适用于家庭娱乐系统的新型数字音频放大技术

上网时间: 2005年10月01日? 作者:Larry Kirn, 创始人、总裁兼CTO, Jam Technologies? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:数字音频? 音频技术?

虽然以前的音频技术效果不错,但它们所采用的都是模拟音源。现在,几乎所有的音源都是数字的,因此我们有必要重新审视传统放大方法的基本原理,看其是否足以满足如今的数字音源。

目前的数字音频放大器并不能满足超清晰全16bit音频的要求。竞争又不断促使数字电视系统、家庭影院、平板电视和DVD系统的零售价格下降,但这些产品中音频放大系统的BOM成本却保持不变。

由于几乎所有的音源都转向了数字格式和媒体,因此需要新的音频放大方法以满足消费者对小型化、低价格和品质更好的音频产品的需求。这种新方法需要具有数字输入,而且功耗要更低、发热要更少、并更能节省总体成本。

音频放大技术的发展历程

上世纪50年代开发成功的晶体管代表着音频放大技术的巨大飞跃。但晶体管技术至少有两个重大缺陷。尽管它比电子管更有效率,但实际上基本未触动上游信号。第二个问题是,要想经济性的批量生产晶体管,就必须大幅放宽这些元件的误差标准,从而导致信号失真上升或者音质下降。当时由于使用的是质量相对较低的存储媒体、不够完美传输和接收技术,音质下降的问题还不太明显,但现在情况已完全不同。

集成电路的发展为提高音质提供了一个物美价廉的手段,并有力促进了电子产品的小型化。模拟放大器是绝对线性的,由于电源总处于接通状态,会消耗大量的电力,因此必须使用大量的散热器件。

这种几乎不考虑能耗问题的做法根本不适合目前电池供电的产品和外形小巧的家庭音响及家庭影院系统。由于所有的音源都是模拟的,听得见的背景噪声限制了可重复的动态范围。令人高兴的是,嘶嘶的背景噪声对动态范围的限制作用远不如突发噪音那么厉害。

数字时代提出了新的要求

现在我们几乎完全进入了数字时代,唱片和磁带开始早已让位于光盘。市场希望在更小的器件上存储更多的音乐,这种需求催生出MP3等压缩技术,进而需要数字放大器电路来满足这些新型媒体。

早期的数字放大器与模拟音源配合得很好,在某种程度上与数字音源的配合也不错,但最多只能生成分辨率为12-13.5bit的音频。家庭影院、数字音频接收机和PC游戏等先进的娱乐系统需要全16bit的音频重现,以支持市场所要求环绕声、回响和音乐厅效果。

典型的D类数字放大器,有些具有模拟输入,有些具有数字输出,不能满足上述目标。因为尽管它们成本低、效率高,但缺乏生成精确音频所需的分辨率。而且,这些元件甚至不能满足CD机、DVD影碟机等普通的娱乐设备的要求。

利用光盘发行数字音频,消除了音频信号在格式方面的一个弱点。最终,家庭中都可以实现影院级音质。按字面理解,数字音频是没有噪声的。它是被作为一系列的“0”和“1”加以处理的,没有给可能引起微小失真的噪声留下任何空间。

但另外一个问题仍然存在:模拟放大所必需的数模转换器(DAC)对尺寸、成本和质量的影响。

现在,新技术使得整个音频处理链都保持纯数字形式。具有数字输入的纯数字放大器,使得在信号路径中不再需要使用DAC,而是直接把干净的数字输入在音箱终端转化成干净的功率。

直到最近,才在高档、昂贵的音响系统中见到端到端的数字放大器。几乎所有的早期数字放大系统都需要利用两芯片方案,同时需要大量外部元件。这种两芯片方案的成本和尺寸在很大程度上妨碍了它在主流市场中的应用。

尽管现有的D类数字放大器较以前的技术有所改善,但它们在音质、封装、性能、价格和核心技术方面未能取得重大改进。

新的E-Bridge方案

这是一种新的、架构简单的数字放大器方案。它的首要特点是改善了音质。为了生成精确的音频,输出晶体管需要在动态范围的两端都能同样出色地工作,以实现准确的功率分配。新的架构技术不再忽视细节,而是额外增加了一套输出晶体管。这些晶体管可以更加精确地控制音频信号的输出。这种单芯片解决方案通过采用一个简单但功能强大的内部控制逻辑系统改善音频输出,把微调控制与原始功率结合在一起。

这种数字放大新方式可生成极其精确的功率输出,进而产生极其准确的音频。这种非凡的精度也意味着现在数字放大器能够真正实现环境模拟和环绕声等特殊效果。

与传统D类放大器架构不同的是,这种新架构省略了复杂的反馈回路和DSP,显著简化了放大过程。因为这种架构从根本上来说比较简单,所以这种开放回路方案也便于以更低的成本和更小的占位面积进行集成,因此有助于产品小型化,并有利于进一步缩小平板电视的厚度。

同时,由于节省了热量管理,新方案所需的配套器件更少。

作为下一代数字音频放大技术,这种非传统的简单输出级概念实现了真正的功率DAC。这种技术最终使开关放大器成为纯数字娱乐设备可接受的方案,使它们能够充分发挥其核心能力。这种新方案技术也将使真正的16bit全数字音响系统成为可能。

作者:

Larry Kirn

创始人、总裁兼CTO

Jam Technologies

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