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音频D/A转换与功放IC特性探讨
发布时间:2010/9/28 14:27:00 来源:
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多媒体产品(Multimedia)是指能够同时表现2种以上文字、图表、影像、声音与动画等讯息的产品,不过讯息虽多,但是结合影像与声音的影音多媒体,则一直占主流地位,因此能传达此类讯息的表现方式,如电视、电影,都被称为强势媒体。
 
 过去能播放影音多媒体的设备,体积都相当庞大。拜IT产业进步,IT与CE设备中,多媒体产品如雨后春笋,种类与数量愈来愈多,体积也有缩小化趋势,例如多媒体个人计算机、笔记型计算机、手机、游戏机、专业机(如电子字典、电子书阅读机)、MP3音乐播放机、可携式多媒体播放机(PMP)、个人数字导航设备(PND)等。
 
 由上述分类可知,IT/CE产品以影音应用产品为市场大宗,就算原非多媒体用途(如PC/NB,手机),也跨足影音领域。很明显,IT/CE产品从单纯的「计算器」走进消费性电子产品市场,进而创造广大商机,影像播放与声音聆听的多媒体需求,绝对是最重要的杀手级应用。
 
 当然,影音多媒体并不完全局限于娱乐用途,举凡商品或服务展示、简报、意见咨询、科学研究、教学训练、双向互动等各种用途,都可用多媒体实现。
 
 


 图说:原本以传输语音为主的手机,目前却被赋予丰富的娱乐用途,播放音乐亦是重点应用。图中的Nokia 6233甚至配备双扬声器,强化聆听音质。
 
 

多媒体产品影音失衡 音效功能长期被忽略
 
 影音多媒体设计上,长久以来多半是由影像功能挂帅,无论是机构设计或是市场宣传,影像的诉求远远大于声音。例如IT设备中的笔记型计算机,强调多媒体用途者,多半以大屏幕与强力显卡为诉求,音效功能则多轻描淡写。
 
 反观CE产品类,也是如此,以多媒体手机为例,虽手机以传送语音起家,但是摇身变成多媒体手机后,几乎都以强调显示功能为主,甚至将多媒体手机分为单色、CSTN、STN、TFT、AM OLED等,完全以影像为分类主导,对声音则鲜少着墨,几乎没有研究将多媒体手机音效的进步,列为分类重点。
 
 这样的发展趋势,原因之一在于人类的感官中,80%是倚赖视觉,因此在多媒体中,视觉所占的重要性也相对提高。其次根据人类听觉特性,也不是所有的声音都能感受、分辨,许多音效压缩格式多将一般人耳无法查觉变化的音频舍弃,减少音讯编码的数据量,就算解压缩后的音质与来源不尽相同,对还原后的音质体验感受差异不大,此称为感知编码 (Perceptual Coding),因为讯号源已经处理略微劣化,多媒体播放出来的声音自然无法追求质量。
 
 再者,电子环境对于音效的质量,也是相对不友善的环境,充满噪声与干扰。传统的模拟音效环境,例如音响,无论讯源、前级、后级部分,虽有电子设备与电源,但是拥有良好的屏避与阻隔,设计者较能掌握、排除其对音质的干扰。
 
 但音效设计场景换到IT/CE设备,因电路版空间有限,不可能针对单一讯号进行太多遮蔽、改善,且受限成本考虑,通常也很难利用较好的电容或电感,来减轻或阻绝交换式电源供应器天生的噪声,加上其它设备的电磁波干扰,声音表现自然大打折扣。
 
 在如此发展趋势下,影音受重视的程度逐渐失衡,此点由多媒体中数字影像规格,由高度破坏性压缩的Mpeg格式进展到Mpeg2,甚至目前的各种HD规格,画质表现愈来愈清晰、分辨率不断飙升,追求质量的趋势相当明显。但数字音效却反其道发展,破坏性压缩的mp3格式甚至AC3等盘据主流市场,音质较佳的无失真压缩反而成了小小众。消费者长期受到此趋势影响,对于多媒体中声音质量的要求,多半也以「有声音」就好的态度面对。
 
 


 图说:MP3就是音乐播放产品,音乐的播放效果即音质优劣,便成为评断MP3的最终条件。不过目前许多厂商却在外型、功能上大做文章,似乎本末倒置。
 

 影像发展红海竞争 强化音质成多媒体产品差异化活路
 
 如前述,因影像功能获得的重视远大于声音,因此多媒体产品在影像部分的竞争相当激烈,但由于零组件多半由特定供货商提供,设计人员虽然可在布线、调整上,做出修正,取得更好的影像质量,但是实质差异通常不会太大,最后产品上市后,由于与竞争产品没什么差异,往往陷入白热化的价格战。这样的红海市场,相信是许多厂商的痛,却又不得不奋力肉搏,不过音效却可能成为多媒体产品拉开差异化的救赎。
 
 例如宏碁2007年,随着Santa Rosa平台,推出的一系列笔记型计算机,舍弃传统强调性能的宣传模式,而将诉求重点放在提高声音质量,以「有杜比,最动听」的口号,成功的打动消费者,因此在笔电市场创造亮眼销售佳绩。由此例可见,高音质的数字装置,并不是没有市场,只是过去没有选择,一旦有音质较佳的产品出现,就能够迅速拉开产品差异性。
 
 不过要设计好的数字音效装置,并不是那么容易,设计者首先要能掌握数字音效原理,了解数字音效原理、编码模式、音质好坏标准,接着认知目前影响数字音效质量的关键零组件。
 
 


 图说:宏碁笔记型计算机在2007成功以较佳的音效,拉出与对手产品的竞争差距,创造销售佳绩,就是以音效为产品创造差异化、提升竞争力的实例。
 

 音效原理与压缩格式掌握 设计高质量音效装置的第一步
 
 声音是一个笼统的名词,以物理性分析,声音由4种特性组成:
 
 1、音高:震动频率(Frequency),指单独一个音在整个音域中的位置。音根据音波振动的频率在音高上有高或低等分别。
 2、响度:震动幅度(Amplitude),声音的强弱称为「响度」,通常以「分贝」(dB)来表示响度大小。
 3、音色:震动波形(Wave Form),又称音品,声音在真实世界由震动产生,而不同的物体振动的原理和情况都不同,震动波形相异,就会形成各种不同的音色,如纤细、浑厚等。
 4、方位:音源(Source)与听者的相对位置,但人的双耳除了判断声音的方位之外,也可感受声音的空间感,空间感由声音的直接音(direct sound)、早期反射(early reflection)、回响(reverberation)等3部分重现。
 
 重现声音,对于数字音效来说,却具有天生上的难度,因为数字音效常常都是压缩、编码、重制后的产物,主要原因是为了满足储存容量的需求,因此利用音讯编码(Digital Audio Coding)可实现声音数字化后档案体积小、复制不失真、容易保存及保密等优点。
 
 音讯编码其中一种方式是以无失真 (Lossless) 为原则,意指当经过压缩过的讯号,再解压缩之后,可以还原成几乎与未经压缩的讯号质量一致,这种方法对音乐质量有较好的保障,然而所付出的代价是压缩率偏低,像DVD Audio规格采用的MLP (Meridian Lossless Packing) 就是无失真压缩的一例,压缩率只有50%左右。
 
 目前主流编码格式则反其道而行,为得到较高的压缩效率,根据人类听觉特性,将一般人耳无法查觉其变化的高低频数据舍弃,减少音讯编码的数据量,与解压缩后的数据不尽相同也无妨,这一种压缩方式泛称为感知编码 (Perceptual Coding) 或是感观式编码。
 
 音讯编码有许多种,针对声音的编码有PCM、ADPCM、DM、PWM、WMA、OGG、ACC、MP3Pro以及MP3等等;针对人类语音有LPC、CELP与ACELP等。
 
 


 图说:数字音效在编码时如果采用更高的取样率、或是数据分辨率,还原后的音质就越能够接近原音。
 

 音效评估标准掌握 设计高质量播放装置基准
 
 音乐好不好听,见仁见智,但是音质好不好,却可以精确评估。一般所谓音质好,就是发声装置能够真实重现上述4种声音的物理特性。换句话说,无论以模拟或数字方式重现,都以音频信号范围越准确、失真度与干扰(例如噪讯)越少,声音越能接近来源越好。
 
 以数字音效来说,又可分为语音类与音乐类重现。语音类相对较单纯,通常以5个等级评估,一般只要与音频率达到7Hz以上,并且使用者不察觉失真,即可评估为优良。
 
 但是IT/CE多媒体设备所播放的数字音乐,原音重现就相当困难,由于数字音乐本身通常就并非由来源100%转换,因此数字音乐的取样率,分辨率,压缩格式都会影响声音质量甚巨,再者如噪讯比(SNR)、总谐波失真(THD)等因素,也都会影响数字音乐质量。
 
 而且,数字音乐的质量评估,也较语音类困难许多,因为音乐重现质量优劣取决于多种因素综合评量,如声源(声压、频率、频谱等)、讯号(失真度、响度、动态范围、噪讯比、瞬态响应、声道分离度等)、音场与方位性(直接音、前期反射声、混响声、立体感、基准振动、吸声率等)、听觉特性(可听范围、各种听感)等。
 
 


 
 由于评估的要点众多,甚至连人声与音乐评估都必须分开处理,因此评估方式也较为复杂,分主观与客观2种方式处理。主观方式评估参数为立体感、定位感、空间感、层次感、厚度感等5大方向,由于主观方式较无标准可言,因此详细评估细节在此不多赘述。
 
 客观评估方式多以仪器或是测试软件评量,通常会有下列几种标准:
 
 1、总谐波失真(THD)
 
 失真是检验数字音乐是否接近原音重现的关键,若失真度太大,则其它评估标准表现再优异也没用。总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)则是检查的第一关。主要是评估数字音效是否有非线性失真(Nonlinear Distortion)产生。
 
 非线性失真是指输入信号经过处理后,输出时所产生的错误部分,而这个错误部分则与原本的输入信号完全无关,例如不是因破坏性压缩格式所造成,是在输入信号以外的频率产生的其它类错误信号。这些属于非线性失真的频率就称为谐波(harmonics),谐波产生的位置是原始信号频率的整倍数的位置,例如,1KHz的谐波就是2kHz、3kHz、4kHz。
 
 2、互调失真(IMD)
 
 互调失真(Intermodulation Distortion)是指2个频率间,因为频率混合所产生的和、差、乘积的失真频率,例如输入频率为2KHz与6KHz的讯号后,产生8KHz、4KHz、16KHz的讯号,甚至原始输入讯号2KHz与失真的8KHz,又可能产生10KHz的讯号,这些失真的讯号亦称为谐波,以数字播放装置来说,这些互调失真的谐波当然越少越好。
 
 3、相位失真(Phase Error)
 
 相位失真则是1种线性失真,系指音源信号在传输和放大过程中发生时间延迟。因为电子音讯设备,在其输出信号与输入信号之间一般是存在相位差,例如电容和电感对交流信号(电压或电流)具延迟作用。当一个交流信号经过电容、电感和电阻时,或多或少造成延迟现象,这会导致这个交流信号的幅度变化时间向后推迟一段时间,造成声音讯号不一致,对于需要定位性的声音,如立体声,影响更大。
 
 4、频率响应(Frequency Response)
 
 频率响应是对DAC/ADC转换器频率响应能力的评价标准之1。最佳状态是在每1个频率都能输出稳定,换句话说,输出质量越好的装置,频率响应曲线就越平直,反之则不但在高或低频衰减得很快(因为高低频讯号重建困难),在一般频段,即人耳对声音的可接收范围20HZ-20KHZ内,亦可能呈现抖动的现象,无论是曲线突起(功率增益过大)或下滑(功率衰减)都是音质失真的表现。
 
 5、噪讯比(Noise Level)
 
 讯噪比是指最大不失真讯号与噪音之间的比例,噪音分为2种,首先在数字音效的转换过程中,每个相关零件都可能产生噪声,并成为处理中的数字音效的一部分,这些讯号与输入信号无关,但却会随着讯号源进入下一个处理单元或是输出成声音,换言之,就是设备自己发出的噪音。此外,当有讯号发出时所伴随的调变噪讯(Modulation Noise),也是噪音的一种。噪讯比以S/N或SNR(dB)表示。于音效播放装置来说,比值当然越大越好,例如Hi-Fi音响的SNR>70dB,CD机要求SNR>90dB。在实际设计上,因为人耳对4~8kHz的噪声最灵敏,所以这个范围的噪声对于实际聆听的影响较大。
 
 6、动态范围(Dynamic Range)
 
 动态范围表示的是最大不失真信号与噪声值的比例,此处的噪声指的是没有信号输出时的噪声值。如音频信号无失真最强部分与最微弱部分之间的电平差,这个比值为越大越好。不过动态范围跟响度有关,并不是无限制的,即从最小的响度到最大不失真响度间的范围,以CD为例,其声音采样分辨率为16bit,因此动态范围就算毫无瑕疵,也只有65,536种响度变化,不可能超过。
 
 7、立体声分离度(Stereo Channels Crosstalk)
 
 单声道基本上不可能创造出立体感的声音,只有2声道以上才能办到,就是所谓的立体声。所谓声道分离度,就是指不同声道间立体声之间的隔离程度,通常用1个声道的信号电平与串入另1声道的信号电平差来表示,换句话说,就是数字播放器左(右)声道的声音,传到相对应另一声道的情况。这个数值越大越好。一般要求Hi-Fi音响分离度>50dB。。
 
 实际上,在数字信号中,要做到100%的左右声道独立是非常简单的事情,然而实际能够听的声音,却是模拟信号,而能发出模拟信号的设备,本身就无法达到这一理想值,就是串音(Crosstalk)了,为一种讯号干扰,模拟在线相邻讯号间的耦合干扰,会影响到彼此的讯号接收。例如在左声道的信号,也能在右声道取得一点点细微的相同信号,就会造成立体声无法达到听觉上的良好分离状态。
 
 此外,还有声道平衡度,是指2个声道的增益、频响等特性的一致性。否则,将造成声道或声相偏移。
 
 


 图说:透过软硬件设备与各种客观标准,音效可以评估优劣以及加以调整。
 
 

先天不足可后天加料 音效合成亦是研发重点
 
 虽原汁原味是许多人追求音质表现极致的至高标准,但是因上述各种原因,通常无法达到,所以音乐播放过程中,数字数据的呈现结果最重要是要防止在模拟储存、和运作时所造成的音质损耗。但是如果无法避免错误时,则也可以利用后天的方式弥补、修正。
 
 例如以均衡器(Equalizer)能将不同频率范围的讯号分别滤出,然后再各别放大或缩小处理,最后再合成,藉此补偿讯号的频率衰减,使音质回复至接近原音,或者也能补偿输入的不足,即针对一个音程里的倍频点,可以去补偿与衰减,在聆听上,马上可以得到实时的修正,使音质达到接近理想状态。由于人类的听觉系统在低频及高频的接收上感受度较差,透过均衡器强化或补足声音的功能,能弥补人们在听觉上的盲点。
 
 如将频率为100Hz的组成泛音放大,就会让声音中100Hz左右的低频部分听起来更震撼一些,若觉得声音的低频部分不够明显,也可以用均衡器加以补足。像目前MP3播放器几乎都有Equalizer的功能,使用者可选定或自定不同的播放音场(抒情、爵士、摇滚、流行音乐等),充份表现出音乐的个性化。
 
 


 图说:均衡器目前已经以数字方式,内建在大部分的播放装置中,弥补声音表现的不足或展现个性化音乐风格。

 

 

   IT/CE类的音效播放设备提升音质的方式很多,不过从关键零组件下手,通常能展现立竿见影的效果,对于开发上的难度来说,也相对较低,当然声音表现在「一分钱,一分货」的情况下虽然提高了,但是也让开发案的成本,可能因此居高不下,但参考前篇的例证,提高音质能够拉开与竞争产品的差距,应值得开发者投资。
 
 音质提高的关键零组件在于DSP、Codec、DAC、与放大IC,一个个都成为今日数字音乐播放装置音质展现的瓶颈,以下将分别探讨。除零组件外,实际电路设计、EMI与差动信号,连电源供应都会影响音质,如果采用高质量零组件,却败在这几个可能被研发人员忽略的细节,相信也会令开发者遗憾。
 
 数字音效音讯处理关键 DSP胜过纯软件译码模式
 
 数字音效如前所述,几乎都是压缩格式,处理第一步,就是将压缩格式经译码还原,在PC类的音效装置上,这个步骤由于有强力CPU代劳,所以几乎可以将此必经过程忽略不计,但是其它CE等级的音效播放装置,特别是最热门的手持类装置,由于功耗与散热限制较多,无法使用效能较高的CPU,故译码就成为音质提升的第一个关键。
 
 许多兼具影音功能的多媒体装置,多半采用多媒体处理器进行译码,此种处理器包括TI的OMAP、Freesale的i.MX系列、ST的Nomadik、Renesas的SH-Mobile、NXP的Nexperia、ADI的Blackfin,以及Marvell的Xscale等。
 
 不过采用处理器译码的方式,基本上可归类为没有硬件加速的纯软件译码,译码效率并不高,许多研发人员认为这部分对于音质没有影响,实际上的译码速度、精确度以及噪讯比等性能,通常较硬件译码表现略微逊色,因此终端输出音质也不用抱太多期待。此外,由于软件译码,也不容易加入音效的后制处理,因此无法表现出音场,或者是不同音乐频谱的动态调整等进阶音乐表现能力。
 
 因此,提升音质的第一步,音讯译码应该用硬件处理为佳,在设计中加入采用纯为音效译码设计的DSP,让译码精确度以及噪讯比等关键性能都有所提升,音质自然会更好。甚至有的DSP还通过高音质认证,如德州仪器(Texas Instruments,TI)推出的DA7xx系列,可同时执行DTS-HD Master Audio串流解碼、8声道192kHz原声音讯及所有后段处理。
 
 


 图说:专业DSP需要为其开发最佳化软件,音效DSP亦然,其算法考验设计者功力。
 
 

Codec位居音效装置数字模拟转换要津 亦是音质掌握关键
 
 音效装置输入或输出的是模拟讯号,人耳才能听到,但是中间所处理的全是数字讯号,两者间的转换,也是影响音质的重点,把数字音效数据转换为可输出的模拟讯号阶段,因成本与布线等因素考虑,大多由音效Codec芯片所负责。
 
 大部分的Codec芯片,同时具有D/A(数字讯号转换成模拟讯号)和A/D(模拟讯号转换成数字讯号)转换功能。音效输出时利用的是D/A转换功能。以接收到来源数字讯号相同情况下,D/A性能好坏直接决定音效装置的输出音质,所以包着D/A的Codec芯片,其处理能力和讯噪比,对最终的声音输出质量有很大的影响。
 
 Codec的性能好坏,可由性能规格进行分析,例如支持可处理的数据位、取样频率、噪讯比、动态范围与各项失真值等,有些codec已支持HD格式,在数据呈现上比较漂亮,但真实音质未必比较好。决定Codec音质关键简述如下:
 
 1、DAC讯噪比:DAC是Codec中真正负责转换工作的单元,其讯噪比高低,将直接关系到最终音效声波输出的讯噪比,因此其性能为Codec的核心参数。大部分Codec芯片此项数值约在95db,但实际上,最后是否是能够达到供货商标示的数值,还是会受到很多其它因素影响。
 
 2、Mixer讯噪比:Codec中有Mixer,也就是混音器,负责对声音的迭加与混合处理,即可将2个或多个输入音效流结合为1个输出流,并可选择各个输入流的增益,所以Mixer噪讯比也是Codec影响音质的因素,一般此项性能参数与DAC噪讯比约略相同或相近,差距在-1db左右。
 
 3、DAC通道数目:许多音效装置已开始支持多声道,Codec芯片支持多信道能力,也是靠多信道DAC,其性能也会影响多声道时音质的表现。目前较新的Codec芯片大多已可以支持8通道的DAC转换。
 
 4、PCM格式转换时所支持的最高取样分辨率、和取样频率:以音质的角度分析,取样分辨率越高,对声音数据的处理能力就越强;取样频率值越大声音讯号的分辨率就越高,声音转换中的失真就越小。Codec芯片一般可以最高支持192KHz取样频率以及24Bit立体声A/D转换和24Bit立体声D/A转换。
 
 5、A/D和D/A的频率响应范围:频响范围也是音质中重要的指标,不过由于人耳的限制,只能听到20Hz~20KHz的频响范围,因此超过此频率的声音就算处理得再好,使用者也听不到,因此目前绝大多数的DAC频响范围,都在20Hz~20KHz之内。
 
 


 
 嫌包山包海Codec音质不好 采用直接DAC音质更上层楼
 如前所述,DAC目前大多已经包在Codec内,不过以音质的角度观察,Codec号称样样通,可能就表示每样表现都很平庸,例如在音频信号处理上,Codec的精准度就不如独立的DAC。
 
 再者,Codec的Jitter控制力也不如独立的DAC,Jitter指时基误差,会造成音质劣化,成因并非震动幅度等数据本身的错误,而是时间部分出错了,造成声音的波形扭曲,很明显的,这对音质高规格要求来说,绝对是一大杀手。
 
 除了处理能力比较差外,目前主流多通道Codec在设计上很难避免多通道间的干扰,音质表现会比2声道Codec差一些,因此讲求多声道支持,又兼顾音质的设计,会改用多颗双通道DAC的方式解决需求。
 
 虽然采用DAC的方式比Codec成本高,但是音质比较好,目前讲求音质的装置,越来越多采用专业DAC,如iPod、iRiver、Zune等。
 
 专业的高音质DAC厂商不多,较著名的有欧胜微电子(Wolfson)、德州仪器、恩智浦半导体(NXP Semiconductors)、Cirrus Logic等。
 
 DAC音质判断的标准与要点,与前述的Codec差别不大,不过以规格来说,DAC的效能都略胜一筹,因此通常判断的标准会更为严格,除了原本就被考虑的分辨率、取样率,噪讯比、总谐波失真这几项因素外,通常还会把有效位数(Estimated Number Of Bits,ENOB)、噪讯加失真比(SIgnal-to-Noise And Distortion,SINAD)、无杂散动态范畴(Spurious Free Dynamic Range,SFDR)、
 差分性失真(Differential Non-Linearity,DNL)、积分性失真(Integral Non-Linearity,INL)等参数列入评比。
 
 DAC的硬件规格通常也比较好。以Wolfson的WM8978为例,噪讯比达98db,具有改良的HI-FI级数位信号处理核心,支持增强型3D硬件环绕音效,以及5频段的硬件均衡器,以改善音质;并有一个可程序化的陷波滤波器,用以去除音效装置因为显示屏幕开关或切换时产生的干扰噪音。
 
 除了DAC,许多播放音效的装置,如果拥有录音功能,那ADC的质量也相当重要,判断标准与DAC相同。
 
 


 
 放大IC攸关音质与功耗 D类放大成首选
 
 前述探讨的几个零件,都在于讯号转换的部分,不过当数字音讯数据处理完毕,成为模拟的声音讯号后,必须加以放大输出,因此放大IC也是攸关音质高低的重要环节。
 
 不过放大技术与音质的关连性,却不能完全以音质的角度出发,以传统的Class A/AB放大技术来看,A类放大的音质最好,其原理是纯粹的以模拟讯号进行线性放大,音质没有失真。
 
 不过,A类放大虽具有最佳的信号传真性,但却相当耗电,一般来说,电能利用率只有20%~30%,例如供应100W电力给A类放大装置,最后真正输出到喇叭发声功率的只有25W左右,其余的75W通通损耗掉,除了电力效率不佳,高耗能也代表会产生高废热,常需要在放大晶体管上配装大型的散热片辅助散热。对手持式装置来说,高功耗与高热都是设计上的原罪,开发者避之唯恐不及。
 
 另一种B类放大设计,虽省电性较佳,但信号失真影响音质甚巨,因此衍生兼具两者优点的AB类放大,在音质与省电性取得较能接受的均衡点,过去成为消费性音响领域最受欢迎的放大方式。
 
 但目前在数字播放装置,越来越讲求整体电路配置空间缩小、并且降低功耗让产品更省电,以维持电池续航力等种种发展趋势下,于1958年就提出的D类放大(Class D Audio Power Amplifier),目前成为当红炸子鸡。
 
 D类放大利用的原理为PWM(Pulse Width Modulation),作用方式类似于主机板上交换式电源概念,即利用数字频率波型的疏密来输出模拟振幅的高低大小,频率密则振幅高,反之频率疏时则振幅降低。也因此运作模式,D类放大亦被称为为数字式功率放大或数字功放。
 
 D类放大省略了传统AB类晶体放大,在作成大功率机型时所需的大型变压器、超大滤波电容,可改以小电容与类似交换式电源供应模式(Switching Power)的小型变压器取代,使得电能可以快速直接地驱动喇叭单体。此运作模式提供了极高的电能利用率,纯理论上是100%运用,实务上电能利用率也经常在80%、90%水平。
 
 由上述驱动模式即可发现,D类放大电路当然在工作时不易产生高热,所以可以免掉占空间的散热片,此外,由于采用PWM模式,D类放大电路所需的体积,会比传统的功率放大电路小了许多,成本也较低,加上低耗热优点,D类放大电路非常适合塞在小小空间里。
 
 不过以音质的角度检视,D类放大的缺点是以调变程序所形成的放大,其结果必然与原始信号有些出入,但在一般消费性产品的音乐播放上,其质量可被接受,甚至在目前的技术下,D类放大的音质越来越好,特别是在低瓦数的状况下。
 
 例如,以采用D类放大器IRS2092S D的IRAUDAMP5设计方案,与同等级AB类放大输入比较,在1kHZ、接4Ω负载时,80W以下区域,D类放大的THD+N实际上是低于AB类放大器,而在60W附近,D类放大的THD+N更是进步到了0.005%的水平。
 
 只有在80W到140W区域,AB类放大的性能才稍高过D类放大,不过即使到了120W,D类放大的THD仍不超过1%。对于大部分数字音效装置来说,很少用到高功率,低功率的情况比较常见,此时D类放大的反而占有音质优势。
 
 D类放大的优劣评估,在于供电抑制率(Power Supply Rejection Rate;PSRR)以dB为单位,PSRR必须尽可能高。对于音质方面,则为总谐波失真加噪讯比(TDH+N)要求,此点以百分比(%)为单位,,THD+N则是尽量低,一般不超过10%,高标要求上还要低于0.1%、0.01%。不过THD+N建议与负载阻抗Rl、输出功率(Output Power)、PWM的调变频率(f)等做比较,才能准确判断。
 
 此外,D类放大有独特的电子特性,因此在音质评估时,必须注意EMI电磁干扰问题。因D类放大IC会持续、频繁地进行晶体管的导通、关闭作业,所以很容易产生电磁干扰,对于音质当然有不利影响。因此越能降低降低电磁干扰的发散度的产品当然越好,不过此点在空间与成本许可的情况下,可用金属外覆来屏蔽。
 
 此外,许多D类放大IC在省电性、控制性、体积缩小、弹性、保护能力上都有所著墨,形成各家的特色,大部分与音质没有太大关系,不过有些设计如果太过头,对于音质就会有影响。
 
 例如一些D类放大IC减少后段的LC低通滤波电路质量,如使用更小的电容,或根本省去电容(Cap-Free),甚至有些设计连外接电感都一并省去(LC-Free、Filter-Free),直接将扬声器的音圈之漏电感来充当LC用,当然,此种D类放大IC能够达到相当小的体积,因其输出接脚可与喇叭、耳机直接相连。
 
 虽此种设计方式可将体积缩至极小,但高频部分未经过滤就直接输出,喇叭不易将20kHz以上的频率发声,即便发出人耳也听不到20kHz以上的频率,但如果省过头,也可能对可听范围内的音质产生负面影响。D类放大IC的提供商有ADI、Cirrus Logic、MAXIM、Motorola、NS、Philips、Sanyo、ST、TI、TriPath等。
 
 


 图说:D类放大原理与AB类放大比较。
 
 

零件优秀一时之选 整合电路也需配合才能发挥最高音质
 
 由于目前的数字音效播放装置,大多在内部整合各种电路,以及相关的数字IC,为达产品体积的集缩需求,各项组件间靠的非常紧密,组件间将无法保持足够的距离隔开对音效处理组件的干扰,因此音乐透过模拟电路输出时,几乎都可以听到程度不等的电子噪音夹杂其中。
 
 针对此问题,在产品设计时就应该在印刷电路板规划中,尽量将模拟电路和数字电路隔离,并确保模拟讯号布线远离数字或功率开关布线。
 
 此外,EMI干扰也是音质杀手,开发者当然有许多传统方式针对EMI做减低或隔离,但是最有效的方式为差动信号,即利用2个完全相同,但具有不同极性的讯号,取代单端电路。
 
 例如在一个对称布局中,2个路径相邻运作,一旦发生EMI干扰,则相同的EMI突波会被导入这2个信号中,但是,因为2个信号的接收侧不同,所以EMI会被抵销,换言之,共模抑制比(common-mode rejection ratio,CMRR)越高,则抑制EMI的效果就越好。此外,两个镜像也能够增大讯号,使任何残余的噪声都会较不明显。
 
 再者,电源供应是数字装置一定具备的组件,但也提供了噪声干扰音质的管道。对于线性电源供应产生的低频电源线涟波,以及交换式电源供应器产生的高频交换式噪声,因此在设计上应该避免共享电源回路,此外,也可以藉由适当的稳压器与高质量电容器,加以过滤、抑制、消除,例如将低ESR电容放在音效IC的电源接脚附近,这可减轻交流噪声影响,并且可以降低电源突波发生,
 
 音质提高,除了本篇提到的关键零组件(主动组件)外,被动组件(电阻、电容)的用料也相当重要,除影响前述的电源滤波质量,在音效处理路径中的交连电容、回授电容以及电组,都会因为其自身的电子特性,影响输出的模拟讯号质量,这部分的设计调整,对于最后音质的细节影响也颇大,不过这是在主动组件已经相差无几的情况下,才能比较出差异。

 
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