Audio-ICs Bestleistung für Klangqualität

ICs für High-End-Audio-Systeme müssen sorgfältig entwickelt und gefertigt werden.
ICs für High-End-Audio-Systeme müssen sorgfältig entwickelt und gefertigt werden.

Guter Klang erfordert besonders sorgfältig entwickelte ICs. Rohm hat die Einflussfaktoren der IC-Fertigung auf die Audiowiedergabe analysiert und nutzt das Wissen in der Entwicklung seiner High-End-Audio-ICs. Sie tragen einen eigenen Markennamen »MUS-IC«.

Seit der Einführung der CD (Compact Disc) im Jahr 1982, also vor über 35 Jahren, hat ein Wandel stattgefunden: die Daten von aufgenommener Musik werden anstatt auf CDs nun auf Festplatten und Flash-ICs gespeichert und in letzter Zeit auch über Streaming-Dienste per Internet bereitgestellt. Hier müssen Audiosignale mit hoher Auflösung verarbeitet werden können.

Als Antwort auf die wachsende Nachfrage nach High-Fidelity-Audio, insbesondere seitens der jüngeren Generation, haben viele Unternehmen qualitativ hochwertige, tragbare Audiogeräte auf den Markt gebracht, zum Beispiel digitale Audiospieler, tragbare Kopfhörerverstärker sowie High-Fidelity-Kopfhörer und -Ohrhörer.

Derweil hält die Nachfrage nach traditionellen High-End-Audiogeräten in Japan und Europa an. Dazu gehören mit hoher Auflösung digitalisierte Audioquellen, mit einer drastisch verbesserten Zeitauflösung (Abtastung) und Spannungsauflösung (Quantisierung) gegenüber herkömmlichen CDs, wodurch ein bislang unerreichter Detaillierungsgrad und realistischer Klang möglich wird.

Damit hochauflösende Audiogeräte diesen Klang präzise wiedergeben können, müssen sowohl das Rauschen als auch Verzerrungen minimiert werden. Diese höhere Leistung wird folglich auch von den eingebauten Komponenten gefordert.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat Rohm eine eigene Sound-Quality-Design-Technik entwickelt, die Bestleistungen bei den technischen Daten und der Klangqualität erzielt. Außerdem hat Rohm eine Reihe von ICs entwickelt, die für solche High-Fidelity-Audiogeräte optimiert sind.

ICs für Audiogeräte

Bild 1 zeigt verschiedene Funktionen von ICs, die in Audiogeräten verwendet werden. In Audiogeräten werden Audioinformationen, die sich auf Speichermedien wie einer CD oder einem Flash-Speicher (USB-Stick) befinden, zunächst mit einem Media-Decoder in digitale Audiosignale umgewandelt. Sodann führt ein direkt nachgeschalteter (digitaler) Klangprozessor die Einstellung von Klang und Lautstärke durch.

Bei analogen Audiogeräten führt eine analoge Verstärkerstufe die Einstellung von Lautstärke und Klang durch, nachdem ein Digital-Analog-Umsetzer die digitalen Signale in analoge Signale umgesetzt hat. Erst danach wird ein Klasse-AB-Verstärker zur Ansteuerung der Lautsprecher verwendet. Im Gegensatz dazu wird in einem digitalen Audiogerät das digitale Signal direkt in einen Klasse-D-Verstärker eingespeist, um die Lautsprecher anzusteuern.

Im Allgemeinen basieren High-Fidelity-Audiogeräte, für die es hauptsächlich auf die Klangqualität ankommt, auf einer analogen Verstärkerstufe. Tragbare Audiogeräte hingegen, bei denen eine niedrige Leistungsaufnahme im Mittelpunkt steht, basieren auf einem digitalen Verstärker.

Seit mehr als 50 Jahren, bis zurück in die 70er Jahre, entwickelt Rohm ICs, speziell für den Audiogeräte-Markt. Von Anfang an führte das Unternehmen Audioverstärker, Klangprozessoren, Codecs und andere ICs im Programm, um den Anforderungen der Audiogerätehersteller gerecht zu werden.

Und im Jahr 2017 startete Rohm die Serienproduktion des hochauflösenden Audio-SoC (System on Chip) BM94803AEKU, der praktisch jede Audioquelle wiedergeben kann und auf einem einzigen Chip einen Media-Decoder, einen Klangprozessor und einen Mikrocontroller enthält.

Darüber hinaus arbeitet Rohm seit dem Jahr 2012 mit Entwicklungsingenieuren von Audiogeräten zusammen, um die Klangqualität von Audio-ICs zu verbessern und High-Fidelity-Audio-ICs zu entwickeln.

Vier Schlüsselbegriffe für High-Fidelity-Audio-ICs

Im August 2018 startete Rohm eine neue Marke für Audio-ICs namens MUS-IC (Rohm Musical Device MUS-IC) – eine Wortkombination aus »Music« und »IC«. Unter dieser Marke führt Rohm ausschließlich hochwertige Audio-ICs, die eigens von erfahrenen Toningenieuren verantwortungsvoll ausgewählt werden.

Folgende vier Schlüsselkonzepte zeichnen MUS-IC aus: »Quality First«, »Vertically Integrated Production System«, »Contribution to Music Culture« und »Sound Quality Design Technology« (Bild 2).

Rohm hat gemäß seinem Unternehmensmotto »Quality is Our Top Priority at All Times« ein vertikal integriertes Produktionssystem eingeführt, in dem Produktionsabläufe von Anfang an (Wafer-Fertigung) bis ganz zum Schluss (Verpackung) im eigenen Haus durchgeführt werden.

Dementsprechend sind IC-Entwicklungsingenieure nicht nur für den Schaltungsentwurf verantwortlich, sondern auch für alle entwicklungsbegleitenden Tätigkeiten – von der Produktplanung über die Vorbereitung der Serienproduktion im Werk bis hin zur technischen Kundenbetreuung. Daher liegt die große Stärke der Entwicklungsingenieure darin, Markt- und Kundenbedürfnisse direkt in die ICs zu integrieren, gleichzeitig kennen sie sich im Herstellungsprozess sehr gut aus.

Auch zur Musikkultur trägt Rohm bei, indem das Unternehmen Musikalität über die Rohm Music Foundation und das Rohm Theatre Kyoto fördert – durch Sponsoring von Konzerten und Stipendien. Außerdem gibt Rohm seinen Mitarbeitern die Möglichkeit, Live-Musik, beispielsweise klassische Konzerte und Opern, hautnah zu erleben. Diese Unternehmenskultur bildet den Grundstein der Sound-Quality-Design-Technik und ermöglicht es, High-Fidelity-Audio-ICs zu entwickeln.

Optimierte Klangqualität durch Sound-Quality-Design-Technik

Unter den vier Schlüsselkonzepten ist die Sound-Quality-Design-Technik wohl das Auffälligste. Neben den technischen Daten ist bei Audio-ICs die Klangqualität ein wichtiger Punkt. In einem speziellen Hörraum bei Rohm (Bild 3) bewertet der Toningenieur den Klang von aktuell entwickelten ICs anhand von acht Schlüsselparametern: Klarheit, Echtheit, Ausbreitung, Auflösung, Ortung, Wahrnehmung von stereotaktischem Bass und Verzerrung sowie Mächtigkeit.

Diese Methode zur Bewertung der Klangqualität wurde nach ausführlichen Gesprächen mit den Toningenieuren verschiedener Gerätehersteller festgelegt. Normalerweise sind die IC-Entwicklungsingenieure mit den technischen Daten von elektronischen Schaltungen – beispielsweise den elektrischen Eigenschaften – vertraut, sie verfügen aber in vielen Fällen nicht über das Expertenwissen zur Klangqualität.

Im Gegensatz dazu verfügen die Audio-IC-Entwicklungsingenieure bei Rohm über ein Expertenwissen sowohl bei den technischen Daten als auch bei der Klangqualität – und das bringt einen erheblichen Vorteil.

Um die Klangqualität eines ICs zu verbessern ist es zunächst notwendig, eine Schaltung mit minimalem Rauschen und geringen Verzerrungen zu entwickeln. Die volle Leistungsfähigkeit der Schaltung lässt sich ausschöpfen, wenn optimale Eigenschaften festgelegt werden, und zwar bei der Anordnung der Bauelemente, der IC-Verschaltung (IC-Layout, Fotomaskenherstellung), der Auswahl der Bauelemente und der Struktur (Wafer-Prozess) sowie bei den Materialien, die den Chip mit der Leiterplatte verbinden (Anschlüsse, Gehäuse).

Nach einer sorgfältigen Überprüfung des vertikal integrierten Produktionssystems ermittelte Rohm 28 Parameter, die einen Einfluss auf die Klangqualität eines Audio-ICs haben könnten, und nutzte diese bei der Entwicklung seiner Audio-ICs (Bild 4).

MUS-IC-Produktreihe

Mit der Marke MUS-IC bietet Rohm eine Reihe von ICs, die auf der Sound-Quality-Design-Technik basieren (Bild 5). Der High-Fidelity-Klangprozessor (BD34704KS2 und BD34705KS2), in dem die Sound-Quality-Design-Technik erstmals zum Einsatz kam, kann auch bei geringen Lautstärken eine breite räumliche Darstellung erzielen.

Er eignet sich sowohl für eine positive als auch negative Versorgungsspannung und erzielt eine erstklassige geringe Verzerrung (THD+N = 0,0004 %) bei gleichzeitig geringem Rauschen (S/N = 131 dB). Der  BD34602FS-M Klangprozessor glänzt mit ebenso niedrigen Verzerrung (THD+N = 0,0004 %) und geringem Rauschen (S/N = 125 dB). Mit ihnen lassen sich zahlreiche Audio-Anwendungen realisieren – von A/V-Verstärkern bis hin zu Audio-Systemen in Automobilen.

Speziell für High-Fidelity-Audioanwendungen hat Rohm auch einen Stromversorgungs-IC entwickelt, der eine erstklassige Leistung liefert, da er den Rauschpegel im Vergleich zu bisherigen ICs um den Faktor 50 reduziert (3,3 µVrms) und gleichzeitig einen Versorgungsspannungsdurchgriff (Power Supply Rejection Ratio – PSRR) von über 50 dB über das gesamte Band von 10 Hz bis 1 MHz erreicht.

Die Palette dieser für die Wiedergabe von hochwertigen Audioquellen optimierten Stromversorgungs-ICs beinhaltet den Linearregler (LDO) BD37201NUX, der sich als Stromversorgung für den Digitalblock in DSPs und DAUs eignet.

Zudem entwickelt Rohm aktuell einen leistungsstarken Audio-DA-Umsetzer-IC (BD34301EKV) für die Anforderungen von »Rich Bass Sound«, »True to Life Vocal« und »Vivid Sound Field«. Der Prototyp erhielt bereits bei der Vorstellung allgemeine Anerkennung von allen anwesenden Toningenieuren und den Redakteuren im Audiobereich. Rohm arbeitet derzeit daran, diesen Audio-DA-Umsetzer-IC 2019 auf den Markt zu bringen und zugleich die Leistung und Klangqualität noch weiter zu verbessern.

Zukünftige Entwicklungen

Es wird erwartet, dass die Nachfrage nach hochwertigen Audio-ICs steigen wird, weil Anwendungen mit Audiosignalen hoher Auflösung immer populärer werden. So entwickelt Rohm parallel zur diesjährigen Markteinführung der Hochleistungs-Audio-DA-Umsetzer die Technik der High-Fidelity-Audio-Verstärker weiter, um das Angebot an High-End-Audio-ICs unter der neuen Marke MUS-IC zu erweitern (Bild 6).

Auch in Zukunft setzt sich Rohm das Ziel erstklassige Audio-ICs zu entwickeln, die Audiogeräteherstellern einen Fortschritt bringen und gleichzeitig einen Beitrag zur Musikkultur leisten.

 

Der Autor

Naruhiro Okamoto

studierte Elektronik am Osaka Institute of Technology. Er begann seine Karriere bei Rohm Japan 1993 als Ingenieur für die Entwicklung von Audio-ICs. Im Mai 2019 wechselte er zur Rohm Semiconductor GmbH als Head of European Technical Centre.

Okamoto ist verantwortlich für den technischen Support der ICs mit dem Schwerpunkt auf Analog-ICs – Standard-ICs, Timing Controller, Sensoren, Audio-ICs – sowie Stromversorgung und Leistungselektronik – Stromversorgungs-ICs, DC/DC-Wandler, AC/DC-Wandler, Gate- und Motor-Treiber-ICs für den Automobil- und Industriemarkt.

naruhiro.okamoto@de.rohmeurope.com