数字音频放大:便携式设备音频放大的新手段

上网时间: 2006年02月01日? 作者:Larry Kirn, Jam Technologies? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:数字音频? 便携式应用? D类放大器?

虽然以前的音频技术效果不错,但它们所采用的技术都是专门面向模拟音源。而现在几乎所有的音源都是数字的,我们有必要重新审视传统放大方法的基本原理,看其是否足以满足今天数字音源设备,如CD、MP3和DVD等应用的需求。数字音频现在随处可见。也就是说,目前的数字音频放大器不能满足实现超清晰全16位音频技术(目前音频设备的最低标准)的要求。

竞争继续促使数字电视系统、家庭影院、平板电视和DVD系统的零售价格下降,但这些产品中的音频放大系统的材料清单成本保持不变,因为支持目前数字放大器的元件数量众多。这种情形也同样阻碍了手机、MP3播放器和iPod等手持及电池驱动产品的小型化和市场增长速度。由于几乎所有的音源都转向了数字化的格式和媒体,因此需要新的音频放大方法以满足消费者对于小型化、低价格和品质更好的音像产品的需求。这种新方法需要具有数字输入、功耗更低、发热更少并且节省总体成本。

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音频放大器正在进入数字时代。

数字音频产业的初期阶段

20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。但晶体管技术至少具有两个重大缺陷。尽管晶体管比烤得整个房间发热的电子管更具效率,但只是迅速取代了真空管,实际上基本未触动上游信号源。利用发热更少、效率更高的数字信号处理技术的设计工艺只是刚刚进入包括音频在内的许多市场。第二个问题不太重要,即以几乎无法承受的价格批量生产晶体管,意味着要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(vinyl和磁带)、传输和接收技术(AM收音机和VHS电视)也不够完美,音质下降的问题显得还不是那么明显和突出,但是现在的情况已全然不同。

早在20世纪60年代,集成电路的发展就为显著提高音质提供了一个物美价廉的手段,并有力地促进了电子产品的小型化。模拟放大器是绝对线性的,在模拟放大器中,电源总处于接通状态,耗用大量的电能,因此必须使用大量的散热器件。这样大手大脚地使用电源根本不适合目前电池供电的产品和外形纤巧的消费电子设备。由于所有的音源都是模拟式的,听得见的噪声背景限制了可重复的动态范围。例如,Vinyl源产生劈哩啪啦的各种噪音;音质好一点的磁带源则有嘶嘶声,使系统动态范围至多只有60分贝。

进入数字时代

随着时代的发展,新型音源出现了,几乎完全进入了数字时代。唱片和磁带开始消失,让位于光盘(CD)。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。数字记录设备和输出生成非常精确的声音。16位数字录音可以精确到6?000分之一,而相当于数字分辨率为12-13位的模拟录音精确度只有8,000分之一。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12~13.5位的音频。

新型的多媒体产品需要全16位的音频重现,以支持市场所要求环绕声、回响和音乐厅效果等越来越多的空间特点。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和效率高,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、汽车立体声系统、DVD影碟机或MP3播放器等越来越普通的先进设备。利用CD发行数字音频,消除了音频信号格式方面的一个弱点。最终很轻便的手持式设备甚至都可以实现影院级音质。

按字面理解,数字音频信号是没有噪声的,它被作为一系列的“0”和“1”加以处理,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,新技术使得这种新的纯音源在整个音频处理链中保持纯数字形式。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数模转换器。

一个真正的数字放大器直接把干净的数字输入在音箱终端转化成干净的功率输出。直到最近,只有在高档、最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。

考虑新的方案

尽管现有的D类数字放大器较以前的技术已有所改善,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。首先是音质。为了生成精确的音频,输入晶体管需要在动态范围的两端都能同样出色地工作,以帮助精确地实现准确的功率分配。新的架构技术不再忽视细节,额外增加了一套输入晶体管。这些晶体管可以实现对音频信号输入的更精细的控制。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,这种单芯片解决方案把微调控制与原始功率结合在一起。

不同于需要在几乎所有的D类放大器中都使用中级模拟信号的一切传统架构,这种E-Bridge架构相对于比较传统的H-Bridge架构,通过省略复杂的反馈回路或使用大量DSP的错误校验,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。

开关放大器音频输出由一系列电压脉冲组成。这些脉冲的宽度或密度决定在给定时刻发送多少功率。因为脉冲的高度(电压)是固定的,所以是通过脉冲宽度的变化来确定输出功率。尽管原理很简单,但要使定时控制达到音频所要求的精度很困难。传统的D类放大器试图利用反馈产生高级音质,这是一种模拟技术,虽然使音质有所改善,但从未达到其前辈--发热和功耗很大的模拟放大器--那么高的水平。

这种开关放大的新方式在输出级利用一套晶体管增加了低电压精度控制。传统的输出晶体管提供原始的D类输出。所增加的晶体管产生低电压脉冲,与高电压脉冲合在一起确定最终值。通过同时采用高电压脉冲和这些低电压脉冲,这种数字放大新方式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的好处。

下面的比较将使这个很复杂的概念容易理解。假设你必须生成一个具体和精确的水体积流量。只给你一个消防水龙带。需要通过打开和关闭水龙带来控制体积流量。为了产生均匀的流量,你需要非常迅速地开合水龙带。这么做当然非常困难,而且结果可能也不准确。但是如果你另外在头上增加一截浇花用的橡胶软管,就能够更好地进行水流控制。由于尺寸较小,利用橡胶软管可以实现更细微的调节,因此可以更细微和更精确地控制水量的分配:

除了提高效率和降低了系统成本以外,这种方式还缩小了占位面积,有助于产品小型化。E-Bridge方案的系统功耗也低于模拟或传统的D类放大器。这意味着除了产生更佳的音频以外,所需的配套器件更少,这种新的架构方案将延长电池寿命和更适合纳入手机、膝上型电脑和MP3播放器等便携产品。使用这种非传统架构方式的数字音频放大器代表下一代数字音频放大。这种技术最终使开关放大器成为纯数字媒体和设备可接受的方案,使它们能够充分发挥其核心能力。

作者:Larry Kirn, Jam Technologies

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