高保真音頻的測試及最新半導體解決方案

美國國家半導體公司想要向我展示一些產品，這些產品已經為那些要求音頻系統(tǒng)絕對完美的消費者進行了優(yōu)化，他們是硬核、雙揚聲器的高保真音響愛好者。這些產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(tǒng)的工程師仍堅持采用分立器件，而國家半導體公司已開始轉變他們的思路。

國家半導體公司成立了一個聽覺上理想的音響室，其具備一副Wilson Audio公司的專業(yè)Watt-Puppy揚聲器以及在新芯片周圍構建了參考設計模擬音頻鏈。它還有其自己的CD來展示忠實信徒所尊崇的特色，但我也應邀提供了自己的光碟。于是，我從汽車遮陽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器，而貝多芬鋼琴奏鳴曲不可能進行很多的后處理“增強”。

我的期望很低，因為我的聽力一直在隨年齡、汽車、飛機、摩托車而減弱。明知如此，我走進聽音間，其價值2.6萬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美元的耳朵而言簡直是矯枉過正了。也就是說，我認為對我個人使用而言，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，我能分辨出那個高音最長。我還可以聽到歌手嘴唇發(fā)出的聲音，這是當你分開嘴唇而又有些唾液在它們上面時發(fā)出的聲音。在我的貝多芬CD上，我能聽到踏板的動作并非是機械作用，而作為藝術家腳下的踩踏有著不同的聲調——這剛好踩在拍子上。

我感到困惑。我所知道的有關“金耳朵”最多的事，是一個人可以不帶耳機聽到這些聲音。我又是如何可以從聽了幾百次的錄音中聽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音室的創(chuàng)建人Mark Brasfield提出了這一問題(圖1)。

有趣的是，Brasfield承認說，他也有聽力損失。但他說，根據產業(yè)研究顯示，到了某一程度，聽力敏銳程度下降的人，實際上能比具有完美聽力的人聽到更多的高端音頻。

專業(yè)測試

我向測試設備生產商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(tǒng)(參見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商(圖2)。但如果我希望進行明確的度量，Hofer的話令我感到氣餒。

“經過三十年的時間到現(xiàn)在，人們認識到對耳朵和大腦系統(tǒng)并不了解，”Hofer說?！霸贏udio Precision公司，我們對音頻設備都作客觀度量。但世界也就是有關知覺和度量，其中，就其本質而言，是不會完全跟蹤你真正試圖測定的事物?！?/P>

Hofer表示，Audio Precision公司沒有音頻失真分析，也就是說目前僅僅是“大/好/壞”。他的測試設備只簡單提供數(shù)量和性能的測量，通常沿不同的軸進行削減，例如頻率響應、失真因子或噪音等。Hofer說，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，最好的例子包括Fraunhofer和杜比(Dolby)公司，他們采用人體來收聽真實的錄音以測量有損壓縮算法對真實性能的捕獲效果如何(參見“Testing For Audio Transparency”一文)。

Hofer解釋說，Audio Precision公司的分析師所做的分析測量是要通過描述高度數(shù)學定義的信號來避免主觀測量的失敗。描述與原始數(shù)學定義信號有關的失真、交流噪聲、噪聲的影響是一個直截了當?shù)倪^程。

“但即使這樣，如果你以數(shù)字化對廣泛的多頻音輸入進行錄音，測量將顯示出某些音調會完全丟失，而不是減弱，”Hofer說?！坝袚p壓縮算法要在信號的某些部分不浪費任何數(shù)據位，這是因為這些部分不滿足可聽性的閾值”。

如果對算法進行真正優(yōu)化，即使采用模擬測試設備，人的耳朵和大腦也不會注意到丟失的信息。

其它觀點

因此，如果設計師不能明確與主觀經驗有關的客觀測量，那該怎么辦？很顯然，大多數(shù)公司關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進行過對話，而他們中沒有人追求極端的高保真音響市場。相反，他們重點關注手機、個人媒體播放器以及家庭影院。大部分公司認為，聽力感受最直接的比較是不可能的。

他們說，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，一部分是因為經過處理的數(shù)字信號以各種方式欺騙耳朵。舉例來說，數(shù)字處理試圖使你覺得你所聽到的聲源就在你面前的某處，而不是在你頭的中間，而這正是你所聽到的一個純立體聲信號。其實，在相當程度上，F(xiàn)raunhofer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，其它芯片公司已有最新的模擬音頻產品發(fā)布。(包括將D類放大器作為“模擬”類別的一部分)。

德州儀器已推出許多新型芯片，其中有不少D類功率放大器。舉例來說，TI目前交付的其DRV600立體聲600Ω線路驅動器，其在輸入和輸出無需耦合電容。

對于驅動揚聲器而言，并非是600ω線路，TI的TAS5162立體聲數(shù)字放大器功率級可驅動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下驅動六個信道或在每信道30W下驅動三個信道。兩種芯片只需要簡單的LC輸出濾波器來消除D級脈沖調制信號。

TI的TAS5414和TAS5424四信道數(shù)字音頻放大器定位于汽車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下提供了四個連續(xù)4Ω的23W信道或在30W下2Ω的揚聲器。其區(qū)別在于TAS5414具有單端輸入，而TAS5424是差分輸入。

為進一步加強信號鏈，集成至為關鍵。TI用于數(shù)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(shù)控立體聲麥克風前置放大器，以及自動增益控制放大器(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。重放通路包括來自立體聲數(shù)字-模擬轉換器(DAC)和選定輸入的混合/多工功能，通過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類放大器的開發(fā)。ADAU1590和ADAU1592是具有sigma-delta調制器來驅動脈沖調制的雙通道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)集成產品公司提供了揚聲器驅動器入口，但其并非D類器件。相反，美信公司公布了兩款G類揚聲器放大器MAX9730和MAX9788。前者是通用的；而后者是對驅動陶瓷揚聲器進行了優(yōu)化的。

G類放大器有一個類似A-B類的推拉級，但其增加了第二個更高電壓的電源，該電源只有在信號峰超越預設的水平時才去掉。在MAX9730情況下，將通過3.3V電源驅動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達到足夠的偏轉以移動足夠的空氣來產生大的噪音。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(shù)碼相機音頻錄音，美信宣布了具有自動增益控制(AGC)低噪聲麥克風偏置的MAX9814麥克風放大器。集成AGC讓設計師在數(shù)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)、輸出放大器和一個內部低噪音駐極體麥克風偏壓發(fā)生器。

高保真音響的背后

國半的展示圍繞兩款產品進行。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、四個和兩個運放的版本。額定±22V的LME49860單位增益穩(wěn)定下降到±2.5V。超過這一電源范圍，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每個電源可以擺幅在1V之內驅動2kΩ負載或在1.5V之內驅動600Ω負載。LME49710、LME49720和LME49740放大器具有更低的工作電壓以及類似的指標。

另一款新產品LME49810是一款單片200V音頻功率放大器驅動器，其具有集成的Baker鉗位。類似運算放大器，每個LME49810可以在高端高保真音響系統(tǒng)中替代數(shù)十個手工挑選并配對的分立器件。該LME49810的功能是驅動高達50mA的大功率分立輸出三極管，為系統(tǒng)提供高達3kW的功率。當實現(xiàn)完整的功率放大器設計時，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。通過連接在三極管基極和集電極之間的二極管陣列來實現(xiàn)。其還避免了集電極-發(fā)射級結的飽和，通過消除高頻毛刺信號來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(qū)恢復過來的時候。

在國半的聽音間，除CD播放器外所有的電子產品都是定制的。該運算放大器是在DAC信號路徑(每個立體聲信道是四個)中使用的，以及電源穩(wěn)壓器。顯然，音頻功率放大器驅動器是在功率放大器中的。商業(yè)生產的成本是多少？

Brasfield估計，目前國半的產品原型售價約為每個300美元，為信號鏈電子部件帶來幾千美元的成本。這不包括揚聲器。不幸的是， Brasfield表示Wilson Audio Specialties公司已通知他說，這些26,000美元一對的Watt Puppies已經過時，并且其替代品會使得整個成本更高。