Wat is een DAC en hoe werkt het? Een DAC is wellicht het meest miskende onderdeel van een audiosysteem. En dat terwijl het een cruciale rol kan spelen, vooral als je streeft naar een betere geluidskwaliteit. Als HiFi-liefhebber weet je dat al, maar weet je ook hoe een DAC precies in zijn werk gaat?

--- Op een van de laatste dagen van 2018 verscheen ons overzicht van Best Gelezen Reviews van 2018. In dat lijstje van meest gelezen artikelen prijkten enkel recensies, maar als we het overzicht iéts langer hadden gemaakt, dan was het achtergrondartikel 'Wat is een DAC' op de valreep nog meegenomen. Dit artikel, dat oorspronkelijk in het voorjaar van 2018 verscheen, willen we daarom graag nog eens delen. ---

Digital to Analogue Converter

Dat een DAC of Digital to Analogue Converter een belangrijke rol heeft, hoor je heel vaak vallen. Het speelt zonder twijfel een sleutelrol in het weergaveproces, door een digitaal signaal om te zetten naar een analoog. Dat digitaal signaal, dat zijn wellicht de enen en nullen van een muziekbestand of een stream die via het internet of Bluetooth binnenrolt. Als je nu denkt: “Maar ik luister enkel naar vinyl, dus een DAC komt er bij mij niet aan te pas”, dan heb je wellicht gelijk. Maar niet altijd: er zijn versterkerdesigns, zoals bij Auralic, Devialet en NAD, die een analoge bron intern naar digitaal zullen omzetten om dan verdere signaalverwerking mogelijk te maken. Dat gebeurt door een ADC. Drie keer raden waar die letters voor staan... 

Waar vind je een DAC?

In de context van hi-fi wordt er vaak ingezoomd op losse DAC-toestellen die je tussen bron en versterker plaatst en op de DAC-chips aanwezig in geïntegreerde versterkers en AV-receivers. Liefhebbers van head-fi zijn eveneens vaak bezig met DAC’s, al dan niet geïntegreerd in hoofdtelefoonversterkers. Ten slotte is de kwaliteit van de DAC vaak heel bepalend bij netwerk- en cd-spelers, vooral in het hogere segment. Uiteraard geldt bij het laatste scenario dat de DAC enkel een rol speelt als je de cd-speler analoog verbindt met je versterker. Hang je een speler via een digitale kabel aan je versterker, dan functioneert het puur als transport en wordt de DAC in de speler omzeild. DAC’s worden echter veel breder toegepast dan enkel bij die hifi-toepassingen.

Een DAC-chip vind je namelijk in heel wat elektronica, zoals in smartphones, tablets, draadloze speakers, Bluetooth-hoofdtelefoons en televisies. Er komt zelfs een DAC aan te pas als je bijvoorbeeld een digitaal signaal in een motoraansturing wil omzetten, bijvoorbeeld voor een garagepoort. In al deze audiotoestellen steekt een DAC, maar je zal zelden weten welke. Bij duurdere hifi-toestellen kun je het merk en type van de DAC meestal wèl achterhalen, maar er zijn altijd fabrikanten die deze informatie bij voorkeur niet delen. Ze willen liever niet dat consumenten dankzij Google ontdekken dat een bepaalde DAC-chip over de toog gaat voor enkele euro’s, met geklaag over het veel hogere prijskaartje van hun hifi-toestel.

Dat gemopper is trouwens niet helemaal terecht, want de grote kosten bij een versterker zitten niet bij elektronische componenten zoals DAC-chips. Een voeding bijvoorbeeld, zal vaak veel duurder zijn, net als die massieve behuizing uit aluminium. En je moet het ding ook in elkaar steken. De stap nemen van een zak losse onderdelen op een tafel naar een afgewerkt product draagt een stevige kostprijs. Nog een reden waarom fabrikanten soms mysterieus doen over de gebruikte DAC: sommige mensen raken gefixeerd op de vermeende plus- en minpunten van een bepaalde chip, zonder rekening te houden met het feit dat zo'n chip in een ruimere schakeling geïntegreerd wordt en soms wordt getweakt door de fabrikant. Je kunt bovendien aardig verloren lopen in de vele varianten die er soms van bepaalde DAC-chips worden gemaakt. Onder de merknaam ‘SABRE’  brengt bijvoorbeeld ESS een twintigtal chips op de markt die zeker niet identiek zijn.

Wat heb je nodig?

Er wordt heel vaak gesproken over DAC-chips, want een chip is de meest voorkomende manier om een digitaal signaal analoog te maken. Bijna altijd wordt een kant-en-klare DAC-chip gebruikt die een merk - wat kort door de bocht - enkel op de printplaat moet plaatsen. DAC-chips bestaan in vele vormen en zijn er voor vele toepassingsgebieden. Zo zijn er zuinigere modellen bedoeld voor toestellen die op een accu werken, heb je meerkanaals-DAC’s die hun weg vinden naar AV-receivers, chips die met een 24- dan wel 32-bit architectuur werken, en chipontwerpen die de DAC combineren met een (voor)versterker.

De bekendste namen op vlak van DAC-chips zijn ESS (bekend van hun SABRE) en Asahi Kasei Microdevices (AKM, bekend van Velvet Sound), maar ze zijn zeker niet de enigen. Analog Devices, Burr-Brown (eigendom van Texas Instruments), Cirrus Logic en Wolfson zijn andere merken die je kunt ontmoeten als je loert in de specificatielijst van een hifi-apparaat.

Het nadeel van DAC-chips is dat je werkt met een algoritme dat afkomstig is van een chipfabrikant. Sommige merken, zoals Chord en PS Audio, verkiezen een eigen aanpak. Zij gebruiken zogenaamde FPGA’s, chips die door een hifi-fabrikant zelf te programmeren zijn. FPGA’s worden soms gezien als een ‘goedkopere’ oplossing, maar dan is er geen rekening gehouden met de soms forse kostprijs van eigen softwareontwikkeling. Bij het selecteren van een DAC-methode zal een hifi-merk geconfronteerd worden met de keuze tussen voorrang geven aan twee van drie zaken: kostprijs, snelheid en nauwkeurigheid. Wie duikt in de specificaties van DAC-chips moet aandacht besteden aan de THD+N- (totale harmonische vervorming en S/N-ratio’s (signaal/ruis-verhouding). Bij beiden is hoger beter, en er is vaak een link met de hoogte van de kostprijs. Hoe beter, hoe duurder.

Het DAC-proces

Een DAC krijgt een digitaal signaal aangeleverd, dat een waarde heeft van ‘0’ of ‘1’. Maar het blijft natuurlijk een elektrisch signaal. De DAC neemt dat signaal en zet sequentieel telkens een waarde om in een bepaalde voltage. Dat gebeurt in een bepaald tempo, dat afhankelijk is van de sampling rate of bemonsteringssnelheid van de muziek. Bij een bestand op cd-kwaliteit (44,1 kHz) is dat 44.100 keer per seconde, voor een signaal dat begrensd is op 22,5 kHz. Waarom de helft? Dat heeft te maken met de samplingtheorie van Nyquist-Shannon, die stelt dat je een analoog signaal van een bepaald frequentiebereik kunt digitaliseren met het dubbele van zijn samplingrate. De uitvinders van de cd kozen voor 44,1 kHz omdat dit een bereik tot 22 kHz opleverde, wat net boven het theoretische topbereik van het menselijke gehoor is.

Het tempo wordt gecontroleerd door een klok in de chip, er naast op de printplaat of een externe klok (bijvoorbeeld van een computer). Vandaar dat bouwers van high-end DAC’s zoveel lawaai maken over de klokmodule. Hoe strakker deze ‘tikt’, hoe accurater in het tijdsdomein het analoge resultaat. Het is vanuit deze overweging dat er een kleine hype is rond femto-klokken, omdat die een bijzonder snelle klokslag hebben. Daarmee is het omzettingsproces echter nog niet afgelopen. Na deze eerste omzetting krijg je een analoog signaal dat nog niet volmaakt is. De enen en nullen zorgen nog voor pieken en dalen in het signaalverloop. Daarom wordt het signaal door een filter gestuurd om het verloop uit te vlakken, door middel van interpolatie.

Goed om weten is dat een filter niet een neutraal iets is: er zijn verschillende designs die verschillen in hoe snel ze zijn en hoe lang ze voor en na het eigenlijke signaal trillen (pre/post-ringing). Goede filters zijn moeilijk te maken en kunnen heel bepalend zijn voor de klankkleur die een DAC-oplossing heeft. Dat is ook de verklaring waarom de ene chiptype niet als een andere klinkt. Soms is er nog bijkomende filtering (een low-passfilter) nodig om hoogfrequent noise te verwijderen dat ontstaat tijdens de conversie. Interessant genoeg zijn er DAC-ontwerpen die (als ze geconfronteerd worden met een DSD-stroom) deze stream meteen naar een low-passfilter sturen. DSD-audio is immers altijd maar 1-bit – maar wel hoogfrequent – wat het conversieproces naar analoog heel wat eenvoudiger maakt. Deze eigenschap van DSD is één van de redenen waarom dit toch wel nicheformaat toch zijn hard-corefans heeft.

PCM-audio (zoals FLAC’s en WAV’s) heeft een bitdiepte zoals 16- of 32-bit, wat een omzetting uit meerdere stappen vereist. Die omzetting heeft volgens DSD-fans met meer fouten en artefacten te kampen. Bepaalde merken, zoals TEAC, doen het daarom zelfs omgekeerd. Ze laten toe om een PCM-audio eerst om te zetten naar een DSD-stroom, vooraleer het naar de DAC te sturen. Overigens wel opmerken dat niet alle DAC’s zo met DSD omspringen. Er zijn ook DAC’s die eerst alle PCM- én DSD-audio upsamplen naar een hele hoge samplingfrequentie. Het idee daarachter is dat de eigenlijke conversie een veel vlakker resultaat oplevert omdat er omgezet wordt met een klok die heel snel ‘tikt’. 

Wat bepaalt nu de geluidskwaliteit?

Wat je hierboven leest is echt maar een compacte uitleg van wat er in een DAC gebeurt. Hoe goed een losse DAC of een geïntegreerd model in een versterker klinkt, heeft met aardig wat factoren te maken. Dat verklaart waarom dezelfde chip bij één toestel toch nog net anders klinkt dan bij een tweede apparaat. Naast de eigenschappen van de converter zelf, is er de impact van de gebruikte filters en de klok, en de keuzes gemaakt door de hifi-fabrikant bij de implementatie. Wat er uit de DAC komt, gaat ook niet direct naar de luidsprekers of hoofdtelefoon. Het analoge signaal moet nog eerst langs een (voor)versterker, en ook daar kan er nog getweakt worden aan de klank. Hoe transparanter de versterker echter, hoe meer het DAC-proces bepalend wordt.

Kijk ook eens op onze DAC Special voor meer achtergronden, nieuws en productreviews