市場研究機構Forward Concepts指出,D類音頻放大器芯片在過去一年中的總銷量接近8,000萬美元,并且正以每年平均60%的速度增長,預計在2008年將接近9億美元。音頻系統級芯片(SoC)的應用進一步增強了這種趨勢。

音頻放大器應用極其廣泛,各種具有音頻輸出的電子產品都離不開它。目前,約有95%的放大器是基于已經存在10年以上的傳統陳舊的模擬技術,存在著能耗高、效率低、芯片溫度高的致命弱點。目前,使耗電量很高的家庭影院及多聲道環繞聲效系統降低散熱量的要求越來越迫切,同時CD、DVD、MP3播放器等數字音源的興起加速了消費型電子產品制造商轉向能效更高的D類音頻放大器(Class D Audio Amplifier)的趨勢。具體地說,Class D放大器具有價格更低、器件體積更小,在芯片中占用空間面積更小、能效更高(這一點對電池供電的設備尤為重要)的優勢,利用Class D放大器可以設計出更小更薄的電子產品,因此在業界得到普遍認可。

重新思考D類音頻放大器設計

D類音頻放大器憑借其高效率、低功耗的特點,在各種以電池供電的便攜式產品中的應用已經相當普及,例如在手機、PDA、MP3 Player等應用中,以D類取代A/B類放大器的態勢便已相當明顯。然而,目前的Class D放大器是由模擬放大器設計者開發出來的,實際上只是將模擬電路換成數字電路;幾乎沒有工程師考慮過:開關放大器與模擬放大器的工作情況是否相同?
傳統的Class D放大器設計強調錯誤糾正。如果從這一點出發,工程師的方案將按照既定的路線。因此,糾錯電路變得極其復雜,包括DSP、搜尋列表、反饋環(Feedback Loops)等。如今,這樣繁復的過程即將得到解套。在將聲音數字化的過程中,輸入的數字音源往往具有極高的分辨率,一般都是16位或更高質量數字化音頻信息;若僅使用1位的錯誤發生/糾正法則,依賴反饋環加以調制,必然會把偏差錯誤引入系統之中。
反饋環本身并沒有什么問題,問題的關鍵在于調制器—特別是Delta-Sigma調制器,這是一種在發生錯誤時進行糾正的閉環系統。總部設于美國麻省波士頓,在音頻領域擁有20多項專利的無晶圓半導體公司—JAM Technologies,通過其卓越的模擬音質,以更簡易的安裝和較低的價格重新定義了Class D放大器。著眼于市值近23億美元的專用混合信號市場,瞄準數字音源和數字放大器正被廣泛應用的最佳搶進時機,JAM工程師的出發點是:這些設計錯誤是怎樣產生的,能夠被消除嗎?JAM認為,如果能夠消除錯誤的來源,就不必再使用專門的電路來更正這些錯誤。
此外,帶有反饋環的放大器通常還具有一個模擬輸入。這也引發另一個問題:這是一個真正的數字放大器嗎?為此,JAM以創新的開放環架構優化音頻處理器增強效果;基于JAM自行開發的E-Bridge技術、一套名為True Fidelity的全新數字音頻放大器,是一種全新的數字輸入Class D “開放環”放大器,能以Class D放大器的效率實現模擬放大器的音質。JAM的E-Bridge技術可適用于所有的音頻設備,還可用于電機控制系統、調制解調器、電信、通信設備等任何與電源連接、具有高解析率數字信號控制的設備。True Fidelity放大器融合了多種關鍵的技術創新,其中包括:
已獲得專利的同步雙調制(Synchronous Bi-modulation)技術,驅動多水平輸出級而不產生其它調節策略引發的錯誤。這項技術與以往基于Delta-Sigma調制器的Class D設計的不同之處在于,它不在需要反饋環以及錯誤補償電路。
已獲得專利的E-Bridge輸出級,提供比廣泛用于所有其它Class D設備的傳統H-Bridge輸出級更高的分辨率。這是全球首例真正的16bit分辨率數字放大器,可真實重現最先進的數字音頻錄音。
融入電源調節技術(Assimilated power regulation technique)使得OEM能夠使用不經調節的電源,從而減少大容量電容器。

少一層轉換,多一分逼真

由于市場上大多數所謂的“數字”放大器都需要模擬輸入,它們采用來自DSP、CD、DVD或者HDTV接受器的高分辨率的數字信號,然后將信號轉化成模擬信號。額外的電路設備常使得系統成本飆升,且占用大量板上空間(board real estate),而且降低了原始信號的質量(如圖1所示)。而放大器開放環結構一般具有較好的瞬態效應(對音效極為重要),是較為簡單的系統,因此成本較低。較低成本是很重要的因素,尤其在當今利潤極低的電子產品市場。JAM已開發出沒有反饋環的設計結構,這個設計的重要性在哪里?從表面來看,這些放大器沒有什么問題,但其糟糕的音質卻使工程師們大為失望。于是,他們從基本的開關放大器原理出發以考察問題發生的原因,最終認識到潛在的問題來自輸出級本身——就是那個陳舊的H-Bridge架構。一旦他們理解了問題來自于時序分辨率,E-Bridge的方案便顯而易見了。E-Bridge架構可被簡單地描述為2個輸出級共享一個器件(如圖2所示)。通過將輸入的數字數據流分為2個相關的低分辨率數據流,然后在新的輸出級架構分別放大,然后使數據流能夠在揚聲器被匯總,100%重現原始分辨率。

目前常見的Class D的音質情況的確不能令人滿意。但是,JAM放大器真正的輸出分辨率至少達到16位以上,因此所有記錄在CD上的全部細節都能夠被聽到。同時,這種分辨率還允許聽眾充分欣賞Dolby環繞音質、SRS WOW以及THX,其效果與當今流行的高質量音頻來源一樣。這就是JAM所提出的口號:“傾聽被遺失的聲音” (Hear what you’ve been missed)。
是什么因素促使JAM的創立者成立這家從事數字放大器的公司?JAM Technologies首席執行官Michael Holt一言以蔽之:源于音樂及其帶來的機遇。他表示,目前幾乎所有的音頻產品,尤其是音樂產品,都是通過數字技術來錄制、存儲、傳輸和處理。音頻復制的全過程中惟一一個仍然采用模擬技術的部分就是放大器。JAM的創立者認為,僅僅因為放大器采用的是模擬技術,就將一個高分辨率的數字音頻流轉化成模擬形式,這樣的方案本身是矛盾的,并且不利于進一步提高音質。他們還意識到,真正的數字放大器的開發存在著巨大市場商機。故而利用他們在音樂和電子設計方面的廣泛知識來解決存在的問題,并開發出一個針對端對端數字音頻的真正的數字輸入Class D放大器解決方案。

圖1:傳統Class D放大器


圖2:JAM True Fidelity全數字Class D


瞄準A/V市場

隨著A/V行業向完全數字化輸入/輸出格式發展,一套高效的音頻解決方案對于急需加快上市速度和降低邊際成本的制造商具有極大的吸引力。理論上,工作原理近似于交換式電源的D類音頻放大器,其工作效率可以達到100%,即使實際的情況可能因為開關上的導通電阻而略打折扣,但緣于技術本質上的差異,使得D類音頻放大器的工作效率再怎么差強人意,也比傳統的線性放大器來得高出數倍。
高工作效率除了能省下更多電力之外,低芯片溫度也讓系統設計制造商不必在芯片上增加笨重的散熱片,這對于目前流行的平面顯示器應用而言非常關鍵。A/B類放大器所使用的散熱片高度,幾乎就等于整臺平面顯示器的厚度,除非系統制造商愿意犧牲產品的厚度來換取較多的空間,否則D類音頻放大器將是惟一的選擇。所有目前有能力提供D類音頻放大器的半導體供應商,幾乎都看好這個領域,也積極在各主要平面顯示器制造地區布署重兵。


JAM的首個目標市場即鎖定在數字電視制造業。Michael Holt闡述說,長期以來,消費者總是對于新型平面電視機那糟糕的音頻效果表示不滿,電視機制造商們也在尋求更佳的解決方案。JAM的設計很快得到一些亞洲最大的OEM廠商的設計訂單,這表明它對首個目標市場的定位和選擇的正確性。JAM面向中等電力消耗的電子產品,所推出的的第一款芯片──Mozart家族的7W～20W數字輸入音頻放大器,即是專門為數字電視市場設計的。JAM的工程團隊正致力于后續芯片的研究,手機則是JAM下一個目標市場。
接聽電話是手機的基本功能,而且制造商正在將越來越多的聽覺功能整合到手機中。這些手機在降低電能消耗和器件發熱量等方面的要求越來越迫切。在使用過程中聽筒不能發熱,而且必須節省電池電力。數字音頻放大器芯片將是滿足此需求的最佳選擇。MP3播放器和錄音重放等新功能很快將使音質更好的音頻系統成為必不可少的配置。Michael Holt認為JAM具有相應的技術和產品線來把握這個機會。

以更低的系統成本提升輸出音質

高頻噪音、不良的瞬態響應、嚴重的交越失真和糟糕的阻尼因素(指高頻混響聲衰減的總量,它對表現音源的聲場特性起了主導的作用,調節阻尼因素可使聲場重放的深度感得到改變),都是造成音質損害的元兇。對于JAM創新技術的問世將為市場掀起怎樣的漣漪?Michael Holt打個有趣的比喻說: “這就像舍棄蠟燭而選擇電燈泡一樣——使用者必須丟棄所有正在使用的舊東西。”

JAM到目前為止最大的成功在于開發了Class D放大器芯片,將其投放了市場,并取得了設計采納(design win)。使用獨創并獲得專利的交換系統(Switching System),JAM以明顯低于其它解決方案的價格、更小的體積和更低的發熱量實現了可與傳統模擬放大器相媲美的音質。此外,與其它的Class D放大器競爭者相比,JAM的True Fidelity放大器更容易被整合到各類電子產品的設計之中,從而減少了產品造價。
最后,由于在音頻子系統BoM中True Fidelity具有更簡單的設計結構,所要求的外部配件更少;簡單的芯片設計使得系統整合變得十分簡單,并且減少了物料清單(BOM) 成本。與目前市場中成本最低的廠商相比,JAM仍然具有30%的價格優勢。具備了這些壓倒性優勢,JAM正蓄勢待發,希望在Class D放大器行業獲取巨大市場份額,從而使True Fidelity成為消費類電子產品數字放大器芯片開發行業廣泛采用的標準。