常见数字功放芯片的特点和制作转帖 音质最好的功放芯片
陆陆续续,玩过几种D类功放,当然由于条件限制,都是低端的东东。最早试的是ZXCD1000,说是音质很好,想想反正也不贵,就试试吧,于是买了块 ZXCD1000,配一台IBM 37V 8A开关电源供电。开机试听,低音的改变令人印象深刻,低音快速而有力,绝不拖泥带水,中音还可以,高音就很一般了。ZXCD1000 最高开关频率只有200kHz,所以它的性能当然离 Hi-Fi 很远了。使用了几天,发现,最大的问题一是输出滤波电感非常烫,二是功放有自激的趋势,于是不敢用了,烧了音箱不划算,从此打入冷宫。就这样交了第一次学费,不过对于D类功放,终于有了感性认识。
后来,看到了 Tripath 的T类功放,国内外的评价都不错,于是又心动了。T类功放属于D类功放的一种,使用了独特的调制方法。比较了各型号的参数,决定选用 TA2022,有100WX2的功率输出,开关频率大于650kHz,基本能满足我的要求,于是购入一块功放板。TA2022 也不是浪得虚名,70W 输出时失真0.015%,互调失真0.1%,信噪比(A记权)102dB。为了充分发挥这块功放的性能,决定整一个高性能的电源,刚好手头有一台老的Y记合并功放,于是就想把它改成一台线性稳压电源,同时音箱保护电路还能用上。经过仿真、计算,花几天时间,终于把它改成了稳压电源。把小小的功放板直接装入老功放机箱内,T类功放制作完成。开机试听,确实物有所值,音质可与3000元左右AB类功放相当。但发现了1.8kHz 的干扰,仔细研究手册,发现芯片内有一自激式升压电路给MOSFET驱动电路供电,开关频率只有2kHz左右,刚好落在人耳敏感区域,这是我无法接受的。于是用LM317制作了一路电源直接供给驱动级,到此,此功放开始正式服役,一直用到现在。可惜,Tripath 公司关门了。
后来,又在淘宝收了一台 SHARP SD-AT1200T 1比特功放,一台 SONY S550 S-Master 一体机,都是小AV功放,买来只是满足自己的好奇心而已。S550 是一台真正的数字功放,模拟信号只在音箱输出端出现,为了实现音频输出,还专门用了一片 AK4382 的 DAC 芯片。老实说 S550 的音质是出乎我的意料的,声音很纯净,较中性,但低频力度不够。受制于电源的输出能力,使用三肯 STR-F6267 组成的自激式开关电源,功率不可能超过300W,要达到100WX6的功率输出,显然是不可能的。
一直在网上找相关的资料,慢慢地将注意力集中到了ICEpower。Bang & Olufsen ICEpower 是 B&O 与丹麦技术大学 Karsten Nielsen 博士合作创建的公司,其特有的特有的D类功放模组,目前已发展到了第三代。从A系列(2001年)、ASP系列(2003年)、ASC系列(2005年)到目前的ASX2(2007年)系列,产品从中、大功率转向了中、小功率,从单声道转向双声道和多声道。
ASX2有三个型号,50ASX2、125ASX2和250ASX2。前两代,均未标榜 Hi-Fi,第三代明确说“Audiophile Performance: Today, ICEpower brand is associated with superior audio performance, accomplished through a range of successful applications by the most demanding audio brands in high-end consumer, automotive and professional markets. ”
海的那边,ICEpower 功放炒得火热,一些名厂使用 ICEpower 模组的 Hi-End 功放也获得了很好的口碑,口水直流,却也无可奈何,ICEpower 的模组不供应给个人,只能 YY。曾经有人在淘宝上卖过几十块50ASX2模组,被隔壁坛里的一抢而光,下手晚了没买到,为此郁闷了好长时间。后来,费了老大的劲,才终于搞到3块 125ASX2 模组,虽然功率小了点,但已经很满足了。打算用1块做一台双声道后级,另2块做一台二分频功放。
ASX2 究竟有什么过人之处呢?先看下国外的产品。每个声道使用一块125ASX2,工作于BTL方式。
Bel Canto S500,标价: $2999 USA
国外 Hi-End 厂常用的做法,ICEpower模组加一小块输入电路板。.
diyAudio上面的制作,感觉机箱小了,不利于散热。
可以看到 ASX2 系列是完成度非常高的D类模组,自带高性能开关电源,装箱就是一台双声道功放。要用来装台七声道后级,也不是难事,只要用4块模组,多出一个声道,刚好可以做双中置输出。
Acoustic Reality eAR 256 3G-WBT(标价4000欧元)
下面开始动手制作,先制作双声道功放,二分频功放另发一贴。
先炫一下125ASX2。设计严谨,做工非常的好,元件布局非常紧凑。用了多层电路板,初步判断是4层板,电源和地是单独的层。每块都有条码,大厂风范。模组异常地小,还没有巴掌大。板上有一路±24伏电源输出可供前级,我这里只用来供电源指示LED工作。
看一下125ASX2的主要指标和特点。输出功率120WX2(1% THD+N, 20Hz–20kHz, 4Ω, SE)、450W(1% THD+N, 20Hz–20kHz, 4Ω, BTL);动态范围117dBA;THD+N 0.002%(1W, 8Ω,1kHz, SE模式);带宽1.5Hz-90kHz;互调失真 0.0009%;瞬态互调失真 0.007%;阻尼系数>500;最大输出电流 30A, 允许100ms到500ms,足以满足大功率音乐输出;电源部分和功放部分均带超温保护、过流保护;允许连续输出功率65W(环境温度25℃),允许最大功率输出时间 80s(400W输出)。很NB的说,光从指标来看,令大多数功放汗颜。
首先需要一个漂亮的全铝小机箱。接着选择线材,由于模组是通过插接件连接,发烧线太粗是不可能用了,只能选用特富线镀银线了,线径合适,传输阻抗小,好在线用得都很短。前面板需要电源开关和指示,如用常用的电源开关,LED指示比较麻烦,面板很厚,发光二极管安装困难,后来找到了这种全铜镀镍的带环形指示的开关,价格高昂,但确实漂亮。搜遍淘宝,终于凑齐了各种材料。
中间的制作过程很平淡,也很简单,只需要细心地接线,不多说了。接线没有采用最短的路径,而是以防止干扰为原则。
做好以后,没有直接接音箱试机。先通电,测输出静态电压,一个声道5mV,一个声道19mV,都非常小,也很稳定。参考国外的整机,都没有加音箱保护电路,所以这里我也省了。静态测试正常,就可以接音箱和前级试机了。接好线后,先打开了我的V1400功放,把音量关到最小,再打开小功放电源,然后缓缓增大音量,优美的声音徐徐响起,成功了!
音质如何,我不想多说,只想说声音比较厚实,全频带比较均衡,说不出缺点,属于比较中性的声音。印象深刻的是那种气定神闲,一个字:稳。
下面扒一扒功放那些事。
在发烧圈,明显地分成两派,一派主张耳朵收货,一派认为指标重要。一直在争,一直没有结果。尤其是关于线材,过几天就会争论一番,谁也说服不了谁,争论也将一直进行下去。说实话,好指标不等于好声,好声必定有好指标,一个指标很差的器材,不要妄谈什么好声,会闹笑话的。没有规矩不成方圆的道理谁都懂。其实,玩音响就是玩个心情,玩个满足感,大可不必如此刻板,各人有各人的玩法,自己觉得好就行。针对不同消费群体的产品,不能用统一的标准来衡量。iPhone就是一个很好的例子,当初上市时没几人看好,结果大获成功。使用它的人,我敢说大多数也就当普通的手机用的,但人家玩的不是手机,是体验。苹果的成功,确实值得我们学习和思考。
是枝重治在《前置放大器电路设计的发展史》中说“前置放大器不是只靠电路设计就能搞好的”,当时很不理解,现在终于懂了。我们喜欢把技术和产品混为一谈,其实好的技术不一定能成为好的产品,好的产品不一定采用最好的技术。乔布斯卖的不是技术,是体验,是理念,iPhone、iPad都只是一个载体罢了。
扯远了,还是回到功放上来吧。从晶体管诞生之日起,就一路磕磕拌拌,争论不断。晶体管功放尽管指标非常好,但音质却不如电子管功放,这是为什么呢。其实,由于晶体管不是理想的线性器件,就会产生各种各样的失真(最常谈到的就是谐波失真和瞬态互调失真)。由此,产生了各种各样的电路型式,甲类、超甲类、ALA、电流倾注、前馈式、AA类、超线性等等数不胜数,但绝大多数最后都化作了浮云。随着半导体工艺的不断提高,如今已不再纠结于具体的电路型式了。在产品同质化越来越明显的今天,我们作为普通消费者,我们只需要关心最终的音质还原效果。
那么,怎么来判断一款产品的优劣,怎么来看那些指标?我想谈谈自己的感受,供参考。
一、分立元件功放好,还是集成电路功放好
现在被厂商忽悠得认为分立元件功放才是高音质的代名词。错了,设计和调试不好的分立功放,还不如集成电路功放。分立元件功放输出功率可以做得很大,设计灵活,但要求管子严格配对,精心调试,成本高,对温漂的补偿比较困难,所以分立元件功放是不敢不用扬声器保护电路的。集成电路功放电路简单、紧凑,产品一致性好,工作稳定可靠,但受到热阻和半导体工艺的限制,最大功率和转换速率都不很高。两种功放都有非常优秀的产品。集成电路功放在有源音箱和中小功率功放中应用较多。近年来,优秀的功放驱动 IC 多了起来,如国半的LME系列,又多了一种选择。
商品机中,分立元件功放见得较多。如果是 DIY 功放,我要选择电路的话,优先考虑 IC 驱动功放,既有IC功放稳定可靠的特点,也能通过输出管的合理选择,达到较高的性能。分立元件电路是坚决不会考虑的,因为可靠性永远是摆在第一位的。
二、是否需要大功率功放
现如今,功放功率越做越大,就是AV功放也动辄100W以上,是否必要?不管是 Hi-Fi还是影院,播放时都要求声音达到一定的声压级,如75dB或80dB,而声压级不仅取决于功率,还取决于音箱的灵敏度。以灵敏度90dB的音箱为例,离箱4m,要达到90dB声压级,需4W的功率,按音乐信号规律平均功率为峰值功率1/8计算,要求功放最大输出功率32W,再留些余量,100W肯定够了。当然,如果离箱8m的话,最大功率要200W。
最大功率我们要看1%失真时的功率,10%失真的功率是没有意义的。
三、什么是推力,是否功率越大推力越强
功放的推力,不是一个严谨的科学指标,而是人的主观感受,但却能很好地说明功放的实际工作能力。究竟什么是推力,恐怕都说不清。我认为,推力就是功放的低阻抗推动能力。
在所有的器材中,后级功放的工作条件是最恶劣的,工作在大功率、大电流,更要命的是作为负载的音箱,是一个复合负载,要等效成由R、L、C组成的复合电路,其阻抗特性和相位特性都很差。所以功放实际工作时指标劣化很严重。很久很久以前,有一篇电声专家李宝善翻译的《民用声频功率放大器功率输出能力》一文,给我留下了深刻的印象。Sekiya和Otala用电阻、电感和电容组成复合阻抗模拟音箱,对几种高品质的功率放大器进行实际输出能力测试,结果发现,在负载有相角的情况下,为不致于产生大的失真(1%),有一台100W的功放,实际输出只有5W。为什么输出变小了,因为它的最大输出电流不足以驱动过低的阻抗。
实际音箱的阻抗,远比我们想象的复杂。下面我们看看具体的音箱的阻抗曲线。
JBL Studio L880:
标称阻抗8Ω,实际最小阻抗才3.828Ω,只有标称阻抗的一半不到。
Dynaudio Evidence Master:
标称阻抗4Ω。丹拿为什么难推,知道其中的一个原因了吧。
Sonus Faber Amati Homage:
标称阻抗4Ω
可见,最低阻抗往往只有标称阻抗的一半,更有变态的设计,由于分频器中采用了复杂的补偿网络,某些频率阻抗可低到1Ω。
我们考察了音箱的阻抗特性,我们再来看一些Hi-End功放的输出能力。Krell KSA-50S,输出功率50W/8Ω,100W/4Ω,200W/2Ω,400W/1Ω,最大输出电流60A,注意功率/阻抗的整数倍关系。从推力来说,真仍神机也。50W的功放,具有60A的最大输出电流,没有什么音箱是它推不转的。而一般的功放输出功放100W/8Ω的话,4Ω只能输出大约150W,就是说明电源供应不足,因为理论上输出功率应达到200W。
可见,推力大跟功率大没有必然关系,500W的功放也不一定能推动1Ω的负载,机器早就短路保护了。当然,实际选功放时,不必象Krell这样变态,如果能稳定地驱动2Ω的负载,我们就可以认为该功放的推力不俗。
回到ICEpower 125ASX2,我为什么看好它,我们来分析一下。先看电源部分,由于市售的电源无法满足功放的要求,所以工程师干脆集成了开关电源,由于整体设计,可使电磁干扰的影响降到最小。它使用ST的SG3525AP作为半桥开关电源的控制器,这是一款老芯片,工程师选它肯定有他的理由。半桥选用2只ST的B20NM50FD大功率MOSFET,耐压500V,电流20A,很强劲。电源变压器次级整流输出使用了高速同步整流,MOSFET使用的是12CN10N,耐压100V,电流67A,导通电阻12.4mΩ。滤波电容是金字高速电解,680uF/50V。这就是为什么功放能输出30A电流的强力保证。考虑周到的是,电源部分有防浪涌功能(8kV),防止感应雷击坏电源和功放。再说功放部分,由于有散热器挡着,看不到输出管,但我们可以根据官方参数推算一下。10%失真时最大输出功率150W/4Ω,推算出供电电压约为36V,根据最大输出40A,算出最小允许负载阻抗1.2Ω,所以说手册中说能驱动2Ω负载是完全可信的。不过为了保证功放长时间可靠工作,手册中规定,对称负载时允许最小负载3Ω,不对称负载时,允许一个声道2Ω,另一个声道最小6Ω。
四、为什么都认为AV功放不如纯功放
这个问题其实不是技术原因,而是成本和体积的原因。AV功放如果按纯功放的理念来打造,恐怕贵得绝大多数人都享用不起了。要在有限的成本中制造5个或七个声道分立元件大功率功放,必然要简化功放设计,要解决整机的散热问题和减小体积,必然是要减小功放的静态电流,使之更接近B类,同时变压器的功率也要缩小,通过使用大容量电解电容来保证瞬态功率。最要命的是最大输出电流的限制,AV功放不能使用低阻抗的音箱,电源功率不允许,大功率管性能不允许,散热也不允许。因此AV功放,即使是旗舰,音质也无法与档次相近的Hi-Fi功放相提并论,要追求极致的音质,只能使用分体后级。先锋在中、高档AV功放上使用ICEpower模组,就是另一种更具性价比的解决方法,看来先锋会坚持走下去。
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