高保真音频的测试及最新半导体解决方案

如果你正在设计音频系统的模拟部分，那么这有助于了解两件事：听众期望什么，以及你如何来客观地证明你实现了这些期望。

但是，将工程测量与听觉这种主观的听觉感受相关联是非常困难的。在今年6月，我开始明确了解到听觉并非是线性连续的。

美国国家半导体公司想要向我展示一些产品，这些产品已经为那些要求音频系统绝对完美的消费者进行了优化，他们是硬核、双扬声器的高保真音响爱好者。这些产品包括一系列具有极低失真的高压运算放大器以及音频功率放大器的驱动器。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。设计高端音频系统的工程师仍坚持采用分立器件，而国家半导体公司已开始转变他们的思路。

国家半导体公司成立了一个听觉上理想的音响室，其具备一副Wilson Audio公司的专业Watt-Puppy扬声器以及在新芯片周围构建了参考设计模拟音频链。它还有其自己的CD来展示忠实信徒所尊崇的特色，但我也应邀提供了自己的光碟。于是，我从汽车遮阳板的架子上取了一片贝多芬钢琴奏鸣曲的光碟。三角钢琴是一种微妙的乐器，而贝多芬钢琴奏鸣曲不可能进行很多的后处理“增强”。

我的期望很低，因为我的听力一直在随年龄、汽车、飞机、摩托车而减弱。明知如此，我走进听音间，其价值2.6万美元的扬声器连接到国家半导体公司定制的电子设备上，这对我50美元的耳朵而言简直是矫枉过正了。也就是说，我认为对我个人使用而言，50美元是花在耳机或扬声器上的全部费用。而结果呢？我被所听到的一切吓了一跳。

对于国家半导体公司的演示录音，我能分辨出那个高音最长。我还可以听到歌手嘴唇发出的声音，这是当你分开嘴唇而又有些唾液在它们上面时发出的声音。在我的贝多芬CD上，我能听到踏板的动作并非是机械作用，而作为艺术家脚下的踩踏有着不同的声调——这刚好踩在拍子上。

我感到困惑。我所知道的有关“金耳朵”最多的事，是一个人可以不带耳机听到这些声音。我又是如何可以从听了几百次的录音中听得到这么多新的声音呢？我向国家半导体公司资深音频应用工程师以及该听音室的创建人Mark Brasfield提出了这一问题(图1)。

有趣的是，Brasfield承认说，他也有听力损失。但他说，根据产业研究显示，到了某一程度，听力敏锐程度下降的人，实际上能比具有完美听力的人听到更多的高端音频。

专业测试

我向测试设备生产商Audio Precision公司创建人兼总裁Bruce Hofer表示，希望了解哪种测试可以用于对比音频系统(参见上的 “The Challenges Of Audio Testing”一文)。Audio Precision公司大概是最受瞩目的纯音频测试设备生产商(图2)。但如果我希望进行明确的度量，Hofer的话令我感到气馁。

“经过三十年的时间到现在，人们认识到对耳朵和大脑系统并不了解，”Hofer说。“在Audio Precision公司，我们对音频设备都作客观度量。但世界也就是有关知觉和度量，其中，就其本质而言，是不会完全跟踪你真正试图测定的事物。”

Hofer表示，Audio Precision公司没有音频失真分析，也就是说目前仅仅是“大/好/坏”。他的测试设备只简单提供数量和性能的测量，通常沿不同的轴进行削减，例如频率响应、失真因子或噪音等。Hofer说，尽管这些指标全部有效，但耳朵的行为则比这更为微妙得多。

许多公司和研究人员在其评测中采用人体，而不是高精密测试设备。Hofer说，最好的例子包括Fraunhofer和杜比(Dolby)公司，他们采用人体来收听真实的录音以测量有损压缩算法对真实性能的捕获效果如何(参见“Testing For Audio Transparency”一文)。

Hofer解释说，Audio Precision公司的分析师所做的分析测量是要通过描述高度数学定义的信号来避免主观测量的失败。描述与原始数学定义信号有关的失真、交流噪声、噪声的影响是一个直截了当的过程。

“但即使这样，如果你以数字化对广泛的多频音输入进行录音，测量将显示出某些音调会完全丢失，而不是减弱，”Hofer说。“有损压缩算法要在信号的某些部分不浪费任何数据位，这是因为这些部分不满足可听性的阈值”。

如果对算法进行真正优化，即使采用模拟测试设备，人的耳朵和大脑也不会注意到丢失的信息。

其它观点

因此，如果设计师不能明确与主观经验有关的客观测量，那该怎么办？很显然，大多数公司关注功率效率与集成度水平。

我曾与一些国半的竞争对手就模拟音频芯片市场进行过对话，而他们中没有人追求极端的高保真音响市场。相反，他们重点关注手机、个人媒体播放器以及家庭影院。大部分公司认为，听力感受最直接的比较是不可能的。

他们说，谈到面向耳塞/耳机的设备，例如MP3和AAC播放器，这种对比尤其是不可能的。这部分是因为接到或在耳朵内的实际声能转换器的贡献，这是明显比信号链上任何电子元件要高得多。

这也是不可能的，一部分是因为经过处理的数字信号以各种方式欺骗耳朵。举例来说，数字处理试图使你觉得你所听到的声源就在你面前的某处，而不是在你头的中间，而这正是你所听到的一个纯立体声信号。其实，在相当程度上，Fraunhofer和杜比算法可以模拟一套像样的耳机或高端耳塞所具备的完整环绕声。

考虑到这一点，其它芯片公司已有最新的模拟音频产品发布。(包括将D类放大器作为“模拟”类别的一部分)。

德州仪器已推出许多新型芯片，其中有不少D类功率放大器。举例来说，TI目前交付的其DRV600立体声600Ω线路驱动器，其在输入和输出无需耦合电容。

对于驱动扬声器而言，并非是600ω线路，TI的TAS5162立体声数字放大器功率级可驱动6Ω桥接负载(BTL)每信道高达210W仅具有10％的总谐波失真。其效率大于90％。对最大动态范围而言，它可以分别工作在12V和50V电源下。对低输出水平的要求，TI的TAS5176可以在每信道15W下驱动六个信道或在每信道30W下驱动三个信道。两种芯片只需要简单的LC输出滤波器来消除D级脉冲调制信号。

TI的TAS5414和TAS5424四信道数字音频放大器定位于汽车头灯及外部放大器模块的使用。这两款放大器在不到1%的THD+N下提供了四个连续4Ω的23W信道或在30W下2Ω的扬声器。其区别在于TAS5414具有单端输入，而TAS5424是差分输入。

为进一步加强信号链，集成至为关键。TI用于数码相机的TLV320AIC3101是一款具有立体声耳机放大器的低功耗立体声音频编解码器、数控立体声麦克风前置放大器，以及自动增益控制放大器(AGC)，其在多模拟输入之间具有混合/多工功能。

该芯片的可编程滤波器可以消除变焦马达噪音。重放通路包括来自立体声数字-模拟转换器(DAC)和选定输入的混合/多工功能，通过可编程音量控制到不同输出。

亚德诺半导体公司(ADI)也一直从事D类放大器的开发。ADAU1590和ADAU1592是具有sigma-delta调制器来驱动脉冲调制的双通道BTL功率放大器。这使得微控制器与控制复位、静音、可编程增益放大器(PGA)增益以及故障报告输出信号进行接口。对于采用单独的调制器，ADAU1513是基本的双通道功率级。

美信(Maxim)集成产品公司提供了扬声器驱动器入口，但其并非D类器件。相反，美信公司公布了两款G类扬声器放大器MAX9730和MAX9788。前者是通用的；而后者是对驱动陶瓷扬声器进行了优化的。

G类放大器有一个类似A-B类的推拉级，但其增加了第二个更高电压的电源，该电源只有在信号峰超越预设的水平时才去掉。在MAX9730情况下，将通过3.3V电源驱动2.4W的8ω负载。压电式扬声器是不同的，因为其需要大的电压摆幅来达到足够的偏转以移动足够的空气来产生大的噪音。该芯片的电荷泵在5.5V直流下可以提供大于700mA峰值输出电流，这保证了输出到14V峰-峰值的压电式扬声器。

对于数码相机音频录音，美信宣布了具有自动增益控制(AGC)低噪声麦克风偏置的MAX9814麦克风放大器。集成AGC让设计师在数字信号处理之前优化信号水平。该器件还集成了低噪声前置放大器、可变增益放大器(VGA)、输出放大器和一个内部低噪音驻极体麦克风偏压发生器。

高保真音响的背后

国半的展示围绕两款产品进行。首先其是一对具有0.00003%典型THD+N(保证最高是0.00009%)的音频运算放大器系列。其他性能指标包括了2.7nV/√Hz输入噪声密度，60Hz 1/f噪声角，20V/μs摆率，以及55MHz增益带宽。

44V LME49860双运算放大器具有两种不同封装，34V LME4978x0具有单个、四个和两个运放的版本。额定±22V的LME49860单位增益稳定下降到±2.5V。超过这一电源范围，放大器保持共模抑制比(CMRR)及电源抑制比(PSRR)优于120dB并且典型输入偏置电流为10nA。

在输入端，LME49860每个电源可以摆幅在1V之内驱动2kΩ负载或在1.5V之内驱动600Ω负载。LME49710、LME49720和LME49740放大器具有更低的工作电压以及类似的指标。

另一款新产品LME49810是一款单片200V音频功率放大器驱动器，其具有集成的Baker钳位。类似运算放大器，每个LME49810可以在高端高保真音响系统中替代数十个手工挑选并配对的分立器件。该LME49810的功能是驱动高达50mA的大功率分立输出三极管，为系统提供高达3kW的功率。当实现完整的功率放大器设计时，典型的THD+N为0.0007％。其他指标包括50V/μs的摆率以及110dB的PSRR。

Baker钳位处理输入信号峰值。通过连接在三极管基极和集电极之间的二极管阵列来实现。其还避免了集电极-发射级结的饱和，通过消除高频毛刺信号来裁剪不太明显的信号，这些毛刺信号发生在晶体管从饱和区恢复过来的时候。

在国半的听音间，除CD播放器外所有的电子产品都是定制的。该运算放大器是在DAC信号路径(每个立体声信道是四个)中使用的，以及电源稳压器。显然，音频功率放大器驱动器是在功率放大器中的。商业生产的成本是多少？

Brasfield估计，目前国半的产品原型售价约为每个300美元，为信号链电子部件带来几千美元的成本。这不包括扬声器。不幸的是， Brasfield表示Wilson Audio Specialties公司已通知他说，这些26,000美元一对的Watt Puppies已经过时，并且其替代品会使得整个成本更高。