ЦАП ES9023: Подробный технический обзор популярного чипа ESS Technology

Введение и общая характеристика

Цифро-аналоговый преобразователь ES9023 от американской компании ESS Technology представляет собой один из наиболее популярных и доступных чипов семейства Sabre DAC. Этот 24-битный стерео ЦАП с интегрированным операционным усилителем способен обеспечить выходное напряжение до 2 В среднеквадратичного значения, что делает его привлекательным решением для широкого спектра аудиоприложений.

ES9023 позиционируется как «Premier Stereo DAC» и объединяет в себе технологию Sabre DAC с минимальными требованиями к внешним компонентам. Микросхема построена на базе запатентованной архитектуры HyperStream и включает систему устранения джиттера Time Domain Jitter Eliminator, что обеспечивает динамический диапазон до 112 дБ.

Технические характеристики и архитектура

Основные параметры

ES9023 характеризуется следующими ключевыми техническими параметрами:

Разрядность: 24 бита
Динамический диапазон: 112 дБ
Максимальное выходное напряжение: 2 В RMS при питании 3.6В, 1.9 В RMS при питании 3.3В
Корпус: 16-выводной SOP
Интерфейсы: I2S или left-justified
Встроенные функции: charge pump для отрицательного питания, подавление помех при включении/выключении

Архитектурные особенности

Одной из главных особенностей ES9023 является встроенный charge pump, который генерирует отрицательное напряжение питания. Это позволяет микросхеме работать от единственного источника питания AVCC и обеспечивать выход, привязанный к земле, без необходимости использования разделительных конденсаторов на выходе.

Архитектура HyperStream обеспечивает высокое качество цифро-аналогового преобразования с минимальными искажениями. Система Time Domain Jitter Eliminator делает микросхему невосприимчивой к джиттеру тактового сигнала, что критично для высококачественного воспроизведения звука.

Энергопотребление и тепловые характеристики

ES9023 отличается низким энергопотреблением, что делает его подходящим для портативных устройств. При работе микросхема потребляет минимальную мощность, а при переходе в режим Mute автоматически переключается в режим пониженного энергопотребления.

При активации пина MUTE_B выходной сигнал плавно снижается до нулевого уровня за время 25600/fs секунд, где fs — частота дискретизации в Гц. После достижения нулевого уровня аналоговая секция отключается, и ES9023 переходит в режим standby с низким энергопотреблением.

Схемотехника и сложность обвязки

Минимальная конфигурация

Одним из главных преимуществ ES9023 является простота реализации. Микросхема требует минимального количества внешних компонентов для полноценной работы. Базовая схема включения содержит:

Конденсаторы развязки по питанию
Резисторы для настройки выходного уровня (опционально)
Фильтрующие элементы на выходе

Особенности разводки печатной платы

При проектировании устройств на базе ES9023 важно учитывать разделение аналоговой и цифровой земли. Опытные разработчики рекомендуют использовать ферритовые бусины для развязки аналоговой и цифровой частей схемы.

Критично качество конденсаторов в аналоговой части — рекомендуется замена дешевых керамических конденсаторов Y5V на высококачественные NP0 или пленочные конденсаторы. Также важно установить качественные электролитические конденсаторы на выход charge pump (пин 11, -3В).

Готовые продукты на базе ES9023

Коммерческие решения

На рынке представлено множество готовых устройств, использующих ES9023:

Audiophonics I-Sabre DAC ES9023 TCXO — популярное решение для Raspberry Pi с поддержкой высококачественного тактового генератора. Пользователи отмечают отличное качество звука и простоту интеграции с операционными системами для аудиофилов.

SMSL PS100 — многофункциональный ЦАП с поддержкой USB, SPDIF, HDMI ARC и Bluetooth 5.0. Устройство обеспечивает обработку сигналов до 24 бит/192 кГц.

HiFiMeDIY Sabre Tiny — компактное USB-устройство, разработанное энтузиастами DIY-сообщества для создания доступного, но качественного ЦАПа. Устройство ограничено частотой дискретизации 48 кГц/16 бит из-за использования USB-приемника PCM2706.

DIY-проекты

ES9023 чрезвычайно популярен среди самодельщиков благодаря простоте реализации. Многие проекты основаны на недорогих китайских платах, которые затем дорабатываются для улучшения качества звука.

Типичные модификации включают:

Замену дешевых конденсаторов на качественные
Установку стабилизаторов питания
Добавление активных фильтров нижних частот
Улучшение развязки питания

Качество звука и слепые тестирования

Субъективные оценки

ES9023 получает положительные отзывы от пользователей за качество звука, особенно с учетом низкой стоимости. Многие отмечают ровный тональный баланс, хорошую детализацию и отсутствие явных искажений.

Результаты слепых тестов

Данные слепых тестирований показывают интересные результаты относительно воспринимаемого качества ЦАПов. В одном из российских слепых тестов ES9023 показал себя достойно среди более дорогих решений. Устройство на базе ES9023 в балансном включении использовалось в ЦАПе Cary Audio DAC100, который участвовал в сравнительном тестировании.

Международные слепые тесты ЦАПов показывают, что различия между современными ЦАПами при правильной реализации минимальны. Участники тестов не смогли надежно различить 30-долларовый ЦАП Fiio и 3000-долларовый Forssell при согласовании уровней.

Проблемы с интермодуляционными искажениями

Одним из выявленных недостатков ES9023 являются высокие интермодуляционные искажения (IMD) при хороших показателях THD+N. Это может проявляться в прослушивании как ухудшение качества звука в сложных музыкальных пассажах.

Сравнение с конкурентами

ES9023 vs AK4493

При сравнении ES9023 с более современным AK4493 от AKM наблюдается следующая картина:

AK4493: Более высокие технические характеристики, лучше IMD
ES9023: Значительно дешевле, проще в реализации, достаточное качество для большинства применений

Пользователи отмечают, что для скромных настольных систем ES9023 вполне достаточен, и переход на AK4493 дает незначительное улучшение.

ES9023 vs ES9018/ES9038

В линейке ESS Technology ES9023 является начальным уровнем:

ES9018: Более детальный, но может звучать «ядовито» без правильной обвязки
ES9038 PRO: Топовое решение с отличными характеристиками, но значительно дороже
ES9023: Сбалансированное решение начального уровня

Сравнение с мультибитными ЦАПами

ES9023, как представитель дельта-сигма архитектуры, отличается от классических мультибитных ЦАПов. Мультибитные решения на базе PCM58, PCM63, PCM1704 могут предлагать более естественное звучание, но имеют худшие измеримые характеристики.

Помехозащищенность и jitter-устойчивость

Одним из ключевых преимуществ ES9023 является встроенная система Time Domain Jitter Eliminator. Эта технология делает микросхему практически невосприимчивой к джиттеру тактового сигнала, что критично при использовании недорогих источников.

Патентованная архитектура HyperStream обеспечивает дополнительную защиту от помех в цифровом тракте. Это особенно важно при интеграции в устройства с высоким уровнем цифровых помех.

Тем не менее, качество аналоговой части схемы остается критичным для достижения максимального качества звука. Правильная разводка печатной платы и качественные компоненты могут значительно улучшить помехозащищенность.

Ценовая политика и рыночное позиционирование

ES9023 позиционируется как решение начального уровня с отличным соотношением цена/качество. Стоимость самой микросхемы составляет несколько долларов, что делает ее доступной для массового производства.

Готовые модули на базе ES9023 доступны в ценовом диапазоне от 20 до 100 долларов, в зависимости от комплектации и качества реализации. Это делает их привлекательными как для начинающих аудиофилов, так и для использования в бюджетных коммерческих продуктах.

Китайские производители активно используют ES9023 в недорогих USB-ЦАПах и звуковых картах, что способствует его широкому распространению.

Области применения

Потребительская электроника

ES9023 широко используется в различных категориях потребительской электроники:

Blu-ray плееры и DVD-проигрыватели
Цифровые телевизоры и set-top box
Аудио ресиверы и звуковые панели
Настольные и портативные аудиосистемы

DIY и энтузиасты

Простота реализации делает ES9023 популярным выбором для самодельщиков:

USB-ЦАПы для компьютерного аудио
Модули для Raspberry Pi и других одноплатных компьютеров
Модернизация старого аудиооборудования
Образовательные проекты по цифровому аудио

Профессиональные применения

Несмотря на позиционирование как решение начального уровня, ES9023 находит применение в некоторых профессиональных областях:

Студийное оборудование начального уровня
Системы фонового озвучивания
Измерительное оборудование

Недостатки и ограничения

Технические ограничения

ES9023 имеет ряд ограничений, которые важно учитывать:

Высокие интермодуляционные искажения: Могут проявляться в сложных музыкальных пассажах
Ограниченный динамический диапазон: 112 дБ хорош для начального уровня, но уступает топовым решениям
Встроенный усилитель: Может быть источником дополнительных искажений в требовательных применениях

Зависимость от реализации

Качество звука ES9023 сильно зависит от качества схемотехнической реализации:

Дешевые китайские платы часто используют некачественные компоненты
Неправильная разводка может ухудшить помехозащищенность
Экономия на компонентах питания снижает общее качество

Морально устаревающий функционал

Несмотря на достойные характеристики, ES9023 начинает устаревать по сравнению с современными решениями:

Отсутствие поддержки высокочастотных форматов (DSD, высокие PCM)
Ограниченная гибкость настройки
Меньшая интеграция по сравнению с современными SoC-решениями

Для начинающих

ES9023 отлично подходит для первого знакомства с качественным цифро-аналоговым преобразованием:

Начните с готовых модулей от проверенных производителей
Обратите внимание на качество USB-транспорта в комплексных решениях
Используйте качественные соединительные кабели

Для DIY-проектов

При самостоятельной разработке устройств на ES9023 рекомендуется:

Изучить референсные схемы от ESS Technology
Использовать качественные компоненты в аналоговой части
Обеспечить правильное разделение цифровой и аналоговой земли
Предусмотреть качественную фильтрацию питания

Для коммерческих продуктов

При использовании ES9023 в коммерческих продуктах важно:

Обеспечить соответствие EMC-требованиям
Правильно реализовать pop-noise suppression
Предусмотреть возможность обновления firmware для управляющего микроконтроллера
Учесть тепловой режим в компактных корпусах

Будущие тенденции и альтернативы

Развитие технологий ЦАП

Рынок ЦАПов продолжает развиваться в направлении более высокой интеграции и улучшенных характеристик. Современные SoC-решения объединяют ЦАП, усилители, DSP и интерфейсы в одном чипе, что может постепенно вытеснить отдельные ЦАПы как ES9023 из некоторых применений.

Альтернативные решения

Для пользователей, рассматривающих альтернативы ES9023, стоит обратить внимание на:

AK4490/AK4493 от AKM: Лучшие технические характеристики при умеренном увеличении стоимости
CS4398 от Cirrus Logic: Проверенное временем решение с хорошей репутацией
ES9038Q2M: Более современное решение от ESS Technology для требовательных применений

Заключение

ES9023 остается актуальным решением для широкого спектра применений благодаря удачному сочетанию качества, простоты реализации и доступной стоимости. Несмотря на некоторые технические ограничения, микросхема обеспечивает качество звука, достаточное для большинства потребительских и многих профессиональных применений.

Ключ к успешному использованию ES9023 лежит в правильной схемотехнической реализации и использовании качественных компонентов. При соблюдении этих условий чип способен обеспечить звучание, конкурентоспособное с более дорогими решениями.

Для начинающих аудиофилов и разработчиков ES9023 представляет отличную возможность познакомиться с технологиями высококачественного цифро-аналогового преобразования без значительных финансовых вложений. Простота использования и обширная документация делают его идеальным выбором для образовательных и экспериментальных проектов.

В то же время, важно понимать ограничения чипа и не ожидать от него характеристик топовых решений. ES9023 — это надежный и проверенный временем инструмент, который при правильном применении способен обеспечить высокое качество звуковоспроизведения в своем ценовом сегменте.