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JDS Labs C5D. La madurez de John Seaber. Parte II

JDS Labs C5D. La madurez de John Seaber. Parte II

[:es]En la entrada anterior hicimos una introducción al C5D, la nueva creación de JDS Labs. Partiendo de una reflexión sobre el mundo del audio desde el punto de vista de la electrónica que ya venía de la entrevista con John Seaber, os mostramos el C5D explicando detalladamente sus funciones y características principales. En esta nueva entrada pasaremos directamente “al turrón”, con un detallado análisis  técnico del producto extraído en parte del propio blog de JDS Labs e incluyendo referencias a la obra de NWAVGUY en la que se basan gran parte de sus principios.

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El origen del C5D.

EL C5D profundiza en el concepto en que tanto insistió NWAVGUY en su día: crear un producto muy bueno y mejorarlo con continuos retoques aquí y allá.

 

El paso al atenuador digital (o pon un joystick en tu vida). El C5 empezó como un experimento para JDS Labs, tenían el C421 en producción y mientras iban desarrollando nuevas versiones persiguiendo los objetivos que querían mejorar. Entre ellos el que, según John Seaber, más dolores de cabeza les trajo: el controlador de volumen analógico. Muchos fabricantes de amplificadores usan como potenciómetro analógico el ALPS RK97, que consigue un buen resultado, pero en este caso su tamaño físico impedía usarlo en el C5. Además, adolece de un notorio desequilibrio entre canales a baja potencia. En el caso del ALPS RK10J usado en el C421, como podéis ver en la siguiente gráfica, el desequilibrio entre canales  aumenta desproporcionadamente después de -20dB:

 

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La línea amarilla representa el canal izquierdo y la violeta el derecho. Cuando ambas líneas están totalmente superpuestas el balance o nivel en ambos canales es el mismo. En este caso vemoc cómo a partir de -30 dB se vuelve totalmente inutilizable. Esto genera problemas con IEMs muy sensibles o con casi cualquier auricular si lo que nos gusta es escuchar música a bajo volumen en lugares muy tranquilos.

Finalmente acabaron dando con un atenuador digital controlable por software con 64 pasos que funciona exactamente como uno analógico y añade muy poca distorsión, el DS1882 de Maxim, que ofrece dos opciones de pasos digitales: 32 (y salto de 2dB de atenuación) y 64 (con saltos de 1dB). John eligió la segunda porque considera que con ciertos IEMs es necesario para controlar totalmente el volumen y mejorar la experiencia de uso. Podéis ver el chip justo al lado del jack de entrada (dentro del círculo rojo). Allí trabaja junto con el microprocesador de Atmel Atmega168A (en verde), que se encarga de interpretar los movimientos del controlador de volumen y avisar al atenuador digital de cuantos “saltos” tiene que dar y en qué dirección.

 

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El resultado salta a la vista, 64 pasos atenuados digitalmente con menos de 0.1dB de desequilibrio entre canales.

 

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Como podéis observar, este diseño fue concebido para el C5 y se mantiene exacto para el C5D. Otro detalle técnico del atenuador digital es que tiene una función llamada “Zero Cross Detection”, que consiste en que cuando el microcontrolador le dice al atenuador que el usuario ha realizado un cambio de volumen, le da un tiempo muy corto (50ms) para detectar silencio. En ese corto espacio, si detecta un pasaje muy silencioso, aprovecha para efectuar el cambio en atenuación, eliminando los posibles “clics” en la reproducción de música.

 

Del AD8620 al OPA2227 como etapa de salida (o saca provecho a las reviews). Las primeras unidades del C421 te daban la opción de montar o bien el AD8620 o el OPA2227, ya que ambos se habían usado en el famoso CMoyBB de JDS Labs (también recomendaban el AD8066). Tras varias reviews de conocidas páginas mencionando que el OPA2227 conseguía un sonido con más cuerpo, mejores los medios y agudos, y un balance y escena más precisos, no hubo más dudas, el C421 se empezó a ofrecer sólo con el OPA2227 y así se ha quedado en los nuevos C5 y C5D.

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Como se puede ver en los números, se ha mejorado la entrega de voltaje tanto desde 32Ω hasta 150Ω. John Seaber y JDS Labs entendieron que los usuarios no necesitan una cantidad potencia desorbitada, sino suficiente para los cascos más populares con una sensibilidad superior 90dB SPL/mW (aunque no le da miedo los planares…).

C5

Max. Output @ 600Ω  — 4.146VRMS

Max. Output @ 150Ω  — 3.337VRMS

Max. Output @ 32Ω    — 1.010VRMS

 

C5D

Max. Output @ 600Ω  — 4.146VRMS

Max. Output @ 150Ω  — 3-580VRMS

Max. Output @ 32Ω    — 1.182VRMS

 

En el caso de auriculares populares de 32Ω, si cogemos los Grado SR60i (con una sensibilidad de 98dB SPL a 1mW de potencia), entregando 1.182V RMS (sin contar el extra del botón de ganancia) podemos meter los SR60 a 114.4 dB SPL (98+10*log(0.043mW)).

Por otro lado, si nos vamos a auriculares de 150 Ω como los Sennheiser HD700 (con una sensibilidad de 105dB SPL a 1V RMS), el C5D es capaz de meterlos a 116 dB SPL (105 + 20*log (3.58)).

En ambos casos el C5D lleva a ambos auriculares a niveles considerados bastante altos (recordemos que 120 dB es el umbral del sonido que puede causar daños permanentes a tu oído…).

 

Mejorando el control de graves (o pasar del doble al triple Bass Boost). El C5 tenía dos posiciones de graves (plano y hasta 6-8 dB extra en bajos). Tras varias recomendaciones de usuarios del C5 que encontraban demasiado fuerte ese realce de graves, JDS Labs introdujo un nivel intermedio (3-4 dB extra) en el C5D. Os podéis fijar en las curvas de la siguiente imagen:

 

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Respuesta del realce de graves (Bass Boost) del C5D en ganancia baja  (2.3x)

 

Cuando activamos la ganancia alta (apretando el “joystick” del volumen hacia dentro) las nuevas respuesta en graves son menos pronunciadas (1 dB y 1.5dB extra) creando en total 4 curvas de realce de graves.

 

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Respuesta del realce de graves (Bass Boost) del C5D en ganancia alta (6.5x)

 

Bienvenido al mundo digital: pasando del C5 al C5D. JDS Labs tenía claro el objetivo del C5D: en la sección DAC introducir uno de los mejores DACs del mercado, el TI PCM5102, y concentrarse en la compatibilidad con dispositivos móviles, y en la sección de amplificación ofrecer suficiente potencia con  un bajísimo nivel de ruido y distorsión. Todo ello asegurando una larga duración de la batería y manteniendo un control súper exacto del volumen.

Se decidieron por el estándar UAC1 (USB Audio Class 1) que soporta hasta 24 bits y 96 KHz. Aunque el DAC soporta hasta 32 bits e incluso DSD (el formato de audio del SACD), no estaban interesados en eso, entre otras cosas porque apenas hay música en ese formato y no añade nada en términos de transparencia y el uso real de más de 24 es muy difícil, por no decir imposible.

La nueva sección digital del C5D está formada principalmente por 3 circuitos integrados:

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Analog Devices ADUM3160 (verde)

Cumple un papel importante y poco visto en productos portátiles. No sólo mejora la resistencia a la descarga electroestática del conector USB hasta 8KV (normalmente es solo de 2KV), con lo que está mucho más protegido en caso de tormenta o de cualquier otra descarga, ya sea el usuario tocando el conector o proveniente del PC, sino que añade aislamiento galvánico. Esto último funciona como un pequeño transformador que aísla las ruidosas señales de entrada desde fuentes USB, permite al C5D funcionar en modo híbrido y que tanto la sección DAC como el OPA2227 se alimenten de la batería de Litio directamente (una batería siempre es menos ruidosa que una fuente regulada, tanto del USB como de una fuente externa DC). En este componente reside el secreto del bajo consumo y es lo que le permite conectarse a iCacharros a través del adaptador CCK.

Receptor USB SA9027 (rojo)

Este componente hace el papel en el que habitualmente solemos encontrar dispositivos de Texas Instruments, XMOS, Tenor o Cirrus Logic, el del controlador USB de audio. Soporta sin necesidad de drivers hasta UAC1 (24 bits/96 Khz) y además añade funcionamiento asíncrono para recuperar la señal de datos, usando el reloj en la placa para reducir el jitter (degradación de la señal debida a la incorrecta recuperación síncrona de los datos y el reloj proveniente de una fuente digital).

Este controlador USB puede tratar con señales de hasta 32 bits, pero una vez más, se “limitó” a 24 bits por las razones de compatibilidad mencionadas.

DAC TI PCM5102 (azul)

Finalmente llegamos a la joya de la corona implementada en el C5D, el DAC. Aquí JDS Labs no ha escatimado en gastos y ha elegido un modelo alto de gama, habitual en varios equipos de +1000 Euros. Ofrece hasta 112dB de margen dinámico, un THD+N (suma de la distorsión mas ruido generado) por debajo de -93dB respecto a la señal de entrada, tres filtrados de audio diferentes,  una separación de canales (crosstalk) de hasta 109dB , aparte de muchas otras mejoras, como el ruido emitido en alta frecuencia (lo explicamos más abajo).

 

En este punto podríamos resumir lo que NWAVGUY considera que un DAC totalmente transparente debe medir.

El su articulo “What we ear” NWAVGUY ofrece bastante información y varias referencias a lo que entendemos para que un equipo de audio sea totalmente transparente en la señal de audio y que no altere el sonido de ninguna manera audible. A continuación tenéis los criterios que estableció para alcanzar transparencia en audio (que tanto el ODAC como el C5D cumplen):

Respuesta en frecuencia. De 20 Hz a 19KHz manteniéndose a +/-0.1 dB. Internacionalmente se acepta una desviación de +/-0.5 dB (1 dB de variación total).

Armónicos principales, intermodulación y crosstalk. Por debajo de  –90 dBFS  y la suma total por debajo de –80 dBFS (0.01%)

Ruido.  Todos los componentes por debajo de  –110 dB y la suma total por debajo de –100 dBFS

Jitter. Todos los componentes por debajo de –110 dB y la suma total por debajo de -100 dBFS

 

¿Mejorar el ODAC?

Pasamos a ver los resultados del C5D y como se compara con el reconocidísimo ODAC.

Respuesta en frecuencia. Sencillamente perfecta, con solo una pequeña caída de 0.1 dB en la última parte a 20KHz. Mejoran por pelos el ODAC que cae solo 0.4 a 20 KHz. (totalmente inaudible en ambos casos).

 

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Margen Dinámico. La implementación que ha conseguido JDS Labs llega prácticamente a las cifras oficiales del PCM5102: 109 dB (112dB en el caso perfecto). Debemos recordar que los valores del fabricantes están hechos con generadores de señal y fuentes de alimentación que cuestan miles de euros, además de testear el DAC en una placa “vacía” sin apenas componentes que interfieran en las líneas hacia el DAC. El C5D, a parte de usar la ruidosa señal del USB, lleva varios reguladores y muchos más componentes en una placa relativamente pequeña pensada para ser portátil. Es notable cómo ambos canales son bastante simétricos exceptuando las muy bajas frecuencias (<50 Hz), lo que pone de manifiesto un muy buen diseño de la placa.

 

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Rango dinámico en la salida del C5D DAC

Aquí el ODAC mejora en un par de puntos al C5D, llegando a 111dB, apenas a 1 dB del máximo teórico del DAC ESS9023. También es verdad que le favorece que la placa lleva menos componentes activos, menos reguladores de alimentación y tienes más espacio para trazar las pistas.

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Intermodulación. Metemos dos tonos, 19+20 KHz. Este es un test duro, donde muchos DACs tienen problemas de aliasing. Además el buffer de salida (lo que se llama etapa de conversión I/V ) en muchos DACs contribuye a la distorsión en alta frecuencia, ya que el filtro RC de salida puede tener problemas para entregar señal a una carga directa (esto no ocurre en el C5D).

En el caso del C5D y del ODAC, gracias al diseño electrónico de la placa y al ruteado de las señales digitales, se consigue mantener el ruido por debajo de los -120dB. El ODAC consigue una distorsión de solo 0.0011% y el C5D va pisándole los talones con 0.0013%.

 

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Intermodulación del ODAC a 0.0011%.

 

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Intermodulación a 19 y 20 Khz del DAC del C5D

Jitter. En modo adaptativo (adaptándose a la señal de reloj que viene por el USB) el C5D presenta muy buenos resultados en jitter. Necesitamos ver una señal fuerte y limpia en estas medidas, con bandas laterales mínimas, especialmente cerca de la señal. En esta prueba, mantener la suma de los harmónicos por debajo de -100dBFS evita un impacto audible. El C5D en modo adaptativo supera con creces este objetivo  a -111dBFS.

 

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Haciendo funcionar el C5D de forma asíncrona (usando el reloj de la placa en el controlador de USB), el jitter mejora un poco más y llega a -112dB. Es la única de las pruebas en que se nota una pequeña mejoría, así que en JDS Labs decidieron lanzar el producto funcionando en este modo.

 

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El ODAC pasa también los criterios establecidos con varios dB de sobra y se planta con unos muy respetables -113dB. Hay que mencionar que el jitter aquí parece subjetivamente peor porque el ruido de fondo es mucho más bajo que la mayoría de mediciones. Según demostró NWAVGUY, si testeas un DAC con 16 bits de resolución, el ruido de fondo es mayor y esas señales alrededor de la principal quedan enmascaradas, comparadas con las mediciones a 24 bits.

 

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Distorsión Harmónica + Ruido. La medida de distorsión y ruido mide, una vez más, por debajo del umbral considerado, con un valor medio del 0.005% en todas al frecuencias.

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THD+N @ 20Hz

 

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THD+N @ 100Hz

 

Ruido de fondo. Es el ruido generado por la electrónica del DAC y otros circuitos auxiliares. Tiene todos sus componentes por debajo de -110dB y con la suma total de ruido por debajo de -100dBu. Una vez más la simetría entre canales demuestra el buen trabajo hecho durante el diseño de la sección digital del C5D.

 

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Ruido (A-Weighted) a la salida del DAC del C5D

Separación de canales (o diafonía). Las medidas de separación de canales a la salida del DAC es de -86.1dB, superando al requerimiento de referencia de 80dBFS. Hay que tener en cuenta que la interferencia está siempre limitada por los cables (y el jack) de 3,5 mm en el uso real (que aún siendo excelentes influyen).

 

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Separación de canales (o diafonía) a la salida del DAC del C5D

 

 Tabla de comparación

ODAC

C5D

DAC1 Pre

Resp Frecuencia 10 hz – 19 Khz 24/44

+/- 0.1 dB

+/- 0.1 dB

+/- 0.1 dB

THD+N 100 hz 0 dBFS

0.0029%

0.0014%

0.0009%

THD+N 20 hz –1 dBFS

0.003%

0.0015%

0.0009%

IMD CCIF 19/20 Khz –3 dBFS

0.0011%

0.0015%

0.0005%

Ruido A-Weighted dBu 24/44

–102.8 dBu

-103 dBu

-105.4 dBu

Rango Dinámico –60 dBFS A-Wtd

–111.1 dBr

 <-109 dB

-110.9 dBr

Diaphonic 0 dBFS Line Out 100K

–93.5 dB

-86 dB

-106 dB

 

Filtro de Baja Latencia del DAC. El PCM5102A DAC usado en el C5D cuenta con un filtro configurable de baja/media/alta latencia. En las pruebas, JDS Labs no observaron ninguna diferencia significativa audible. Finalmente decidieron lanzarlo con la configuración de baja latencia. Algunos equipos de alta gama con DAC similares al PCM5102 ofrecen al usuario cambiar el filtro digital del DAC y le suelen dar nombre muy comerciales, como “Optimal Transient” al de baja latencia, “Sharp Roll-off” o “Minimal Phase” según sea su configuración.

Al llevar una MCU de Atmel, JDS Labs decidió poner el firmware del C5D disponible bajo la licencia Creative Commons BY-SA 3.0. Por ejemplo, uno puede experimentar con la función mencionada arriba del filtro digital del PCM5102A o los ajustes del controlador digital de volumen. Eso sí, hay que tener en cuenta que hace falta un programadorun pogo pin y tener experiencia y buenas manos con el DIY.

 

Esperamos que os haya gustado esta disección técnica del JDS Labs C5D y que os sirva de ayuda para saber un poquito más de estos aparatos tan utilizados como desconocidos que son los amplificadores y sobre todo los DACs.

Saludos del equipo Headphoniaks.[:]

Headphoniaks Team
2 Comentarios
  • maty
    06/02/2014

    Espectacular review.

    Disfruto de un ODAC con salidas RCA. La única mejora que hice al ya ensamblado fue enrollar un poco más los cables que conectan a las salidas RCA, forrarlas con teflón y separarlos más del chip. Se notó una pequeña mejoría.

    En cuanto al DSD, tan de moda, es prescindible. 24/96 PCM tiene mejor sonido, según leí.

    Una pena que no se haya sido más ambicioso y aprovechar para sacar 24/192.

    ¿Puede con 24/88? El ODAC lo recorta a 24/44.1.

    Por cierto, ¿se sabe algo de NWAVGUY? En su día escribí unos cuantos comentarios en su bitácora y después dejó de escribir.

  • headphoniaks
    07/02/2014

    Hola Maty.

    Lo de limitarlo a 24/96 en vez de llevarlo a 24/192 es debido a la compatibilidad. 24/96 es protocolo UAC1, lo que hace que sea compatible sin necesidad de drivers en windows y que funcione de forma nativa con dispositivos Apple y con algunos Android. 24/192 es UAC2 y con ello perdemos la compatibilidad con tablets, teléfonos y demás.

    Los formatos soportados son: 16/44, 16/48, 16/88, 16/96, 24/44, 24/48, 24/96. Por algún motivo tampoco funciona con 24/88. Alguna razón debe tener.

    En la entrevista a John Seaber hablamos de Nwavguy y de su súbita “desaparición”. Si estás interesado en el ODAC, el O2 y Nvavguy te recomiendo que le pegues un vistazo.

    Saludos.

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