音频放大器的发展过程.doc

/uafrank/blog/item/1bd08f280c8b00f698250a3c.html本文论述音频放大器的发展过程和当前出现的数字音频功率放大器的国内外现状。通过此文，以引起我国广播电视、电影等专业单位对这一新鲜事物的关注。使得音频放大器这个盲区也能进入数字化时代。 当前，无论是广播界还是电视界都在为全面数字化而努力着。而谈到音频数字化时，都只在数字录音机和数字调音台方面打转转。然而，一个完全不符合数字化时代的、很不环保的器材却是人们并不注意的音频功率放大器。这类放大器在广播电台、电视台、电影制片厂、录音公司、音乐厅、重要社会活动场所、体育运动场馆、文艺演出场所、会堂、会议厅等等场合作为监听和扩声之用，这些都是需要大量专业级音频设备的地方。而现在的功率放大器，如果是甲乙类，其转换效率一般都只在50%以下，如果是纯甲类放大器，效率就更低。为了散热，需要巨大的散热片、热管和风扇。为了保证气流畅通，机器里面要留出充分的空间。这些无疑又增加了设备的体积、重量和能耗。可是，数字化并没有涉及这个领域，这的确是个盲点。 遗憾的是，这一次专业用户又落在了消费者的后面。因为，“数字放大器”这个概念以及上市的产品已经宣告向消费者音频市场进军了。而对于我国的专业音频界人士来说，却对数字放大器这个新生事物少有耳闻。我想借本文向专业音频界的同行，谈谈数字音频放大器问题。 我们知道电信号的放大器至今仍是模拟放大器占统治地位，它包括正弦波信号的线性放大器和脉冲信号的脉冲放大器。后者尽管不是线性放大器，但仍然属于模拟领域，这是电子学的基本常识。的确，可能许多人不清楚这个事实，就是无线电技术就是从脉冲技术开始的，而不是线性技术。当俄国的波波夫开始发现电极打火产生的电磁信号可以传播很远，这就是脉冲信号和无线电电子学的开端。拿现代某些人的时髦用语来说，波波夫不就成了0和1的纯“数字”技术创始人。推理下去也不就可以说无线电电子学是从数字技术开始的。定义么，本来就是人类自己想出来的。我想，如果一开始人们就称煤球为白，粉笔为黑，几千年下来大概也不会有什么异议。 在电火花形式的信号传播之后，科学家、发明家不断在技术上推进，不仅有莫尔斯电报编码的脉冲形式，而且还要有通话，甚至音乐的传播等等线性形式。人们还希望发出比自然声更大的声音，以便使更多的人能听到自己，这样才有线性放大器和调制技术的开始。不知道大家是否注意到，老式的唱机是用逐渐加大开口的金属喇叭来扩声的。那年头有唱片，但是没有放大器，没有电-机转换的扬声器。而电火花脉冲信号的大小则是靠电极两端电压的高低来决定，那时还没有放大器。 放大器仅在有源器件发明之后才出现的，首当其冲的就是电子管，后来才出现晶体管。电子管和晶体管都可以用作线性放大和非线性的脉冲放大。可以回忆一下，60年代的计算机还是用电子管构成的，一部性能远不如386的电脑，竟然要占三间大房间。电脑里使用的几乎全是脉冲技术，例如门电路、触发器、钳位器、移位寄存器等，都是逻辑电路。而逻辑电路构成现代计算机的基础，也是发展到如今普遍应用的数字技术的基础。但是从来没人把这些技术称作数字技术。 由于我们讨论的是数字音频功率放大器，而不是电脑。所以，数字音频技术的正确的定义应该是：模拟信号经过某个采样频率（例如44.1 、48、96 kHz等）的采样，然后再经过量化（16、24、32比特等等）形成由一连串两态脉冲信号所组成的数码流。这就是PCM，即脉冲编码调制技术。其电平的两态是器件的导通和截止，对于双极晶体管来说，是0.3和3.6伏左右（所谓TTL电平）。当然，不同的器件，两态的具体定义是不同的，例如在磁带、光盘、磁盘等载体上，它们的状态就只与磁化方向或有无光学反射有关。实际上，不是低电平就是0，高电平就是1。大多数是由低电平跳向高电平的脉冲沿方向称1，由高电平跳向低电平的脉冲沿方向称0等等。 今天，“数字化”已经成为时髦词，有的甚至把它搞成一种运动。不管三七二十一，扯上扯不上，都冠以“数字”二字。仔细观察现今被称作“全数字放大器”的中外产品和技术，也都含糊地把属于模拟技术领域的脉冲技术称之为“数字”技术。于是原来脉冲技术中只有PCM，即脉码调制技术才能称上数字音频的定义，扩大到属于模拟技术的PWM，即脉宽调制技术。据说理由是输出管只有0（截止）和1（导通）两态，所以就叫“数字”。人们可能不知道，当年大影碟LD上光学槽的刻录，就是应用的PWM技术，光盘表面的槽与CD表面的槽都是那样光刻出来的，光盘表面也是两态，即有反射和无反射。可是CD就是PCM数字编码方式，因此是数字信息；而LD上长短不同信息槽是PWM调制方式刻录的，那可是百分之百的模拟技术。 为了论述简单，下面提到的数字放大器、数字功放都是指数字音频放大器。现在所谓的数字放大器里仍然是DAA，而不是DDA。原因是输入的数字音频格式信号，在形成PWM调制的时候，虽然没有变成线性信号，但是已经变成了幅度不变，而是宽度变化的脉冲信号。只有这样的变换，才能将信号幅度加大到足以控制输出功率管的程度。用脉冲宽度变化来控制输出管导通时间的长短，然后用LC低通将高频脉冲成分滤掉，使得到达扬声器音圈上的电压是线性模拟信号，这样才能放出可以被人类听到的声音。可以看到，这种放大器的中间和后级都是模拟技术，只是脉冲放大而已。 当然，我也看到，有人把“D”类放大器的“D”，也称为“Digital 数字”。在我国，通常把“A”称为“甲”类，把“B”成为“乙”类，而“D”是称为“丁”类的放大器。中文字“丁”可无论如何与“数字”一词扯不上关系。过去很长时间里，人们一直致力于克服A类、B类，以及AB类放大器的线性和效率问题。的确AB类是个折衷。但是在一些效率比线性更重视的应用中，采用高效率开关方式的“D”类放大器就应运而生。但是如果用在高保真方面，线性度比AB类甚至比B类都差。甚至由于原理关系，会引进高频开关的干扰造成噪声。同时，大幅度的高频脉冲，很难做到上升和下降沿的陡度，于是使得方波变形成为三角波，结果使得输出开关功率管处于不能全通或全闭状态，这时理论上为0和1两态的波形，已经不是完全的方波，而变了形，这势必引入新的失真和降低效率。例如，在使用数字采样和量化过程中，会引进模拟信号中没有的折混失真和量化噪声。 就选管的对称性来说，原理上就决定了对输出大功率开关管的对称性要求不会比线性放大器低。而且由于不使用负反馈，对于对称性的要求比模拟的还高。有些H型桥接输出，对4只管子的一致性要求非常高。正负脉冲的顶降是否一样，取决于管子的饱和压降，模拟输出不用考虑的开关时间参数，在数字放大器中要求大大提高。而在过零方面同样存在由于空间电荷储存释放不干净等原因，而使得关闭滞后，甚至关不死。这些与使用同类管子（主要是MOSFET）线性放大器的考虑是差不多的，本来脉冲技术就是模拟技术的一部分么。 上面提到，因为输出管处于两态，就称之为“数字”了。反正“数字”二字符合潮流，迎合消费者心理，有利可图，何乐不为也。理由是否充分、是否科学，对商家来说并不重要，重要的是市场。我的观点是：严格来说，现在还不存在什么全数字放大器，只是功率型数模转换器（PDAC，Powered Digital to Analogue Converter）。当然这种称呼不易普及，也不易上口。 但是，不管数字二字的定义如何，被称“数字放大器”的放大器不仅在节约能源方面有很大优势，同时具有直接数字格式信号的输入端，以及越来越高的音频质量，这些已经成了产品进军传统模拟放大器市场的杀手锏。所以，我认为，这种放大器至少是标志着真正数字放大即将来临的前瞻性产品。因而，了解如今在所谓“数字”放大器名下的产品发展情况，对我国广播电视和电影界同仁是有很重要的意义的。为方便读者自己了解第一手资料，本文尽可能提供公司的网址，我的网址（/）也上载了一些公司很有参考价值的技术白皮书。 首先介绍的是Tripath Technology Inc.，这是一家美国那斯达克上市的公司，网址是：/。它的产品包括器件类的TA1101B立体声10W及TA2020-020立体声20W桥接放大器集成电路模块，TA0102A立体声150W、TA0103A立体声250W及TA0104A立体声500W放大器驱动器集成电路模块。后者要另接相应的功率输出管。第二是设计工具类的EB-TA1101B、EB-TA2020、EB-TA0102、EB-TA0103和EB-TA0104评估模块，SAM-TA0102屏蔽的放大器模块，以及ADP-TA0102音频开发平台。它还生产直接插入电脑插槽的TIO-TA1101B放大器卡。并且为其它消费电器、高保真音响器材和通讯器材厂家提供OEM产品，其牌子注册为Combinant Digital，意思是既有好的线性又有好的效率两者结合的数字放大模块。 该公司采用专利和注册的“T”类放大器技术和Digital Power Processing（DPP数字功率处理）技术。这个T可不是ABCD排队来的，而是该公司名字Tripath的字头。该公司在网上提供全面而详细的技术说明文件，以及产品说明及有关资料文件及照片，并且在香港已有代理公司负责中国地区的销售。该公司使用与PWM技术的D类放大电路完全不同的原理和电路构成，并且结合了模拟技术的反馈和脉冲技术的高效。网上公布全面的技术测试图表，以及与PWM D类放大器技术的比较。一般PWM技术采用固定三角波频率，大约是最高音频频带的10倍，例如200kHz到400kHz，都已经进入无线电的长波射频领域。这样会造成射频滤波不净和电磁场窜扰问题，为了解决这些问题势必提高成本。而T类放大器技术利用自适应处理等技术，在小信号和大信号幅度时，有着不同的发生器频率。小信号对失真要求更高，也就是线性度更好，由于这时发生器的频率可以达到1.5MHz以上，滤波非常方便而成本低廉。这是因为作为滤波效率的转折频率，也就是-3dB点的时间常数是LC的乘积。频率越高、时间常数越小，要求LC的乘积小，也就是L或C都可以比过滤较低频率的值要小。当然成本也就降下来了。 Tripath公司已经有500瓦甚至上千瓦的放大器评估模块供第三方生产放大器和其它音响、电视产品之用。例如，SONY、APPLE、SHARP、MARANTZ、Bel Canto Design、AudioSource等都把它用到自己的高质量音响产品中去。Apple新出的Power Mac G4电脑就是用Harman Kardon的透明的球形扬声器音箱，去年8月在北京国际广播电视器材大展上亮相，它的声音非常吸引人，而放大器就是采用Tripath芯片。Apple公司网址：/。 Bel Canto Design是一家生产高端音频器材的公司，它的产品包括高质量数模转换器、大功率单电子管A类放大器，以及“数字” 放大器。后者采用Tripath的评估模块生产出音频技术指标非常高的Evo型大功率数字放大器系列。例如Evo 200.2型数字放大器，它的THD（总谐波失真）和IMD（互调失真）非常小，都低于0.01%；而电压跟从率为6000伏/微秒；阻尼因数大于100，效率高于90%。更有意思的是它具有软削波特性，而小信号失真更小，这特征很像电子管放大器，可能与该公司生产电子管产品的历史有关。公司网址：/。 另外，马兰士（Marantz）公司将Tripath公司最新T类1比特数字放大器技术用于它的ER3000型家庭影院中去；SHARP在它的高清电视设备的音频系统中决定采用Tripath的技术和产品；AudioSouce是美国一家专门生产音响器材的公司，它在新的Seven T音频放大器系列中采用T类放大器技术（详见该公司网址：/）；SONY也把该技术用于它的DVD解决方案中，详见网址：http:/www.sony.co.jp/。SONY对视音频数字化都是处于领先地位的，例如CD、SACD和DVD等都有该公司功劳。现在连SONY都采用Tripath技术，可见这公司的技术先进和声音质量都达到一定的水平。 德国的BEHRINGER百灵达公司，是我国专业人士经常接触的专业音响器材生产商之一，它已经开发出自己的数字放大器。称为CoolAudio的超大功率（4000瓦有效值连续功率）数字放大器采用D类技术，外观很专业，这是扩声专用的设计。内部使用芯片是HCA8001，该公司还提供数字放大器驱动模块，例如220瓦/4欧的HCA125ACREF和1000瓦/4欧的HCA600ACREF等，供第三方厂家生产自己的数字放大器。网址：/。 日本的SHARP（声宝或夏普）公司也生产SM-SX100型的1比特数字功率放大器，采用的是所谓“Direct Bitstream Coupling直接比特流耦合”技术。它的输入除了4个标准数字信号外，还提供SACD和DVD-A的信号输入。产品已经上市，价格约4千美元。网址：http:/www.sharp.co.jp/（英文网址：/）。 Apogee Technology公司推出DDX技术，即Direct Digital Amplification直接数字放大技术，它号称比普通D类放大器在小功率方面有更好的效率。产品包括DDX-2000控制器和DDX-2060放大器芯片的评估模块EB-2060x价格是198美元。当然，第三方厂家只要购买其芯片就可以自行设计和生产数字放大器产品。网址为：/。 Cirrus Logic是一家半导体芯片生产商，音频工作者应该十分熟悉。它开发出所谓“纯数字”PWM技术（引号是公司自己加的，不是我加的）。该公司称它的技术在解决PWM电路的电磁场及射频干扰方面胜人一筹。产品系列从小于1瓦的单芯片、1瓦至20瓦的双芯片、10瓦到200瓦的多芯片或模块，以及高达100至2000瓦的大功率多芯片或模块。该公司的产品是以Crystal、Maverick和3Ci为注册商标上市的，其代理商遍布全球。网址为：/。 另外一家公司是Microsemi，一看这名字就令人想到半导体。它生产的是PWM技术的高效D类音频电路，称为AudioMax的LXE1710评估套件，只是功率小了点，尽管是立体声的，但每路只有15瓦。网址：/。 另外，令我吃惊的是丹麦高端音频器材生产商Bang & Olufson采用自行开发的ICEPower技术，推出了内装数字放大器的有源扬声器BeoLab1。ICE的意思是智慧、小型和效率三个英文词的字头。该技术可以提供高达1000瓦的高保真音频功率。ICE250A、ICE500A和ICE100A分别提供250、500和100瓦的输出功率，效率达92。均可驱动2至16欧姆的负载。B&O也投入数字放大器的生产，可见对此类放大器的声音质量已经很有把握。因为这家公司一向以高质量产品闻名于世。网址为：http:/www.bang-olufsen.dk/。 现在，有的公司把外形设计得非常花哨，但是指标和听音效果都令人失望。例如，我国一家公司生产的所谓数字功率放大器，竟然连关键技术指标都不发表。偶然看到该公司一篇论文，文中称：“而数字功放内阻不超过0.2欧姆（开关管内阻加滤波器内阻），相对于负载（扬声器）的阻抗4-8欧姆完全可以忽略不计”云云。并得出令人纳闷的结论：“因此不存在和扬声器的匹配问题。”我们知道，0.2欧姆的内阻对于8欧姆扬声器的阻尼因数为40，而4欧姆扬声器则为20。这么差的阻尼因数，是无法与现有普通模拟功放相比的。因此，我的意见是：要想创造出真正的数字放大器，必须彻底了解现代的模拟放大器。 另外，由于所谓数字放大器的输出管仍然是正负对称（推挽）工作的，因此输出开关管由正压全导通到关闭，然后转向负压，或由负压全导通转到正压，都有一个小小的延时，原因是空间电荷的储存效应。使用Tripath模块的Bel Canto产品公布其输出管开关时间为30纳秒（30毫微秒）。然而，有的所谓高科技公司，竟然不公布技术指标，也不敢给专家开盖检查设备加工质量，甚至只请少数特定人士来做声音质量评定，并美其名曰“耳朵收货”。对于专业人员来说，这未免太业余了。为什么不用世界标准的音频仪器AP system One 或System Two来测量一下自己开发的数字放大器呢？技术开发不靠精密可靠的数据测量靠什么？难道还要走十年前国内一些发烧音响器材厂走过的弯路吗？ 这里，我不得不提一下负反馈问题。因为有文称数字放大器不用负反馈所以没有瞬态互调失真。数字放大器要不要负反馈？如何加负反馈？这些都是对新一代高效放大器的挑战。负反馈不单是解决放大器内部问题的，而且更重要的是可以解决非纯阻负载的问题。可以说，负反馈放大器是电子学上的一次飞跃。现在，我们面对的是表现极为复杂和不可预测的扬声器机器音箱，绝对不是一只4欧姆或8欧姆的电阻。我在设计电影制片厂录音监听放大器时，就测量过扬声器的各种阻抗现象，其起伏之大，令人难以想像。加上分频器，问题就更复杂。放大器的负载除了阻抗的频率关系，还有相位的频率关系问题，还有音圈在磁场里运动产生的反电动势。解决些个问题的唯一方法就是极大地减少功放内阻，负反馈是简单易行，而且可控性强的方法。阻尼因数至少100，如果达到300就很好。 有人用“数字”二字把自己的手脚捆绑起来，人为地把数字和模拟对立起来，企图把模拟技术几十年摸索出来的经验一笔勾销。可是，在数字放大器领域技术领先的公司，却就在数字领域解决了负反馈问题。它从经过低通滤波器平滑过的模拟信号，取一部分从专门供负反馈用的模数转换口输入进行数字量化处理，然后与主通道的数字信号适量相减，达到负反馈的目的。采用这些技术的公司并不因为使用了传统的模拟技术而躲躲闪闪，反而骄傲地说，我们的产品既有数字技术的高效率，也有模拟技术的低失真。完全可以供专业单位使用。那么多进行数字放大器技术研究和生产的公司，都在自己的网站公布技术白皮书和产品资料（大多是PDF格式）。在介绍技术的同时，都公布用AP（Audio Precision音频精密）公司测量的全套曲线（目前只有这家公司才生产模拟、数字双域的音频测量仪器）。 谈到价格，一般作为PWM D类放大器成品器材在市场上出售的价格都不低。很多第三方公司采用的是上述厂家的芯片或评估模块。当然，评估模块和芯片是不带机箱的的，厂家给它们加工了贵重、漂亮的机箱和控制器，那最终产品当然要升值。因此，有的“数字”放大器刚开始上市就用价格低廉来招徕顾客，未免太短见了。数字放大器帮用户省了那么多电费，难道一次性投资还不应该高点吗？市场上的节电灯和节电灯泡价格都比普通灯贵得多，就是这个道理。 在中国大陆正式展出过的国外数字功放主要是TACT公司的产品。其实，该公司的主要产品不是放大器，而是TACT RCS 2.2型数字式房间校正系统（Digital Room Correction System），详见该公司网址：/。该公司在中国展出的Millennium型数字功放，采用的是丹麦Toccata Tech公司的EQUIBIT和EQUILOG技术和模块，后者以前在网上公布了类似设计工具类的评估模块的技术资料及价格。遗憾的是，Toccata公司已经变成TI（美国得克萨斯仪器公司）的数字扬声器部（Digital Speakers Department），连自己的网页（http:/www.toccata.dk/和/）也都取消了。 TI公司（网址：/）设立了数字扬声器部，可别以为它们在开发真正意义上的数字扬声器，而只是专供给电脑用的扬声器装放大器，有装在扬声器箱里面的，也有装在电脑面的插卡。这些所谓的“数字扬声器”，其实就是使用PWM技术的小功率应用。TI公司目前的主要目标是通讯用、控制用、家庭影院用、车载音响用和电脑用音频放大器，因为这些领域获利