如果你正在設計音頻系統的模擬部分，那么這有助于了解兩件事：聽(tīng)眾期望什么，以及你如何來(lái)客觀(guān)地證明你實(shí)現了這些期望。但是，將工程測量與聽(tīng)覺(jué)這種主觀(guān)的聽(tīng)覺(jué)感受相關(guān)聯(lián)是非常困難的。在今年6月，我開(kāi)始明確了解到聽(tīng)覺(jué)并非是線(xiàn)性連續的。
美國國家半導體公司想要向我展示一些產(chǎn)品，這些產(chǎn)品已經(jīng)為那些要求音頻系統絕對完美的消費者進(jìn)行了優(yōu)化，他們是硬核、雙揚聲器的高保真音響愛(ài)好者。這些產(chǎn)品包括一系列具有極低失真的高壓運算放大器以及音頻功率放大器的驅動(dòng)器。二者都旨在取代高端高保真前置放大器以及放大器中的大量分立元件。設計高端音頻系統的工程師仍堅持采用分立器件，而國家半導體公司已開(kāi)始轉變他們的思路。
國家半導體公司成立了一個(gè)聽(tīng)覺(jué)上理想的音響室，其具備一副Wilson Audio公司的專(zhuān)業(yè)Watt-Puppy揚聲器以及在新芯片周?chē)鷺嫿藚⒖荚O計模擬音頻鏈。它還有其自己的CD來(lái)展示忠實(shí)信徒所尊崇的特色，但我也應邀提供了自己的光碟。于是，我從汽車(chē)遮陽(yáng)板的架子上取了一片貝多芬鋼琴奏鳴曲的光碟。三角鋼琴是一種微妙的樂(lè )器，而貝多芬鋼琴奏鳴曲不可能進(jìn)行很多的后處理“增強”。
我的期望很低，因為我的聽(tīng)力一直在隨年齡、汽車(chē)、飛機、摩托車(chē)而減弱。明知如此，我走進(jìn)聽(tīng)音間，其價(jià)值2.6萬(wàn)美元的揚聲器連接到國家半導體公司定制的電子設備上，這對我50美元的耳朵而言簡(jiǎn)直是矯枉過(guò)正了。也就是說(shuō)，我認為對我個(gè)人使用而言，50美元是花在耳機或揚聲器上的全部費用。而結果呢？我被所聽(tīng)到的一切嚇了一跳。
對于國家半導體公司的演示錄音，我能分辨出那個(gè)高音最長(cháng)。我還可以聽(tīng)到歌手嘴唇發(fā)出的聲音，這是當你分開(kāi)嘴唇而又有些唾液在它們上面時(shí)發(fā)出的聲音。在我的貝多芬CD上，我能聽(tīng)到踏板的動(dòng)作并非是機械作用，而作為藝術(shù)家腳下的踩踏有著(zhù)不同的聲調——這剛好踩在拍子上。
我感到困惑。我所知道的有關(guān)“金耳朵”最多的事，是一個(gè)人可以不帶耳機聽(tīng)到這些聲音。我又是如何可以從聽(tīng)了幾百次的錄音中聽(tīng)得到這么多新的聲音呢？我向國家半導體公司資深音頻應用工程師以及該聽(tīng)音室的創(chuàng )建人Mark Brasfield提出了這一問(wèn)題(圖1)。
有趣的是，Brasfield承認說(shuō)，他也有聽(tīng)力損失。但他說(shuō)，根據產(chǎn)業(yè)研究顯示，到了某一程度，聽(tīng)力敏銳程度下降的人，實(shí)際上能比具有完美聽(tīng)力的人聽(tīng)到更多的高端音頻。
專(zhuān)業(yè)測試
我向測試設備生產(chǎn)商Audio Precision公司創(chuàng )建人兼總裁Bruce Hofer表示，希望了解哪種測試可以用于對比音頻系統(參見(jiàn)www.electronicdesign.com上的 “The Challenges Of Audio Testing”一文)。Audio Precision公司大概是最受矚目的純音頻測試設備生產(chǎn)商(圖2)。但如果我希望進(jìn)行明確的度量，Hofer的話(huà)令我感到氣餒。
“經(jīng)過(guò)三十年的時(shí)間到現在，人們認識到對耳朵和大腦系統并不了解，”Hofer說(shuō)。“在A(yíng)udio Precision公司，我們對音頻設備都作客觀(guān)度量。但世界也就是有關(guān)知覺(jué)和度量，其中，就其本質(zhì)而言，是不會(huì )完全跟蹤你真正試圖測定的事物。”
Hofer表示，Audio Precision公司沒(méi)有音頻失真分析，也就是說(shuō)目前僅僅是“大/好/壞”。他的測試設備只簡(jiǎn)單提供數量和性能的測量，通常沿不同的軸進(jìn)行削減，例如頻率響應、失真因子或噪音等。Hofer說(shuō)，盡管這些指標全部有效，但耳朵的行為則比這更為微妙得多。
許多公司和研究人員在其評測中采用人體，而不是高精密測試設備。Hofer說(shuō)，最好的例子包括Fraunhofer和杜比(Dolby)公司，他們采用人體來(lái)收聽(tīng)真實(shí)的錄音以測量有損壓縮算法對真實(shí)性能的捕獲效果如何(參見(jiàn)“Testing For Audio Transparency”一文)。
Hofer解釋說(shuō)，Audio Precision公司的分析師所做的分析測量是要通過(guò)描述高度數學(xué)定義的信號來(lái)避免主觀(guān)測量的失敗。描述與原始數學(xué)定義信號有關(guān)的失真、交流噪聲、噪聲的影響是一個(gè)直截了當的過(guò)程。
“但即使這樣，如果你以數字化對廣泛的多頻音輸入進(jìn)行錄音，測量將顯示出某些音調會(huì )完全丟失，而不是減弱，”Hofer說(shuō)。“有損壓縮算法要在信號的某些部分不浪費任何數據位，這是因為這些部分不滿(mǎn)足可聽(tīng)性的閾值”。
如果對算法進(jìn)行真正優(yōu)化，即使采用模擬測試設備，人的耳朵和大腦也不會(huì )注意到丟失的信息。
其它觀(guān)點(diǎn)
因此，如果設計師不能明確與主觀(guān)經(jīng)驗有關(guān)的客觀(guān)測量，那該怎么辦？很顯然，大多數公司關(guān)注功率效率與集成度水平。
我曾與一些國半的競爭對手就模擬音頻芯片市場(chǎng)進(jìn)行過(guò)對話(huà)，而他們中沒(méi)有人追求極端的高保真音響市場(chǎng)。相反，他們重點(diǎn)關(guān)注手機、個(gè)人媒體播放器以及家庭影院。大部分公司認為，聽(tīng)力感受最直接的比較是不可能的。
他們說(shuō)，談到面向耳塞/耳機的設備，例如MP3和AAC播放器，這種對比尤其是不可能的。這部分是因為接到或在耳朵內的實(shí)際聲能轉換器的貢獻，這是明顯比信號鏈上任何電子元件要高得多。
這也是不可能的，一部分是因為經(jīng)過(guò)處理的數字信號以各種方式欺騙耳朵。舉例來(lái)說(shuō)，數字處理試圖使你覺(jué)得你所聽(tīng)到的聲源就在你面前的某處，而不是在你頭的中間，而這正是你所聽(tīng)到的一個(gè)純立體聲信號。其實(shí)，在相當程度上，Fraunhofer和杜比算法可以模擬一套像樣的耳機或高端耳塞所具備的完整環(huán)繞聲。
考慮到這一點(diǎn)，其它芯片公司已有最新的模擬音頻產(chǎn)品發(fā)布。(包括將D類(lèi)放大器作為“模擬”類(lèi)別的一部分)。
德州儀器已推出許多新型芯片，其中有不少D類(lèi)功率放大器。舉例來(lái)說(shuō)，TI目前交付的其DRV600立體聲600Ω線(xiàn)路驅動(dòng)器，其在輸入和輸出無(wú)需耦合電容。
對于驅動(dòng)揚聲器而言，并非是600ω線(xiàn)路，TI的TAS5162立體聲數字放大器功率級可驅動(dòng)6Ω橋接負載(BTL)每信道高達210W僅具有10％的總諧波失真。其效率大于90％。對最大動(dòng)態(tài)范圍而言，它可以分別工作在12V和50V電源下。對低輸出水平的要求，TI的TAS5176可以在每信道15W下驅動(dòng)六個(gè)信道或在每信道30W下驅動(dòng)三個(gè)信道。兩種芯片只需要簡(jiǎn)單的LC輸出濾波器來(lái)消除D級脈沖調制信號。
TI的TAS5414和TAS5424四信道數字音頻放大器定位于汽車(chē)頭燈及外部放大器模塊的使用。這兩款放大器在不到1%的THD+N下提供了四個(gè)連續4Ω的23W信道或在30W下2Ω的揚聲器。其區別在于TAS5414具有單端輸入，而TAS5424是差分輸入。
為進(jìn)一步加強信號鏈，集成至為關(guān)鍵。TI用于數碼相機的TLV320AIC3101是一款具有立體聲耳機放大器的低功耗立體聲音頻編解碼器、數控立體聲麥克風(fēng)前置放大器，以及自動(dòng)增益控制放大器(AGC)，其在多模擬輸入之間具有混合/多工功能。
該芯片的可編程濾波器可以消除變焦馬達噪音。重放通路包括來(lái)自立體聲數字-模擬轉換器(DAC)和選定輸入的混合/多工功能，通過(guò)可編程音量控制到不同輸出。
亞德諾半導體公司(ADI)也一直從事D類(lèi)放大器的開(kāi)發(fā)。ADAU1590和ADAU1592是具有sigma-delta調制器來(lái)驅動(dòng)脈沖調制的雙通道BTL功率放大器。這使得微控制器與控制復位、靜音、可編程增益放大器(PGA)增益以及故障報告輸出信號進(jìn)行接口。對于采用單獨的調制器，ADAU1513是基本的雙通道功率級。
美信(Maxim)集成產(chǎn)品公司提供了揚聲器驅動(dòng)器入口，但其并非D類(lèi)器件。相反，美信公司公布了兩款G類(lèi)揚聲器放大器MAX9730和MAX9788。前者是通用的；而后者是對驅動(dòng)陶瓷揚聲器進(jìn)行了優(yōu)化的。
G類(lèi)放大器有一個(gè)類(lèi)似A-B類(lèi)的推拉級，但其增加了第二個(gè)更高電壓的電源，該電源只有在信號峰超越預設的水平時(shí)才去掉。在MAX9730情況下，將通過(guò)3.3V電源驅動(dòng)2.4W的8ω負載。壓電式揚聲器是不同的，因為其需要大的電壓擺幅來(lái)達到足夠的偏轉以移動(dòng)足夠的空氣來(lái)產(chǎn)生大的噪音。該芯片的電荷泵在5.5V直流下可以提供大于700mA峰值輸出電流，這保證了輸出到14V峰-峰值的壓電式揚聲器。
對于數碼相機音頻錄音，美信宣布了具有自動(dòng)增益控制(AGC)低噪聲麥克風(fēng)偏置的MAX9814麥克風(fēng)放大器。集成AGC讓設計師在數字信號處理之前優(yōu)化信號水平。該器件還集成了低噪聲前置放大器、可變增益放大器(VGA)、輸出放大器和一個(gè)內部低噪音駐極體麥克風(fēng)偏壓發(fā)生器。
高保真音響的背后
國半的展示圍繞兩款產(chǎn)品進(jìn)行。首先其是一對具有0.00003%典型THD+N(保證最高是0.00009%)的音頻運算放大器系列。其他性能指標包括了2.7nV/√Hz輸入噪聲密度，60Hz 1/f噪聲角，20V/μs擺率，以及55MHz增益帶寬。
44V LME49860雙運算放大器具有兩種不同封裝，34V LME4978x0具有單個(gè)、四個(gè)和兩個(gè)運放的版本。額定±22V的LME49860單位增益穩定下降到±2.5V。超過(guò)這一電源范圍，放大器保持共模抑制比(CMRR)及電源抑制比(PSRR)優(yōu)于120dB并且典型輸入偏置電流為10nA。
在輸入端，LME49860每個(gè)電源可以擺幅在1V之內驅動(dòng)2kΩ負載或在1.5V之內驅動(dòng)600Ω負載。LME49710、LME49720和LME49740放大器具有更低的工作電壓以及類(lèi)似的指標。
另一款新產(chǎn)品LME49810是一款單片200V音頻功率放大器驅動(dòng)器，其具有集成的Baker鉗位。類(lèi)似運算放大器，每個(gè)LME49810可以在高端高保真音響系統中替代數十個(gè)手工挑選并配對的分立器件。該LME49810的功能是驅動(dòng)高達50mA的大功率分立輸出三極管，為系統提供高達3kW的功率。當實(shí)現完整的功率放大器設計時(shí)，典型的THD+N為0.0007％。其他指標包括50V/μs的擺率以及110dB的PSRR。
Baker鉗位處理輸入信號峰值。通過(guò)連接在三極管基極和集電極之間的二極管陣列來(lái)實(shí)現。其還避免了集電極-發(fā)射級結的飽和，通過(guò)消除高頻毛刺信號來(lái)裁剪不太明顯的信號，這些毛刺信號發(fā)生在晶體管從飽和區恢復過(guò)來(lái)的時(shí)候。
在國半的聽(tīng)音間，除CD播放器外所有的電子產(chǎn)品都是定制的。該運算放大器是在DAC信號路徑(每個(gè)立體聲信道是四個(gè))中使用的，以及電源穩壓器。顯然，音頻功率放大器驅動(dòng)器是在功率放大器中的。商業(yè)生產(chǎn)的成本是多少？
Brasfield估計，目前國半的產(chǎn)品原型售價(jià)約為每個(gè)300美元，為信號鏈電子部件帶來(lái)幾千美元的成本。這不包括揚聲器。不幸的是， Brasfield表示W(wǎng)ilson Audio Specialties公司已通知他說(shuō)，這些26,000美元一對的Watt Puppies已經(jīng)過(guò)時(shí)，并且其替代品會(huì )使得整個(gè)成本更高。
作者：Don Tuite |
