Qu’est-ce qu’un DAC R2R ?

Le DAC occupe une place centrale dans toute chaîne hi-fi moderne. C’est lui qui assure la conversion des flux audio numériques (PCM ou DSD) en un signal analogique exploitable par l’amplification, les enceintes ou un casque. Derrière ce terme générique, deux grandes philosophies s’opposent depuis des décennies : la conversion delta-sigma, majoritaire aujourd'hui, et la conversion R2R par réseaux de résistances et revenue sur le devant de la scène ces dernières années. Mais qu’est-ce qui distingue réellement un DAC R2R ? Comment fonctionne-t-il et pourquoi séduit-il aujourd’hui beaucoup de fabricants ? 

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Comment fonctionne un DAC R2R ? 

À l’époque où le CD dominait sans partage le paysage audio, la conversion R2R s’imposait comme la référence absolue. Elle a façonné la signature sonore de nombreux lecteurs emblématiques et a contribué à forger un véritable mythe. Mais aujourd'hui, l’immense majorité des DAC intégrés aux lecteurs CD, streamers ou amplis grand public repose sur une puce électronique avec une architecture delta-sigma. C’est le choix privilégié par les fabricants comme AKM, ESS Sabre, Cirrus Logic ou encore Texas Instruments avec les puces historiquement connues sous la marque Burr-Brown. 

Le principe fondamental de ces DAC delta-sigma est très différent d’un convertisseur multi-bits classique. Dans un premier temps, le signal audio est découpé et recalculé à une cadence bien plus élevée que nécessaire. Là où un CD fonctionne à 44 100 mesures par seconde, un DAC delta-sigma moderne travaille à des fréquences des centaines de fois supérieures. Cette étape permet de lisser les variations du signal et de simplifier la suite du traitement. Ensuite, le signal n’est plus exprimé par des valeurs de niveau, mais par une suite d’impulsions extrêmement rapides. Ici, ce n’est pas la hauteur de chaque impulsion qui compte, mais leur densité : plus les impulsions sont nombreuses sur un laps de temps donné, plus le signal est puissant. Cette méthode génère inévitablement de petites erreurs, appelées bruit de quantification. L’astuce du delta-sigma consiste alors à repousser ce bruit hors des fréquences audibles. Une fois cette opération effectuée, il ne reste plus qu’à appliquer un filtrage analogique simple en sortie, chargé de supprimer ces résidus indésirables. 

L’approche des DAC delta-sigma présente de nombreux avantages industriels et techniques. Elle permet d’obtenir des niveaux de distorsion extrêmement faibles, un excellent rapport signal/bruit et une grande constance d’un exemplaire à l’autre, le tout avec des circuits intégrés compacts et économes. C’est précisément ce qui a permis la généralisation de DAC performants à coût maîtrisé, y compris dans des appareils accessibles, et explique pourquoi le delta-sigma est devenu la norme depuis plus de vingt ans. Mais cette efficacité a aussi une contrepartie : la conversion repose sur une reconstruction indirecte du signal analogique, fortement dépendante des algorithmes de suréchantillonnage, des filtres numériques, de la gestion de l’horloge et de la qualité de l’étage de sortie. Deux appareils utilisant la même puce delta-sigma peuvent ainsi proposer des rendus sonores sensiblement différents selon leur implémentation. De plus, le flux transmis au DAC est toujours modifié plus ou moins fortement pour être traité. 

Le DAC R2R adopte pour sa part une philosophie radicalement différente. Là où le delta-sigma reconstruit le signal par une moyenne temporelle ultra-rapide, le R2R fonctionne en bit-perfect, avec une addition instantanée de valeurs analogiques pondérées. Il s’appuie sur une échelle de résistances agencées de manière à ce que chaque bit du mot numérique commande un embranchement précis du réseau. Chaque bit contribue ainsi directement, selon son poids binaire, à la tension ou au courant de sortie. Le signal analogique est alors issu d’une sommation réelle et immédiate des contributions numériques, ce qui confère au DAC R2R une relation plus directe entre donnée numérique et tension analogique. C’est précisément cette approche, hautement musicale et impitoyablement exigeante en termes de précision, qui explique à la fois le prestige historique du R2R et les raisons de son long retrait face au delta-sigma.

Le principe de l’échelle R2R

Tout signal audio numérique repose sur deux paramètres fondamentaux : sa résolution et sa cadence d’échantillonnage. Prenons le cas du CD audio, encodé en 16 bits à 44,1 kHz. La fréquence d’échantillonnage indique à quelle cadence le signal analogique original est mesuré, soit 44 100 fois par seconde dans ce cas précis. À chaque instant, seule la valeur mesurée est conservée, tandis que l’évolution du signal entre deux points successifs n’est pas enregistrée directement. La profondeur en bits définit quant à elle la précision de ces mesures. Chaque échantillon est converti en une valeur numérique exprimée en binaire, permettant de décrire le niveau instantané du signal. Avec une résolution de 16 bits, l’amplitude peut être représentée par 65 536 niveaux distincts, sans gradation intermédiaire. 

Un signal audio est ainsi découpé en une suite de nombres, eux-mêmes codés en bits. Chaque bit peut valoir 0 ou 1, mais tous n’ont pas la même importance. Le premier bit davantage, le suivant un peu moins, puis encore moins, et ainsi de suite. On peut comparer cela à un système de pièces de monnaie : une pièce de 2 €, une de 1 €, une de 50 centimes, puis de 20 centimes, etc. C’est la combinaison de toutes ces pièces qui donne une somme précise. 

Dans un DAC R2R, cette logique est reproduite physiquement à l’aide d’un réseau de résistances. Deux valeurs seulement sont utilisées : une résistance appelée R et une autre valant exactement le double, 2R. En les assemblant selon un schéma très précis, chaque bit du signal numérique est associé à une portion bien définie du signal analogique final. Le bit le plus important contribue fortement au niveau de sortie, le suivant un peu moins, puis encore moins, jusqu’au bit dont le poids est le plus faible.

Lorsque la musique est lue, des interrupteurs électroniques ouvrent ou ferment chaque branche du réseau en fonction des bits reçus. Certaines résistances sont alors connectées à une tension de référence, d’autres à la masse. Toutes ces contributions sont ensuite additionnées en un point unique, qui délivre directement une tension analogique correspondant exactement au nombre numérique d’origine. Le DAC R2R additionne ainsi des valeurs réelles, instantanément, un peu comme si chaque échantillon musical était reconstruit en une seule opération, par superposition de petites briques analogiques parfaitement dosées.

L’exigence extrême des DAC R2R 

Derrière leur architecture en apparence rudimentaire, les DAC à réseau R2R imposent des exigences de fabrication extrêmement élevées. Le principe repose sur une hiérarchie parfaitement maîtrisée de résistances dans laquelle chaque valeur R doit être strictement identique, tandis que chaque résistance 2R doit correspondre exactement au double de cette valeur. La moindre variation, même minime, introduit une erreur dans la conversion, affectant directement la justesse du signal analogique envoyé à l’amplificateur. Pour reprendre l’exemple précédent, si l’une des pièces de monnaie dérive même très légèrement, la somme totale devient erronée.

Cette contrainte est d’autant plus critique que chaque bit de résolution s’appuie sur un couple R–2R. Un DAC 16 bits mobilise ainsi 32 résistances (16 x 2), un modèle 24 bits en requiert 48, et une architecture 24 bits en double mono en totalise 96. Les DAC les plus perfectionnés peuvent en compter jusqu’à 192 ! Garantir un appairage aussi fin entre l’ensemble de ces composants nécessite des résistances à tolérance extrêmement serrée, triées et sélectionnées avec soin, ce qui explique en grande partie le coût de conception et de production élevé de ce type de DAC.

À cela s’ajoutent d’autres contraintes bien concrètes. Les composants chauffent, et la température peut modifier très légèrement la valeur des résistances. Les relais électroniques ne basculent jamais tous exactement au même instant, ce qui peut générer de minuscules impulsions parasites lors des changements rapides du signal. Ces défauts microscopiques peuvent se traduire par des erreurs de linéarité, un bruit résiduel, ou une légère distorsion sur des systèmes très transparents. C’est pour ces nombreuses raisons que les DAC R2R sont longtemps restés l'apanage des électroniques les plus prestigieuses. 

Toutefois, les progrès réalisés ces dernières années dans la fabrication des composants, avec des résistances à tolérances zéro, des réseaux intégrés précisément appairés ou encore un contrôle thermique plus fin ont profondément changé la donne. Ils permettent aujourd’hui de concevoir des DAC R2R plus stables, plus facilement reproductibles et financièrement plus accessibles, tout en conservant les qualités de cohérence et de naturel qui font la singularité de cette approche.

DAC R2R : des performances musicales supérieures ?

Si le R2R continue de séduire autant d’auditeurs, c’est avant tout pour son ressenti à l’écoute. Cette architecture donne souvent l’impression d’un lien plus direct entre le signal numérique et sa traduction analogique, avec une restitution perçue comme plus naturelle. Là où certaines approches privilégient une reconstruction très analytique, le R2R semble davantage s’attacher à la continuité du message musical.

Les micro-variations de niveau apparaissent souvent mieux mises en valeur, donnant de la respiration aux phrases musicales et une dynamique perçue comme plus fluide, même à bas volume. Le médium, en particulier sur les voix et les instruments acoustiques, gagne en densité et en présence, avec des timbres cohérents et solidement ancrés. Les aigus privilégient généralement le grain et la matière à l’effet de brillance, ce qui favorise une écoute plus douce. Quant au grave, il se montre souvent plus posé et plus charpenté, renforçant la sensation de cohérence globale. C’est cet équilibre, fait de fluidité, de textures et de continuité, qui conduit de nombreux auditeurs à qualifier la restitution R2R de plus organique ou plus analogique, au sens où elle respecte particulièrement bien la façon dont l’oreille humaine perçoit les nuances fines de dynamique et de grain.

NOS, suréchantillonnage et FPGA : le R2R moderne

À l’origine, le DAC R2R adopte une approche volontairement minimaliste de la conversion numérique-analogique. Il évoque spontanément l’approche NOS (Non-OverSampling), c’est-à-dire une conversion directe du signal, sans suréchantillonnage ni filtrage numérique préalable. Chaque échantillon est converti tel quel, à la fréquence d’origine, ce qui séduit par la simplicité du chemin du signal et par une réponse impulsionnelle très franche, sans pré-écho ni artefacts liés aux filtres numériques. 

Cette philosophie implique cependant certains compromis. L’absence de suréchantillonnage repousse une partie du travail vers l’analogique, notamment le filtrage de sortie, qui devient plus délicat à concevoir. Les fréquences situées au-delà de la bande audible, sont également davantage présentes, même si leur impact réel dépend fortement de l’étage analogique et de l’amplification associée. Pour beaucoup d’auditeurs, ces choix participent à une écoute plus spontanée et plus vivante ; pour d’autres, ils peuvent introduire une forme de rugosité ou de coloration. 

À l’opposé de cette approche volontairement épurée, de nombreux DAC R2R contemporains adoptent une philosophie hybride. Ils conservent l’échelle de résistances pour la conversion proprement dite, mais l’associent à des traitements numériques avancés confiés à un processeur FPGA (Field Programmable Gate Arrays) ou à un DSP (Digital Signal Processing). Suréchantillonnage sélectionnable, filtres numériques multiples, synchronisation précise du signal d’horloge ou encore correction de certaines non-linéarités propres au réseau R2R font désormais partie de l’arsenal moderne. Cette combinaison permet d’atteindre un niveau de contrôle et de flexibilité autrefois réservé aux architectures delta-sigma, tout en préservant la musicalité de la conversion multi-bits.

Que choisir entre DAC Delta Sigma et R2R ? 

Face à l’offre actuelle, la question ne se pose plus en termes de supériorité technologique, mais bien de préférences d’écoute, de contexte d’utilisation et de cohérence avec le reste du système. Si les deux architectures poursuivent le même objectif de convertir un signal numérique en signal analogique, elles empruntent des chemins suffisamment différents pour produire des sensations distinctes. Le DAC delta-sigma est aujourd’hui l’architecture la plus répandue, portée par des décennies d’optimisation. Elle offre une excellente maîtrise du bruit, une grande stabilité d’un appareil à l’autre et une compatibilité étendue avec tous les formats actuels. Les modèles les plus récents supportent le PCM jusqu’à 32 bits / 728 kHz, le DSD1024 ou encore le MQA. Dans un système orienté vers la neutralité, la précision et la transparence, un bon DAC delta-sigma sait se faire oublier, en restituant un message très propre et détaillé. 

Le DAC R2R, de son côté, s’adresse davantage à ceux qui recherchent une restitution plus organique. La différence est assez comparable aux mélomanes qui privilégient les électroniques à tubes aux transistors et le vinyle au CD. La restitution du DAC R2R est souvent perçue comme plus dense, plus fluide, avec une continuité marquée dans les timbres et une attention particulière portée aux micro-variations de dynamique. Il peut apporter une forme de matière et de naturel très séduisante sur les voix, les instruments acoustiques et les enregistrements où la texture prime sur la démonstration. 

En réalité, le bon choix n’est pas celui d’une technologie contre l’autre, mais celui d’un équilibre personnel. Un DAC delta-sigma séduira par sa neutralité et sa constance, là où un DAC R2R pourra marquer par son identité et son engagement musical. 

Le DAC R2R incarne une autre manière d’aborder la conversion numérique-analogique, fondée sur une relation plus directe et plus tangible entre le signal numérique et sa traduction sonore. Longtemps mis de côté au profit du delta-sigma, il revient aujourd’hui grâce à des mises en œuvre mieux maîtrisées et des coûts de fabrication réduits. Sans supplanter les architectures modernes delta-sigma dominantes, le R2R s’impose comme une alternative crédible et séduisante pour les mélomanes en quête de matière, de continuité et d’engagement musical. Comprendre ces deux approches permet avant tout de choisir en fonction de ses goûts et de son système, car en hi-fi, la meilleure solution reste toujours celle qui sert le mieux l’écoute.