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电流模放大技术

这是一个关于缔造顶级音频放大器的故事,也是一个关于追求、视野和毅力的故事。

音频放大器已经有快有一个世纪的历史了,电子管放大器的第一个应用就是音频放大器 。直到现在为止,音频放大器它还在不断地更新、发展、前进,是因为人类的听觉是各种感 觉中重要而复杂的一种,也是最基本的一种。高保真音频放大器为了满足更精准的声音还原 ,无数电子工程师和音频爱好者还在尽力对音频放大器不断地 加以改进。

旷世音响的创始人王丰硕,在7岁时第一次听到了高保真音响,就被深深的吸引了。此后 的很多日子里,他像很多电子爱好者一样,买来各种电子元件,挥动电烙铁, 尝试各种电 路和器件,沉浸在自己的世界里。他本人也很喜欢电吉他,一边是音乐,一边是电子工程。 这样的经历,听起来似乎有点乔布斯或比尔盖茨小时迷恋上计 算机编程的故事 ……这样一捣鼓就是15年,直到去读大学的时候,他毫不犹豫的选择了电子工 程专业。大学有先进的实验室,有图书馆,还有老师可以请教。不过不幸的是,当他沉浸进 去一段时间之后,发现很苦恼:因为通过这些途径,他发现了传统音频放大器电路有诸多缺 陷。

首先是瞬态互调失真(TIMD)。一些放大器测试指标优秀,但是实际要用放大器处理快 速变化的音频信号时,传统的负反馈放大器会处于负反馈失控的开环状态, 这称为瞬态互 调失真。瞬态互调失真给人以刺耳不耐听的不快感觉,导致音质明显劣化。一些顶级功放厂 商(比如丹麦贵丰,美国PASS,加拿大MOON)意识 到了这个问题,采用浅负反馈、局部负 反馈甚至无负反馈避免瞬态互调失真。但这些或者并不是根本的解决办法,或者为此付出的 代价是高昂的。无反馈需要非常严 格的挑选器件,只有百分之一或千分之一的比率能够达 到要求,耗损极大。 另外,也衍生出来无反馈放大器在工作时的稳定性问题。

其次,很多传统放大器表面上看起来频宽都足够,但是一旦处理高频大振幅信号的时候 ,频宽立刻惨不忍睹。一般的音频放大器,由于转换速率SR(压摆率)和大信号输出时功率 带宽fp(max)与转换速率为SR和放大器的振幅Vo(max)有下面的定律

fp(max)= SR/(2πVo(max))   

所以,由于一般的音频放大器由于SR不够,在大信号时候的带宽会远低于小信号的值。 以通用运放μA741为例,μA741增益带宽积1MHz, 转换速率0.5V/μs, 当输出电压的 幅值为一侧10V时,代入公式

fp(max)=0.5106/(2π10)=7.96kHz   

丹麦贵丰的无反馈功放避免了TIMD

darTZeel的旗舰合并放大器NHB108频宽1MHz

KRELL的旗舰合并放大器FBI系列也使用了无反馈技术

可见,1MHz增益带宽积的μA741用于音频放大的时候大信号时只有约8 kHz的功率带 宽,人耳20k的可闻频带内部将有2/3内容听不到,更别提DSD音频高达100kHz的频响范围! 顶级放大器厂商也意识到了这个问题,都 在使用各种技术手段拼命提高放大器的转换速率 ,拓宽频响(比如darTZeel的旗舰合并放大器NHB108,KRELL 的FBI系列,贵丰的旗舰放大 器等等都有500K以上的高频宽),确保放大器能够及时跟踪音源高速瞬变的信号,放大器的 真实速度和透明度,否则HiFi将 是天方夜谭。

另外,失真度也不理想。数字讯源主流的24Bit DAC失真度(THD+N)都可以做到0.001% 以下,传统放大器在真实驱动负载状态下,全频,特别是高频放大器很难将THD+N控制在 0.001%以下,这直接成为电子系统的瓶颈。

机会有时候会静静的走近,却不会有任何提示。2004年春天,在大学实验室里,王丰硕 在做一个电流模通信线路实验的时候,因为电路组装的失误,意外的发现这个不能处理通信 信号的电路,瞬态互调失真非常低,且具备高速放大性能。他没有轻易放弃这个电路,开始 翻阅所有能找的到的 电流模电路的书籍,研究电流模技术是否可以用于音频放大。另外, 他几次去拜访电子工程系德高望重的严立中老师,严老师被这个年轻人的执着感动了,表示 支持并参与这个项目。

2004 年暑假,王丰硕没有回家,带领三个同学在实验室里挥汗如雨,雄心勃勃开发顶级 音频放大器。有位老师听说了,善意的提醒到:“音频放大器全世界搞了这么多年, 都是小修小改也没什么本质的突破,同学假期还是回家吧。”也许是因为初生牛犊不 怕虎,他们只是笑笑,继续战斗。假期里,他们也发现,一些公司已经将电流模技术应用在 音频领域,比如KRELL也在使用CAST(Current Audio Signal Transmission, 电流模传输 )技术做音频的电流模式传输,日本采用SATRI技术BPM7110模块等,都是无反馈的电流模电 路传输信号架构和实现方式技术,是电流模音频电路的先驱。但是这些技术的重点在传输而 非放大,电路是无反馈的,实际测试指标并不是很好。并且由于接口是纯电流模式的,和其 他设备无法兼容。所以他们决 定自己的设计必须克服这些不足,电压输入和电压输出,但 是信号放大在电流域里面处理,同时满足高性能和兼容性。

过 了夏天,到了秋天,运用全新的设计思路和拓扑结构的第一台电流模音频功率放大器 ,在实验室里诞生了。这台电流模放大器在2*100W输出功率时有惊人的1MHz带宽,超越同价 位放大器频响几十倍,瞬态互调失真低不可测,真让人振奋!院长听说了很震惊,亲自来现 场确认。王丰硕和三个人的小团队很兴奋,第一时间在国家核心期刊“电声技术 ”上 发表了自己的研究成果,向世人发布了自己的“电流模音频功放”技 术,并申请专利。

兴奋了一阵子之后,问题来了。作品是作品,和产品还是差距很大。当时设计的电流模 功放,内部的跨导线性(Transliner-TL)回路对晶体管的匹配有 严格要求,机器里面用的 几十只晶体管,是在几千只晶体管里面按照特殊的要求手工挑选的。这样的方式无法批量无 法制造商用音频放大器。之前,加拿大半导体厂商Microsystems International Limited 希望制造电流模放大集成电路,但是最终因为工艺问题失败。在一个六只晶体管组成跨导线 性回路中,只要有5uV的Vbe失配,就会产生大约 0.01%的2次谐波失真。这个问题,直到大 学毕业也没有得到有效的解决。

正在设计电流模放大器电路图

正在测试配对的晶体管

首台电流模功放模块的PCBA

首台电流模功放

毕业后,王丰硕去了一家纳斯达克上市的美国集成电路设计公司工作,那里有最精良的 测试仪器,云集了世界上最顶尖的模拟放大器设计人才,他一边工作一边继续着自己的研究 。当时他已经开始迷恋顶级耳机,也买了副森海塞尔的HD800。但是HD800和官方推荐的某品 牌耳机放大器试听之后非常失望:干瘪的声底,空洞的声场,缺乏感情的声音表达方式 ……决定自己动手,为HD800设计一款自己用的顶级耳机放大器。

他找到他的上司Eddie,前美国国家半导体(NSC)最资深的高性能音频IC设计师。Eddie 曾参与设计了经典的单片大功率IC LM3886,LM1875,这些十多年前发布的芯片到2015年依 然销量不减。另外还有美国加州大学洛杉矶分校的博士Charles,他在互补半导体工 艺方面 有超人的理解。大家都很支持电流模这样的设计方式,结合在半导体电路苛刻的工艺要求和 电路要求,解决元件配对的问题,使用业余时间挑战下这个顶级耳机放大器的设计。

王丰硕(左一)和Charles的合影

经过反复的调试,2007年,第一款电流模式耳机放大器CMA800诞生了。CMA800是世界上 首台运用电流模技术的耳机放大器,CMA就是电流模放大 (Current Mode Amplification )的英文缩写,它失真低至0.0004%,,瞬态互调失真(TIMD)低不可测。CMA800转换速率随 输入信号线性增长没有 任何限制,驱动真实负载频宽高达700kHz,技术上堪称完美的放大 器!最重要的是:CMA800已经解决了工艺问题,可以批量生产而且有优异的一致性能!

CMA 800


那么,究竟什么是电流模放大?

电流模放大是电流模式音频放大器的简称,电流模音频放大器使用三极管作为放大器件 ,全分立架构,输入和输出也都是电压模式,核心放大部分在电流域处理, 恒定为纯A类工 作状态,输出级(OPT)可以调整为A类或者AB类。它的放大电路结构与传统电压模放大器( 差分输入级,共射电压放大级等)结构完全不同,影响速度和带宽的晶体管级间电容工作在 阻抗很低的节点上,整个放大器回路全功率带宽接近闭环带,转换速率随输入信号幅度线性 增长,加之强劲而超高速的负反 馈(电路速度是一般放大器的几百倍),这些特点同传统 电压模放大器完全不同,不但彻底消除瞬态互调失真(TIMD),而且可以轻松获得超高带宽 ,超低失真的高性能放大。


还有,电流模放大器如何工作?

电流模放大电路的框图

主要有电压控制电流源VCCS,电流模放大单元A(i),I/V变换级,输出缓冲器(OPT)和 负反馈几部分组成。在电子学中,电压和电流都是同时存在的。 只是在电流模放大部分, 为了获得高性能,信号被电流主宰了而已,输入和输出都是传统的电压型的,这样的设计可 以方便兼容更多的高级讯源和负载。考虑到 Hi-End市场用户强烈的个性,这样的设计可以 有更高的系统开放度。

由图示模型可见,输入信号首先进入VCCS(电压控制电流源)。VCCS将输入电压变为电 流,送入电流增益级Ai进行电流模放大,再由I/V变换器变为电压后通过输出级(OPT)驱动 负载。

整个系统为了保证系统的稳定性,引入了负反馈。由于整个负反馈网络的阻抗只有几百 欧姆,加上放大器的高速性能,反馈环路处理速度大约是传统电压模放大器的100倍,所以 常规负反馈放大器带来的TIMD等一系列问题都不存在。

但 是,高性能不能同高音质直接划等号,高性能只是好声音的基础。除了在电子电路上 面持续优化,王丰硕敏感而极其挑剔的耳朵,自2008至2012年,4年间,对CMA800进行了8个 PCB版本22次的优化,包括尝试各种器件,修正PCB走线,评估结构甚至机械振动对声音的影 响,才最终满意。这些优化的改 进在AP上反映出来的指标已经不变,但是听觉一直在趋向 完美。

2012 年,他身边发烧友注意到这台设计与众不同的耳机放大器,使用之后反馈极其正面 ,很多人开始预订,订单量急剧增加,在家里手工焊接无法满足,于是,2012 年底,王丰 硕离开了舒适的工作环境,在深圳CBD开始了他的为自己追求奋斗的公司:”Questyle Auido,旷世音响”。

1kHz@300欧负载,THD vs Power 曲线

Po=20mw/300欧负载,20kHz-200kHz频率响应

2013 年,在把玩顶级扬声器系统的时候,王丰硕突发奇想:顶级功率放大器都可以设计 成单声道,耳机放大器为什么不可以?全分离的机箱和供电系统,加上全平衡的放 大模式 ,那不是登峰造极的性能和声音?于是在CMA800的基础上又开始了CMA800R的设计,优化了 电路,加入了单声道全平衡XLR输入和输出,取代 CMA800的CMA800R诞生了,在双单声道模 式下,CMA800R的失真率低至0.00026%,挑战人类物理测试极限。声音也一下就征服了世界 上 最挑剔的耳机发烧友和录音师,好评像雪片一样飞回来。同时,王丰硕为电流模式技术 顺利申请了PCT全球专利。

接下来,又一鼓作气推出了旗舰解码耳放前级一体机CMA800i和高性价比的Q192,备受全 球媒体和发烧友推崇。

150iTHD+N VS功率曲线@1kHz @RL=4Ω

150i频率响应1kHz 50W @RL=4Ω, 20kHz-200kHz

电流模放大技术,还继续应用在旷世音响的其他产品上。在2015年1月份CES上亮相的 150i合并式放大器,在4欧姆负载,100W的疯狂输出功率 下,THD+N低至惊人的 0.0003%! 而且是在20Hz-20kHz均小于0.0005%,频响宽至1MHz!这样的技术指标,全球所有的合并放 大器不论价格、品牌都没有对手!

更吸引人的是,旷世音响将在2015年5月份发布的便携式无损音频播放器QP1/QP1R,耳机 驱动部分也将把超高性能的

纯 A类,全分立设计的电流模耳放设计进去!世界上名垂青史的顶级音频放大器从来都 是全分立的设计,在便携设备上也引用这样的设计,如此疯狂!!!在无损便携 播放器和 高级智能手机拼杀IC的时代,别人在考虑“音频IC哪家强”的时候,这样设计必 将成为真正的核心竞争力,远远的把对手甩在后面。

虽然不少人觉得软趴趴,甜兮兮的所谓“模拟味”的音色似乎更讨好耳朵, 但是有更多人明白高保真的真谛。电流模放大革命性的技术突破,和旷世音响创始人、 CEO 王丰硕永不妥协的声音调校理念,确保旷世音响的产品能够提供高精准度、权威、可靠的真 正HiFi级聆听体验和独特的品牌价值。

电流模和旷世音响的故事还在继续,让我们一起关注!

电流模放大技术发明人:王丰硕先生

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