ЦАП: что это такое, какими характеристиками описывается и как выбрать

В современном мире почти вся аудиоинформация хранится и передаётся в цифровом виде. Такую информацию невозможно напрямую вывести на наушники или колонки, поскольку это не непрерывный аналоговый сигнал, в котором отражены колебания воздуха, а набор дискретных выборок, снятых через определённый одинаковый промежуток времени, — то есть сигнал, прошедший дискретизацию. В дискретном представлении в сигнале нет информации о том, что происходило между выборками. Поэтому перед тем, как вывести этот сигнал, его нужно преобразовать в аналоговый. Этим и занимается ЦАП.

ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь, DAC, digital to analog converter) — устройство, получающее на вход набор цифровых данных в виде тех самых выборок и отдающее восстановленный непрерывный аналоговый сигнал в виде зависимости напряжения или тока от времени. Единственная и главная задача ЦАПа — максимально точно восстановить исходный сигнал.

Согласно теореме Котельникова — Шеннона — Найквиста, аналоговый сигнал с ограниченной полосой пропускания полностью восстанавливается из набора дискретных выборок, если частота дискретизации в 2 раза больше верхней частоты исходного сигнала. Поскольку принято, что человеческое ухо слышит звук в диапазоне 20–20 000 Гц, для того чтобы полностью восстановить аналоговый сигнал в слышимой области частот, минимальная частота дискретизации должна составлять 40 000 Гц. Так родился стандарт CD — 44 100 Гц при глубине квантования 16 бит. Глубина квантования определяет то, какое количество значений напряжения или тока ЦАП может выдать. Например, при глубине квантования в 4 бита на выходе возможно получить 2⁴ = 16 значений, при 8 битах — 2⁸ = 256, при 16 битах — 2¹⁶ = 65 536, и так далее. Каждый дополнительный бит глубины квантования позволяет закодировать дополнительные 6,02 дБ диапазона. Так, при 16 битах теоретически можно закодировать 96,32 дБ информации.

Какими же характеристиками обладает ЦАП?

Основными характеристиками являются:

• Частота дискретизации и глубина квантования
• АЧХ
• Гармонические искажения (THD)
• Интермодуляционные искажения
• Динамический диапазон
• SINAD

С АЧХ всё просто. Она должна быть как можно ровнее в слышимой области частот, однако иногда встречаются устройства со спадом на ВЧ. Одна из причин — влияние реконструкционного фильтра. Этот фильтр необходим для подавления алиасинга, а также является интегратором. Во многих устройствах этот фильтр можно выбрать; оптимальным является быстрый (fast, sharp) минимально-фазовый (minimum phase).

Гармонические искажения — это «мусор», который генерирует ЦАП вместе с полезным сигналом. При подаче одиночного синуса его называют фундаментальным тоном (частотой), а «мусор» — гармониками. Гармоники всегда находятся выше по частоте, причём распределены всегда кратно фундаментальному тону. Например, при подаче фундаментального тона в 1 кГц гармоники будут находиться на 2 кГц (вторая гармоника), 3 кГц (третья гармоника), 4 кГц (четвёртая гармоника) и так далее. Гармоническими искажениями же называют RMS-сумму амплитуд этих гармоник и выражают её либо в децибелах относительно фундаментального тона, либо в процентах от него. Однако в контексте ЦАПов указывается характеристика THD+N, то есть нелинейные искажения + шум. Соответственно, чем меньше гармонических искажений генерирует ЦАП, тем лучше. Отличным значением считается всё, что ниже −110 дБ от фундаментального тона, или 0,0003 %.

Интермодуляционные искажения возникают при подаче нескольких тонов. ЦАП также генерирует «мусор», однако главное отличие в том, что генерируемые частоты никак не связаны с музыкальной гармонией. Например, при подаче сигналов в 19 и 20 кГц, как в тесте CCIF, одна из генерируемых частот находится на 1 кГц — ниже фундаментальных тонов, поэтому человеком она воспринимается неестественно. Поэтому чем меньше интермодуляционных искажений, тем лучше.

Динамический диапазон — разница между максимальным и минимальным значениями на выходе. Теоретически он определяется глубиной квантования. Однако на практике это часто лишь число, выше которого динамический диапазон быть не может. Причина в том, что любое аналоговое устройство вносит в сигнал шум, и этот шум зависит от самого ЦАПа, а также его обвязки: питания и выходных цепей. То есть, даже установив лучший чип на рынке, но сэкономив на его обвязке, в готовом устройстве можно получить динамический диапазон простого и дешёвого чипа. Отличным значением считается всё, что выше 115 дБ.

SINAD расшифровывается как Signal to Noise And Distortion Ratio (отношение сигнала к шуму и искажениям). В этом контексте он считается как значение THD+N в децибелах, взятое по модулю. Например, при THD+N в −60 дБ SINAD будет равен 60 дБ. Это удобная метрика для быстрого сравнения ЦАПов между собой, но она не даёт полного представления о системе. Для этого нужно анализировать все измерения в комплексе.

Отдельно стоит упомянуть технологии искусственного увеличения динамического диапазона в чипах. Несмотря на то что они работают ровно так, как и должны, без побочных эффектов не обошлось. В мае 2025 года участник форума ASR jkim опубликовал свои наблюдения о том, что реализация такой технологии, названной DRE (Dynamic Range Enhancement), в чипах Cirrus Logic, в частности в очень популярных CS43131 и CS43198, кратно повышает интермодуляционные искажения при определённых уровнях выходного сигнала (возникает так называемый cirrus hump). Производители отреагировали на это обновлением прошивок, где стало возможно отключить эту технологию. Нечто подобное происходило раньше с чипами ESS Sabre: в них также была схожая технология, она работала по тому же принципу и так же увеличивала искажения на определённых уровнях сигнала. Однако в актуальных чипах от ESS этой особенности нет — технология работает абсолютно прозрачно и без побочных эффектов. Эта особенность учтена при расстановке моделей в нашем тир-листе.

Стоит отметить, что подавляющее большинство современных ЦАПов имеют характеристики кратно лучшие, чем человеческий слух способен распознать. Поэтому сегодня конкуренция сместилась от характеристик в область эргономики и дополнительных функций. Одной из таких функций является наличие встроенного аппаратного параметрического эквалайзера (PEQ). Места в нашем топе также выбраны с учётом наличия PEQ.

Так что же не так со встроенным в матплату ПК кодеком?

Аудиокодеки в материнских платах — исключение. Часто их устанавливают «для галочки», отчего их характеристики заметно хуже, чем у внешнего устройства. Причин у этого несколько. В компьютере, помимо ЦАПа, находится много других цепей — всё это создаёт сильные электромагнитные помехи, которые неизбежно наводятся на аудиокодек. Производители также не особо стараются над фильтрацией питания, в результате чего в кодек приходит шумное питание с высокими пульсациями по напряжению. Кроме того, усилители в таких кодеках часто обладают высоким выходным сопротивлением, что может привести к искажениям АЧХ при подключении сложной нагрузки (динамических и многодрайверных наушников). Всё настолько плохо, что даже самый бюджетный внешний ЦАП CX31993, стоящий дешевле обеда в фастфуде, обладает кратно лучшими характеристиками, чем любой встроенный в матплату кодек.

Итоги

Все ЦАПы, присутствующие в нашем топе, на слух абсолютно прозрачны. Они обладают запредельными для человеческого восприятия характеристиками. Разница между ними по большей части заключается в дополнительных функциях, входах, выходах, а также мощности встроенного усилителя. Поэтому выбор должен зависеть от того, какие функции нужны именно вам.

Информация, представленная выше, — доказательная база для выбора места модели в тир-листе.