市场研究机构Forward Concepts指出,D类音频放大器芯片在过去一年中的总销量接近8,000万美元,并且正以每年平均60%的速度增长,预计在2008年将接近9亿美元。音频系统级芯片(SoC)的应用进一步增强了这种趋势。

音频放大器应用极其广泛,各种具有音频输出的电子产品都离不开它。目前,约有95%的放大器是基于已经存在10年以上的传统陈旧的模拟技术,存在着能耗高、效率低、芯片温度高的致命弱点。目前,使耗电量很高的家庭影院及多声道环绕声效系统降低散热量的要求越来越迫切,同时CD、DVD、MP3播放器等数字音源的兴起加速了消费型电子产品制造商转向能效更高的D类音频放大器(Class D Audio Amplifier)的趋势。具体地说,Class D放大器具有价格更低、器件体积更小,在芯片中占用空间面积更小、能效更高(这一点对电池供电的设备尤为重要)的优势,利用Class D放大器可以设计出更小更薄的电子产品,因此在业界得到普遍认可。

重新思考D类音频放大器设计

D类音频放大器凭借其高效率、低功耗的特点,在各种以电池供电的便携式产品中的应用已经相当普及,例如在手机、PDA、MP3 Player等应用中,以D类取代A/B类放大器的态势便已相当明显。然而,目前的Class D放大器是由模拟放大器设计者开发出来的,实际上只是将模拟电路换成数字电路;几乎没有工程师考虑过:开关放大器与模拟放大器的工作情况是否相同?
传统的Class D放大器设计强调错误纠正。如果从这一点出发,工程师的方案将按照既定的路线。因此,纠错电路变得极其复杂,包括DSP、搜寻列表、反馈环(Feedback Loops)等。如今,这样繁复的过程即将得到解套。在将声音数字化的过程中,输入的数字音源往往具有极高的分辨率,一般都是16位或更高质量数字化音频信息;若仅使用1位的错误发生/纠正法则,依赖反馈环加以调制,必然会把偏差错误引入系统之中。
反馈环本身并没有什么问题,问题的关键在于调制器—特别是Delta-Sigma调制器,这是一种在发生错误时进行纠正的闭环系统。总部设于美国麻省波士顿,在音频领域拥有20多项专利的无晶圆半导体公司—JAM Technologies,通过其卓越的模拟音质,以更简易的安装和较低的价格重新定义了Class D放大器。着眼于市值近23亿美元的专用混合信号市场,瞄准数字音源和数字放大器正被广泛应用的最佳抢进时机,JAM工程师的出发点是:这些设计错误是怎样产生的,能够被消除吗?JAM认为,如果能够消除错误的来源,就不必再使用专门的电路来更正这些错误。
此外,带有反馈环的放大器通常还具有一个模拟输入。这也引发另一个问题:这是一个真正的数字放大器吗?为此,JAM以创新的开放环架构优化音频处理器增强效果;基于JAM自行开发的E-Bridge技术、一套名为True Fidelity的全新数字音频放大器,是一种全新的数字输入Class D “开放环”放大器,能以Class D放大器的效率实现模拟放大器的音质。JAM的E-Bridge技术可适用于所有的音频设备,还可用于电机控制系统、调制解调器、电信、通信设备等任何与电源连接、具有高解析率数字信号控制的设备。True Fidelity放大器融合了多种关键的技术创新,其中包括:
已获得专利的同步双调制(Synchronous Bi-modulation)技术,驱动多水平输出级而不产生其它调节策略引发的错误。这项技术与以往基于Delta-Sigma调制器的Class D设计的不同之处在于,它不在需要反馈环以及错误补偿电路。
已获得专利的E-Bridge输出级,提供比广泛用于所有其它Class D设备的传统H-Bridge输出级更高的分辨率。这是全球首例真正的16bit分辨率数字放大器,可真实重现最先进的数字音频录音。
融入电源调节技术(Assimilated power regulation technique)使得OEM能够使用不经调节的电源,从而减少大容量电容器。

少一层转换,多一分逼真

由于市场上大多数所谓的“数字”放大器都需要模拟输入,它们采用来自DSP、CD、DVD或者HDTV接受器的高分辨率的数字信号,然后将信号转化成模拟信号。额外的电路设备常使得系统成本飙升,且占用大量板上空间(board real estate),而且降低了原始信号的质量(如图1所示)。而放大器开放环结构一般具有较好的瞬态效应(对音效极为重要),是较为简单的系统,因此成本较低。较低成本是很重要的因素,尤其在当今利润极低的电子产品市场。JAM已开发出没有反馈环的设计结构,这个设计的重要性在哪里?从表面来看,这些放大器没有什么问题,但其糟糕的音质却使工程师们大为失望。于是,他们从基本的开关放大器原理出发以考察问题发生的原因,最终认识到潜在的问题来自输出级本身——就是那个陈旧的H-Bridge架构。一旦他们理解了问题来自于时序分辨率,E-Bridge的方案便显而易见了。E-Bridge架构可被简单地描述为2个输出级共享一个器件(如图2所示)。通过将输入的数字数据流分为2个相关的低分辨率数据流,然后在新的输出级架构分别放大,然后使数据流能够在扬声器被汇总,100%重现原始分辨率。

目前常见的Class D的音质情况的确不能令人满意。但是,JAM放大器真正的输出分辨率至少达到16位以上,因此所有记录在CD上的全部细节都能够被听到。同时,这种分辨率还允许听众充分欣赏Dolby环绕音质、SRS WOW以及THX,其效果与当今流行的高质量音频来源一样。这就是JAM所提出的口号:“倾听被遗失的声音” (Hear what you’ve been missed)。
是什么因素促使JAM的创立者成立这家从事数字放大器的公司?JAM Technologies首席执行官Michael Holt一言以蔽之:源于音乐及其带来的机遇。他表示,目前几乎所有的音频产品,尤其是音乐产品,都是通过数字技术来录制、存储、传输和处理。音频复制的全过程中惟一一个仍然采用模拟技术的部分就是放大器。JAM的创立者认为,仅仅因为放大器采用的是模拟技术,就将一个高分辨率的数字音频流转化成模拟形式,这样的方案本身是矛盾的,并且不利于进一步提高音质。他们还意识到,真正的数字放大器的开发存在着巨大市场商机。故而利用他们在音乐和电子设计方面的广泛知识来解决存在的问题,并开发出一个针对端对端数字音频的真正的数字输入Class D放大器解决方案。

图1:传统Class D放大器


图2:JAM True Fidelity全数字Class D


瞄准A/V市场

随着A/V行业向完全数字化输入/输出格式发展,一套高效的音频解决方案对于急需加快上市速度和降低边际成本的制造商具有极大的吸引力。理论上,工作原理近似于交换式电源的D类音频放大器,其工作效率可以达到100%,即使实际的情况可能因为开关上的导通电阻而略打折扣,但缘于技术本质上的差异,使得D类音频放大器的工作效率再怎么差强人意,也比传统的线性放大器来得高出数倍。
高工作效率除了能省下更多电力之外,低芯片温度也让系统设计制造商不必在芯片上增加笨重的散热片,这对于目前流行的平面显示器应用而言非常关键。A/B类放大器所使用的散热片高度,几乎就等于整台平面显示器的厚度,除非系统制造商愿意牺牲产品的厚度来换取较多的空间,否则D类音频放大器将是惟一的选择。所有目前有能力提供D类音频放大器的半导体供应商,几乎都看好这个领域,也积极在各主要平面显示器制造地区布署重兵。


JAM的首个目标市场即锁定在数字电视制造业。Michael Holt阐述说,长期以来,消费者总是对于新型平面电视机那糟糕的音频效果表示不满,电视机制造商们也在寻求更佳的解决方案。JAM的设计很快得到一些亚洲最大的OEM厂商的设计订单,这表明它对首个目标市场的定位和选择的正确性。JAM面向中等电力消耗的电子产品,所推出的的第一款芯片──Mozart家族的7W～20W数字输入音频放大器,即是专门为数字电视市场设计的。JAM的工程团队正致力于后续芯片的研究,手机则是JAM下一个目标市场。
接听电话是手机的基本功能,而且制造商正在将越来越多的听觉功能整合到手机中。这些手机在降低电能消耗和器件发热量等方面的要求越来越迫切。在使用过程中听筒不能发热,而且必须节省电池电力。数字音频放大器芯片将是满足此需求的最佳选择。MP3播放器和录音重放等新功能很快将使音质更好的音频系统成为必不可少的配置。Michael Holt认为JAM具有相应的技术和产品线来把握这个机会。

以更低的系统成本提升输出音质

高频噪音、不良的瞬态响应、严重的交越失真和糟糕的阻尼因素(指高频混响声衰减的总量,它对表现音源的声场特性起了主导的作用,调节阻尼因素可使声场重放的深度感得到改变),都是造成音质损害的元凶。对于JAM创新技术的问世将为市场掀起怎样的涟漪?Michael Holt打个有趣的比喻说: “这就像舍弃蜡烛而选择电灯泡一样——使用者必须丢弃所有正在使用的旧东西。”

JAM到目前为止最大的成功在于开发了Class D放大器芯片,将其投放了市场,并取得了设计采纳(design win)。使用独创并获得专利的交换系统(Switching System),JAM以明显低于其它解决方案的价格、更小的体积和更低的发热量实现了可与传统模拟放大器相媲美的音质。此外,与其它的Class D放大器竞争者相比,JAM的True Fidelity放大器更容易被整合到各类电子产品的设计之中,从而减少了产品造价。
最后,由于在音频子系统BoM中True Fidelity具有更简单的设计结构,所要求的外部配件更少;简单的芯片设计使得系统整合变得十分简单,并且减少了物料清单(BOM) 成本。与目前市场中成本最低的厂商相比,JAM仍然具有30%的价格优势。具备了这些压倒性优势,JAM正蓄势待发,希望在Class D放大器行业获取巨大市场份额,从而使True Fidelity成为消费类电子产品数字放大器芯片开发行业广泛采用的标准。