digitale Audiosignal einer CD hat eine typische Auflösung von 16-Bit mit einer Abtastrate von 44,1 kHz. Computer geben hingegen das Signal mit 48 kHz aus.

Im Labor für Digitaltechnik an der TH Aschaffenburg wird viel an digitalen Audioschaltungen gearbeitet. In der Vergangenheit wurde im Rahmen einer Bachelorarbeit ein High-End-Audio-DAC entwickelt. In der analogen Ausgangsschaltung wurden im Tiefpass-Filter Keramikkondensatoren in der SMD-Bauform 0805 verwendet.

In Bild 1 ist das gemessene Spektrum für den realisierten Audio-DAC zu sehen bei einem Testsignal mit einer Frequenz von 1 kHz. Die Messung wurde mit einem Audio Precision APX 515 Audio Analyzer durchgeführt. Man erkennt sehr deutlich Harmonische bei ungeradzahligen Vielfachen (3 kHz, 5 kHz, 7 kHz usw.) des Testsignals.

In einer weiteren Studienarbeit sollten der Tiefpass-Filter überarbeitet und die Keramikkondensatoren durch Film/Folien-Kondensatoren vom Typ FKP 2 der Firma Wima ersetzt werden. Diese sollen gegenüber Keramikkondensatoren bessere Eigenschaften im Audiobereich aufweisen. Das Ziel ist eine Verbesserung der Audioqualität.

In Bild 2 ist das überarbeite Layout zu sehen, das mit Autodesk EAGLE realisiert wurde. Auf der rechten Seite (oben und unten) sind die analogen Ausgangsstufen mit Tiefpass-Filter für den rechten und linken Kanal zu sehen. Zum Einsatz kommen nur die o. g. FKP 2 Kondensatoren.

Die von Eurocircuits gefertigte Leiterplatte ist in Bild 3 zu sehen. Ferner ist diese mit Lotpaste gerackelt und bereits mit allen SMD-Bauteilen bestückt worden. Als nächsten Schritt wird die Baugruppe im Reflow-Ofen gelötet.

Die vollständig bestückte Leiterplatte ist in Bild 4 zu sehen. Man erkennt die vielen roten Bauteile, bei denen es sich um die Wima FKP 2 Kondensatoren handelt.

Bei der anschließenden Vergleichsmessung erkennt man, dass die Harmonischen bei ungeradzahligen Vielfachen (3 kHz, 5 kHz, 7 kHz usw.) des Testsignals fast vollständig verschwunden sind. Andere Harmonische sind deutlich geringer (siehe Bild 5).

Fazit

Die überarbeite Ausgangsschaltung mit Film/Folien-Keramikkondensatoren vom Typ FKP 2 der Firma Wima verursacht deutlich weniger Harmonische im Frequenzbereich bis 20 kHz als mit Keramikkondensatoren. Alle anderen Harmonischen gehen im Rauschteppich nahezu unter. Somit sollte angestrebt werden, keine Keramikkondensatoren in analogen Audioausgangsschaltungen zu verwenden.