1981年Sony與Philips聯合發表CD-DA(Compact Disk-Digital Audio)的紅皮書，書中對於我們現在普遍使用的音樂CD，有詳細的規格等技術上的說明，沒多久1984年再度發表CD-ROM(Compact Disk-Read Only Memory)黃皮書，CD這項媒體已經正式跨入電腦儲存的領域。<圖片>
CD的發展相當迅速，當推出之時支持的軟體廠家並不多，但CD仗著前所未有的便利性以及高水準的音質表現，推出不過四年，在1987年CD的總銷售量，就已經超越了當年LP的銷售量，正式成為市場上的主流軟體。自此之後，LP與錄音帶市場逐漸式微，沒有多久，LP正式告別市場，CD是廣被接受的音樂軟體。

CD唱片的發展，其實是架構在一連串數位的軟硬體科技上，CD發明的從無到有，確實得仰賴無數科學家的埋首研究，如何克服雷射讀取的問題；如何克服CD唱片偵錯碼的問題；如何克服所有一切將會遇到的問題。實際上，CD唱片的推出，是包括一整套完整的全新技術：包括如何將傳統類比訊源轉換成數位儲存格式、如何製造高精密度的CD唱片、如何生產雷射讀取系統以及整部CD唱盤。

第一部推出的CD唱盤是Philips的整體設計，內部所有的關鍵零件皆為Philips所主導，包括讀取伺服系統、偵錯線路、數位類比轉換以及當時稱為新科技的數位濾波等等。市場的競爭有助於科技的進步，設計者發現原先規畫的CD唱盤無法滿足更高音質的追求，遵循在固有的格式之下，音響設計者將數類轉換器的部份獨立出來，發展出新的音響科技。

數類轉換器所負責的工作，其實只是整個CD技術的一小部份而已，但因為容易設計，且牽捨的技術可高可低，變化可大可小，因此音響廠商只要招攬數位人才，即可在數類轉換器身上發展創意。熟悉數位技術者，可以利用DSP晶片撰寫程式，藉以創造出獨特的數位濾波程式，改善傳統晶片無法達成的功能；類比高手也可以在DAC晶片輸出訊號之後，發揮長才設計出獨特的類比濾波以及類比放大等線路。不同的DAC晶片以及不同的類比放大可以組合出不同風格的音色，也因此雖然數類轉換器負責的只是整個CD還原過程的一小部份，但卻可無窮盡的發揮創意。

本專題將對數位類比轉換器，介紹與數位類比轉換器的工作架構，以及相關的名詞與相關問題，然後再掃瞄音響設計者在這方面發揮了哪些創意。


多位元還是單位元？

DAC晶片闊論 編輯部

　 DAC晶片當然不是為了CD的用途而發展的，數位與類比之間的轉換，在日常生活以及工業用途使用非常普遍廣泛。在某些用途之下，類比式儀表比較容易讓人判讀，例如汽車轉速與時速的指針，您只要瞄一眼指針的大概位置，就可以知道大約的數字，也可以透過指針移動的速度，了解數據即時變化的情形。也有一些時候需要精確的數字，這時候數位化就帶來絕對的好處，例如溫度計與電壓表，目前溫度幾度了？目前電壓幾伏特？此時要的可不是大概的數字，而是精確至小數點的準確數值。
DAC的演進也與電子技術的進步有著密切的關係，早期晶片製造的技術能力有限，對於DAC（數位轉類比）或ADC（類比轉數位） 晶片的理論與研究也未到發達的階段。1981年Philips推出CD唱盤的時候，內部採用的DAC晶片為14Bit解析度，規格上明明寫著16Bit，但為何採用一顆14Bit的DAC晶片呢？主要原因就在於當時的DAC晶片僅發展至14Bit的階段，但Philips則利用線路的技巧，將解析度拓展至16Bit的水準。同樣的事情也發生在ADC晶片上，ADC晶片的發展總是落後於DAC晶片，當CD規格正式發表時，ADC晶片的解析度僅達到14Bit的水準，要如何將傳統類比母帶轉換為16Bit的數位碼呢？這其中確實的原因很難瞭解，但目前以電腦軟體「回顧」早期發表的CD中，確實可以發現不少CD內的資料僅有14Bit的解析度。例如巴畢羅里指揮的西貝流士「芬蘭頌」（CDM7 69205 2,EMI），就是一張14Bit的CD唱片。利用電腦軟體讀出其中的數位訊號，最高的兩個位元從頭至尾完全空白！這張CD聽起來與現代的錄音相比，解析度確實差了一些，最細微的變化以及動態都可以聽出差異。

不同用途採用不同的DAC晶片

DAC晶片因為用途的不同，也有許多不同的形式。DAC的製造必須有相當高的精密程度，尤其是作為精密的轉換用途，不若數位IC只要出現兩種結果�vㄛO０就是１即可，DAC晶片的輸出是相當細微的電流（或電壓）變化，以16Bit的DAC晶片為例，輸入16Bit的數位訊號，DAC晶片就得依照輸入資料，轉換出65,536種不同的類比位階。而將數位與類比兩種用途同植於一塊晶片之上，必須依靠極高的電路技術以及製造水準。

方法都是人想出來的，DAC晶片並沒有規定一定要如何製作，只要製造廠商有辦法將一連串的數位資料，用任何方法轉換成相對應的類比輸出，就是一種DAC晶片。在實際考量上，DAC晶片的規格與精密度直接影響著價格，而價格卻又主宰著製造廠商採用的意願，因此製造DAC晶片的廠商無不想盡各種方法，企圖製造價格便宜、速度快、精密度又高的DAC晶片。經過多年的努力，晶片設計家以各種方式設計了下列幾種DAC晶片，它們的工作方式不同，但結果都是相同的。

DAC晶片可以從速度及工作方式上做區分，低速的DAC晶片主要運用於高精密度的轉換，位元數並不一定都很高，從8Bit的工業用DAC開始，到目前音響界最流行的24Bit都有，而音響使用的DAC晶片則因為需求特殊，因此早已經被晶片廠特別區分成音響專用DAC晶片，這類的DAC晶片具有中等轉換速度、低失真的特性，有的可以使用獨立的電源，同一晶片內分別供應兩種電源，分別給數位以及類比使用。高速的DAC晶片運用於儀器以及視訊轉換的用途上，這類DAC晶片的解析度最高為10Bit，但工作頻率則在MHz以上。音響使用的DAC晶片解析度最高為24Bit，即使加上8倍超取樣，速度也不及MHz的要求，因此在DAC晶片的世界裡，等級劃分相當嚴格，價格差異更大。

最早發展出多位元DAC晶片

最簡單的DAC晶片是多位元晶片，此類型晶片又區分成相當多種工作模式，DAC晶片工作模式的發展，當然與人類的思維方式有絕對的關係，最早發展的DAC晶片為「加權電阻式」DAC晶片。在此以最基礎的加權電阻式DAC晶片，簡述DAC晶片工作的原理。

例如有一個6Bit解析度的加權電阻式DAC晶片，採用並列數位輸入，在控制開關動作的同時，這一組數位資料同時進入電阻群之中，有幾位元就有幾支電阻，理想上我們將輸入的數位訊號想像成同一位準，它們擁有相同的電壓，同時輸出阻抗皆相同，而且每支電阻的精密度皆相同（但阻值呈倍數的不同），以求轉換的誤差降至最低。

數位訊號（電壓）輸入電阻的同時，每支電阻個別得到的輸出電壓並不一樣，最後將所有電阻的輸出連接在一起，同時進入類比加法器裡，從這裡把個別電阻的輸出通通加起來，如此就得到了轉換之後的類比電壓。

原理非常簡單，如何實行就是晶片製造商的責任。加權電阻式的DAC晶片工作原理相當簡單，但同時也是最不理想的DAC晶片，一方面動作過慢，另一方面在晶片內製造電阻相當不易，而且誤差極大，因此很快就發展出另種方式的DAC晶片。例如「電阻分壓式」、「電流相加式」、「電壓相加式」、「加權電流式」以及速度較快的「矩陣式」等方法，方法不同，但原理都是利用電壓施加於電阻之上，所造成不同的電流，將其相加得到的總數據為基礎的DAC轉換方式。此類型的DAC晶片大多是傳統的多位元DAC晶片。

在實際晶片的製造上，製造一個電晶體比製造一個電阻要容易得多，由於結構與材料上的不同，在晶片上製造小容量電容也比製造電阻要方便許多。電阻耗費晶片很大的空間，精密度又不容易掌握，因此後來DAC晶片便朝向高電路技巧的方式前進�yQ用對電容充電的原理，以及數學微積分的轉換方式達到轉換目的。

多位元朝向單位元發展

Philips推出的位元流系統（Bitstream），其實正意味著DAC晶片朝向更經濟且實用的腳步邁進，與另一款目前廣被採用的Delta-Sigma（Δ-Σ）方式一樣，其出發點其實是相當類似的。傳統的DAC晶片採用電阻分流的方式，將個別的電流相加，誤差大、速度慢是難以克服的缺點。除此之外DAC晶片將數位資料轉換成類比位階的過程中，會產生相當大的高頻雜訊，此雜訊必須利用濾波的方式革除，否則聲音難以逃脫刺耳、僵硬的重大缺點。

隨著晶片技術的提昇，Philips利用數位濾波的方式，改進傳統高階類比濾波所帶來的缺點�~萓嚄?墨H及嚴重失真等問題。數位濾波是利用數學計算的方法，導入微積分以及傅立葉轉換的公式，將數位資料直接計算改寫，以達成零相位失真以及高階數濾波的目的。至於轉換之後的高頻雜訊，再利用傳統的方式進行主動濾波即可。

數位濾波的位置位於接收晶片以及DAC晶片之間，它可說是為進入DAC晶片資料的先前整理動作，設計家同時發現，DAC晶片轉換的過程中，由於必須符合Nyquist定律�yY取樣頻率必須為最高頻率響應的一倍，為了達到頻率響應為0Hz-20KHz的要求，因此CD的取樣頻率訂為44.1KHz，如此在轉換的過程中卻容易發生頻譜重疊的困擾。設計家也很巧妙的利用「超取樣」的方法，一方面利用超取樣插補的技術讓重現的類比「刻度」更圓滑，同時也可以避開頻譜重疊的困擾，如此既可以讓DAC轉換之後的「曲線」更類比，同時使用的類比濾波器也可以避免使用階數過高的形式，換句話說，超取樣技術大大的讓DAC技術更接近類比，這也是為什麼早期的CD容易出現刺耳吵雜的現象，但現代的DAC則非常的類比味，甚至有能力與LP系統相抗衡的主要原因。

導入超取樣技術

超取樣的技術是這樣的，在數位資料進入DAC晶片之前，由數位濾波晶片進行分析與改寫資料的動作，同時高速超取樣晶片會讀取數位資料，利用數學計算的方式，模擬出更細微的聲音曲線。超取樣並非CD技術的專利，在任何A/D或D/A轉換的過程中，超取樣是被普遍使用的一項改善技術，它能夠有效提昇資訊量，卻完全不需要增加記錄媒體的負擔。從另外一個角度來說，超取樣的計算是以模擬的角度來思考的，經過計算之後的聲音曲線也許會偏離原本類比聲音的曲線，導致音色的變化，但無論如何它確是有效且可靠增加聲音圓滑度的方法。

以兩倍超取樣來說，從CD讀取的兩個連續的資料，經過晶片的計算之後，推算出兩個連續訊號的中間曲線，同時在兩筆資料之間進行插補的動作。換句話說原本兩筆資料的間隔頻率為44.1KHz，從中央插補之後則可以獲得88.2KHz的取樣頻率，換言之，四倍超取樣、八倍超取樣甚至於256倍超取樣，將把送入DAC之前的資料準備得極為密集且完整，待經過DAC的轉換之後，獲得的便是相當接近類比訊號的曲線。

由此，為了因應更多更密集的資訊，DAC晶片必須達到高速度的要求，才能應付八倍以上超取樣的要求。方法總是人想出來的，既然利用傳統的方式難以提昇速度，何不用數學的方式改變DAC工作方式。位元流與Delta-Sigma就是在這樣的前提之下被發展出來。

位元流的方式是：將傳統DAC晶片中的加法器，改為脈衝輸出的方式，利用脈衝的間隔，代表輸出的類比位階，因此位元流的晶片外部，必須再增加一個脈衝轉換成電壓的轉換電路。由於負責轉換的位元僅有一個，因此位元流系統亦被稱為單位元方式，這是一項新的技術，也是更理想的工作方式。感覺上，晶片的設計變複雜了，但對於晶片的生產而言，晶片電路不怕複雜，晶片工作速度也有辦法提升，只要對於DAC的結果有幫助，任何改變都是值得的。

Delta-Sigma的發展

另一種受到歡迎的Delta-Sigma DAC晶片也在1985年左右開始發展，同樣利用單位元的方式進行轉換，Delta-Sigma的發展是凌駕於Delta技術的開發，晶片設計者先研發出Delta晶片，它的方法是利用單位元電壓比較器，將電壓比較器僅保持一週期的一週期延遲器，以及加入預測濾波器所構成，由於這樣的結構對於電路精密度的要求不很高，因此對於降低製造成本有很大的幫助。Delta晶片的發展並不如預期順利，不但理論雖然相當高深複雜，電路技巧更是相當具有挑戰性，在當時製造LSI（大型積體電路）的技術而言，仍然是帶突破的挑戰。

隨著製造技術的提昇以及設計家的研究，目前Delta-Sigma技術已經達到了實用性的階段。剛剛說過Delta-Sigma晶片是凌駕於Delta晶片上的技術，也是累積了Delta晶片經驗之後才得到的成果。這類型的DAC晶片必須運用相當複雜的數學的計算，主要突破在於：在原有的Delta晶片線路上加入數個積分器，首先對於輸入信號積分，然後再輸入Delta調變器，說穿了，一連串的數位類比轉換其實就是一連串複雜的數學計算。再講下去可能沒有幾個人看得懂了，因此關於Delta-Sigma晶片的理論就此打住。對於Delta-Sigma晶片，我們只要有幾點認識即可：1.它是目前高位元DAC晶片的主力。2.雖然理論非常高深複雜，電路架構複雜的程度無與倫比，但由於要求的精密度並不高，以一般的數位邏輯IC的水準即可，因此可以壓低製造成本，成本一降低，馬上就受到零件採購者的喜愛。3.由於Delta-Sigma晶片的技術是由單位元轉換器為基礎，透過數學計算的方式，以高頻率脈衝輸出，因此很容易達到高位元的要求，目前流行的24Bit或是更高位元的DAC晶片，都可望透過Delta-Sigma方式達成。也因此目前推出的最新24Bit DAC晶片，清一色是以Delta-Sigma理論設計出來的產品。而多年前日本器材流行採用的MASH系統，也可以說是Delta-Sigma技術的一支。

多功能合一的DAC晶片日益普及

晶片設計的艱深理論我們不需要實際去研究，對於器材設計者而言，只要能夠活用IC廠的IC成品即可。為了達到更方便設計的要求，近來晶片製造廠開始發展多功能晶片，以Crystal公司為例，最近推出的好幾款DAC晶片，皆將數位類比轉換過程中，所固定的經過的幾個步驟，化為一全收在一片晶片中。換句話說，只要連接接收晶片，將同步訊號以及串列數位資料送入DAC晶片中，在一塊DAC晶片裡，即擁有超取樣、插補運算以及DAC轉換等功能，而DAC轉換之後的類比濾波，晶片設計廠當然也不會放過，只要配合原廠建議搭配少數被動元件，一部完整的數類轉換器其實只要兩顆IC即可達成�v@顆接收晶片加上一顆DAC晶片。當然，雖然晶片廠已經替您解決了大部份設計，您仍然也可以手癢發揮創意，在DAC輸出的類比訊號之後，再裝一個複雜的真空管緩衝器�旡^M它的真正用途可能只是「染色」。

結論

回顧過去，一部數類轉換器的設計確實不簡單，設計者必須找到接收晶片、數位濾波晶片、插補運算晶片、超取樣晶片、DAC晶片以及最後負責類比濾波的運算放大器等，然後在眾多晶片之間協調運作介面，讓它們能夠同時運作起來，並且讓它們擁有穩定的工作狀態不至於隨時當機。擁有數位技術的廠家，也可以利用DSP寫程式的方法，自行撰寫數位濾波與插補程式，塑造出與眾不同的音色。但現在一切都省了，晶片製造廠已經完成了所有工作，兩塊晶片的價格直直落，難怪乎許多業餘DIY同好，也能在K完原廠的資料後，自行組裝一部24Bit/96KHz的數類轉換器，說穿了，只要您略有數位概念，要自行設計一部數類轉換器並不困難。

即使如此，再精密再好用的DAC晶片，最後都得經過耳朵的驗收，再高倍的超取樣技術，如果計算出來的聲音曲線偏離聲音曲線的本質，即使線條再圓滑也沒有用；同理，晶片的設計再精簡，如果聲音不好聽，一切依舊白搭。數類轉換器的設計既是一門學問，也是一門調音的功夫。同樣使用DSP技術的Wadia與Theta，運用不同的聲音處理技術，卻也造就完全不同個性的聲音，這就是數類轉換器多樣化色彩的特色之一。

加權電阻式DAC的工作簡化圖，A1-A6為數位資料，此資料控制S1-S6開關，開關只有兩種結果，不是連接電源VR就是接地，因此在忽視一切實際誤差之下，供給每一支電阻的電壓不是VR就是接地。電壓經過不同阻值的電阻之後，這些電阻的阻值彼此呈倍數間隔，將電阻輸出的電壓透過類比加法器相加，即得到類比輸出。這是最簡單的DAC架構。
為了方便晶片生產，也為了節省晶片使用空間，DAC朝向於利用電容做轉換的工作。圖中所示為一四位元的電容型DAC電路，三個電容的容量皆相同，透過S1-S5等開關進行切換，由於參考電源VR對於電容的充電，可以造成運算放大器最終電壓輸出結果的不同，藉此達到DAC轉換的目的。
從另一動作波形當中可以發現，當輸入1011數位資料時，S1-S5依照時序陸續開關動作，運算放大器即會陸續將結果累加起來，最後達到(13/16)VR的類比電壓。這種轉換方式不像電阻加權式設計，在同一時間就可以得到結果的，必須透過開關陸續動作之後，將結果逐步累加起來，因此需要額外的控制開關時序的控制電路。

DAC晶片發展到最後，將導入超取樣的觀念以及Delta-Sigma的轉換方式，製成DAC晶片。Delta-Sigma的理論相當複雜，很難做簡單的說明，基本上它是結合超取樣技術以及數學運算所構成的DAC晶片。好處是可以利用一般的數位IC製造技術，達到高位元以及高速轉換的目的。
最新的DAC發展已經把數個晶片的工作結合在一起，大幅度簡化了設計上的難度，同時將成本降至最低。以Crystal最新推出的CS 4334 DAC晶片為例，它僅有8支腳，採用序列資料輸入，卻有24Bit/96KHz的轉換能力。還不僅僅如此，在這顆面積僅有黃豆大的DAC內部，還結合了序列接收界面、插補運算、數位濾波、超取樣等工作，同時也具有解強調功能。內部具有兩聲道的24Bit Delta-Sigma轉換模組，最後還把類比濾波包含在內，直接輸出類比訊號。以往必須使用好幾顆晶片才能構成的數類轉換器，現在全部只要使用一顆IC即可完成，不得不佩服晶片設計師的能耐。

早期的CD僅有14Bit的傳聞並非空穴來風，以這張EMI發行的「芬蘭頌」為例，整張CD的資料皆為14Bit。 單位元的發明其實象徵著DAC演進的歷程，Philips稱之為Bitstream位元流系統，使用該系統的器材上皆有此象徵位元流脈衝轉換的示意圖。
目前新推出數類轉換器，兩種最受到重視的主流晶片：左邊是採用Delta-Sigma方式設計的高位元DAC晶片，此IC為Burr-Brown生產的PCM1728 24Bit/96KHz解碼晶片；右邊是高位元接收晶片，此IC為Crystal生產的CS 8414。它們皆採用SMT（表面黏著）包裝，這也意味著將來即使推出性能更好的晶片，體型也將保持輕薄短小的要求。 當DAC朝向單位元發展的同時，由Delta-Sigma理論延伸出的MASH技術，也曾經在日本器材上風光一陣子，圖為Technis SL-PG