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        音頻功放系統前級常見的幾種音量控制方式

        2012-8-23 09:27| 發布者: admin| 查看: 5107| 評論: 0

        摘要:   在音頻功放系統中,音量控制不僅是一個非常重要的功能,而且音量控制電路本身對整個前級音質也有著不可忽視的影響。隨著對音量控制機理認識的不斷深入,高保真前級放大器的音量控制方式幾十年來從傳統的簡單電位 ...

          在音頻功放系統中,音量控制不僅是一個非常重要的功能,而且音量控制電路本身對整個前級音質也有著不可忽視的影響。隨著對音量控制機理認識的不斷深入,高保真前級放大器的音量控制方式幾十年來從傳統的簡單電位器逐漸進化到現代復雜的數字音量控制電路。音量控制到底有何奧秘,各種音量控制方式又有什么特點?本文將試著做一個簡要的介紹。

        傳統電位器

          傳統電位器的優點是使用方便,音量變化連續無跳變。帶馬達的型號可以很容易地實現遙控,價格也便宜。缺點是同步精度差,起始音量附近的同步誤差常常可以高達幾個dB,而且輸出阻抗隨轉動位置而變化,中間位置的附近的高阻抗容易衰減高頻,相互間有限的同步性能往往能使精確的電路平衡性能遭到破壞。可以這樣說,一旦用上這類同步精度有限、輸出阻抗不確定的電位器(哪怕再名貴的品種)的放大器,其性能與Hi-End基本就沒啥關系了。

          即便像日本ALPS公司的RK50系列這樣當今音響電位器中的頂尖產品,在起始位置時的同步誤差也有2dB。

        ALPS RK50 電位器

         

        分檔式電位器

          用高質量波段開關加上分體電阻焊成的分檔式電位器,優點是解決了同步精度問題,觸點材料和開關結構良好時。這種電位器的使用壽命可以遠遠超過普通電位器,由于是以檔位方式改變音量,沒有電位器滑動接觸可能產生的“沙沙”的噪音,能給人聲音干凈、定位準確的感覺,搭配不同個性的電阻時,可能取得不同風格的音色。分檔式電位器的不足首先是無法做到音量的精細調節,通常情況下音量控制至少需要60dB調節范圍,否則無法調低至深夜聽音樂時所需的小音量,而旋轉開關一般也就30至40個檔位,60dB調節范圍平均分配的話,每檔1dB都做不到,為兼顧大音量位置盡可能小的響度跳變,又要滿足足夠輕的最低響度,通常的做法是在最大音量附近的十幾dB范圍以每級以1dB變化,朝下逐漸加大每級的變化量,最小音量附近經常會達到每級2至3dB甚至更大的音量跳變,這就是其音量變化不夠精細的原因所在。與普通電位器一樣,分檔式電位器一般采用左右聲道同軸聯動,在雙單聲道放大器中使用也會遇到兩聲道電路難以徹底分開的頭痛問題,少數放大器不惜費工費時使用同步皮帶來聯動分裝兩處的分檔式電位器,那畢竟是極個別的極端例子,不太容易實現遙控是分檔式電位器的另一不足。

          分檔式電位器完全沒有普通電位器略帶粘滯的的柔順手感,是否適應完全取決使用者的偏好。無論電阻串抽頭方式還是每檔位單獨分壓方式,同時保持電位器輸入和輸出阻抗恒定的問題,在分檔式電位器中依然沒有得到有效解決。從實用角度看,分檔式電位器比較適用于經常處在較高音量位置的小功率放大器。
        一款分檔式電位器

         

        繼電器電控衰減器

          用繼電器加電阻網絡組成的音量控制源自于“電控衰減器”。頻率升至射頻領域后,由于電位器或開關+電阻的方式因阻抗的不確定性和分布參數的影響,在頻率升至幾十兆后,基本上就退出了大幅度調節、控制信號幅度的陣地,取而代之的就是電控衰減器。用繼電器加計權電阻衰減網絡(即每個衰減器的衰減量分別被設計成1dB、2dB、4dB、8dB……)組成的電控衰減器是電控衰減方式之一,它可以方便地安放在最有利于信號途徑的位置,通過電信號控制繼電器來切換衰減網絡,以得到所需的信號幅度。

          如果與標準電控衰減器一樣,每個衰減單元使用特性阻抗恒定的∏或Y型網絡,這種音量控制方式可以得到全音量范圍一致的頻響特性,在任何音量位置保持十分良好的解析度。

          繼電器方式音量控制的優點是,因一組控制信號可以同時控制多個音量單元,很容易實現平衡放大器所需的4聯或更多的多聯同步控制,由于繼電器使用的數量不會像選旋轉開關檔位數量那樣受限制,音量控制的步進量可以做到非常精細。

          作為電控開關的繼電器,除了通過切換計權電阻衰減網絡外,也可與R-2R權電阻網絡組成的數控音量電路完成高性能音量控制。由于繼電器開關觸點電阻低達mΩ級,只要選擇的是低非線性觸點的信號切換繼電器,配合高精度計權衰減網絡或R-2R權電阻網絡,都可能實現靜態性能堪稱卓越的極品級音量控制性能。

          如果僅僅是用繼電器來替代旋轉開關接通一個電阻串上的抽頭,或切換不同的分壓電阻對,這時的繼電器控制音量除了可以比開關方式縮短信號路經及便于左右聲道分開獨立安裝外,在提升音質方面不具有實質性的改善。

          旋轉開關方式的音量控制器,無論觸點是先斷后通式還是先通后斷式,都無法避免在切換過程中音量偏離下一檔位的準確值,先通后斷式情況還好一點,用先斷后通式開關時,音量將經歷“有—無—有”的巨變過程,在這樣的情況下那怕焊上的是再名貴的電阻,調節音量時對音樂的破壞與一個沙沙作響的破電位器幾乎不分仲伯。提出旋轉開關式音量的這個短處,是為了解釋繼電器音量控制器的類似缺憾,因為不同繼電器交替時,也有短時間的音量突變,當有聽者靜心聆聽時,這種音量突變幾乎可以打斷聽者心中流淌著的音樂旋律,很是煞風景。可能正是這種可能破壞旋律的固有瑕疵,在真正的Hi-End產品中,幾乎難尋這種性能可能達至卓越程度的繼電器方式音量控制的蹤影。

        Ladder接法繼電器電控音量

         

        電子音量控制器

          非機械接點切換的音量控制可統一歸入電子音量,其方式繁復多樣,性能魚龍混雜,到目前為止,性能最差和最頂級的都在其中。

          電子音量控制的出現比電位器晚得多,最早被大量使用是在電視機的芯片中,被稱為直流音量控制。它用一個電位器改變送入芯片的直流控制電壓來改變芯片中放大器的工作,從而控制其增益,達到音量控制的目的。這種音量控制方式可以避免音頻信號線往返通過電磁干擾嚴重的機內空間,大幅降低受干擾的機會,有其特殊的存在價值。因為改變工作點的同時不可避免地引入附加的非線性失真,直流音量控制對是音質最差的電子音量方式,只有電視機、收錄機、低檔汽車音響等對聲音質量要求不高的產品在大量使用。直流音量控制的大批量使用及其低劣的音質,是造成人們對電子音量方式普遍印象不好的主要原因。

          性能比較好的電子音量是電子電位器,其基本方式是用電子開關對衰減量按dB分配的電阻串的抽頭進行切換,可用分立元件組成,也有被集成在芯片之中的,與繼電器切換的步進式音量相比,電子開關的切換速度可以達到ns級,比繼電器的ms級速度要快上好幾個數量級,聽感上沒有音量斷續的感覺。高級的集成音量控制芯片,如TI公司的PGA2320等類似的芯片在降低音量的同時還能同時切換芯片內放大器的負反饋量,以達到更低的噪聲輸出。像PGA2320這種數控模擬電子音量芯片目前已經可以達到的性能是:音量控制范圍+31.5dB至-95.5dB ,0.5dB步級,0.0003%THD+N(1KHz),動態范圍120dB,兩聲道間串擾-126dBFS。從性能指標來看,這種電子音量芯片低同步誤差、性能永久不變的特點,就足以使絕大多數機械電位器顯得落后一大截。串行數據控制的電子音量芯片在微處理機的控制下,可以實現的精細音量遙控、開機音量預設、音量淡入淡出、靜音衰減量預設等眾多方便實用的功能,更是傳統電位器所無法望其項背。強大的操控性能加上良好的音質表現,已使商品化的數控模擬電子音量芯片在Hi-End放大器中的頻頻現身顯得十分順理順章。

          迄今為止,最高級的音控形式,當屬各方面性能都趨于完美的R-2R權電阻網絡構建的音量控制。這種音控方式源自于D/A轉換器,阻抗恒定的R-2R權電阻網絡使得這種音控方式成為目前唯一實現頻率特性與音量位置無關并得到實際應用的理想音控方式。為便于討論,我們暫且稱這種由R-2R權電阻網絡為主組成的音量控制器為D/A式音量控制。在D/A式音量控制中,輸入的音頻電壓首先被轉換為按照二進制權重等比例遞減的音頻電流(V-I轉換),然后通過外部控制數據來切換R-2R權電阻網絡的合成輸出電流,最后再通過高性能放大器把音頻電流再轉換成音頻電壓(I-V轉換),完成近乎理想的音頻電壓幅度調節。音頻信號被轉換成電流后,在低阻抗R-2R網絡中進行音量變換時不會再受外部干擾,因此能保持極高的信號純度。D/A式音量控制沒有信號時有宛如深海般的寂靜,不像普通電位器,用手稍稍接近都能在喇叭中聽到哼哼作響的干擾聲。在D/A式音量控制器中,音量的最小變化量取決于控制位數,10比特時,可以實現1024級音量變化。與傳統電位器相比,D/A式音量控制器的音質與音量位置高低完全無關,即便在很小音量位置,也能傳送出非常豐富的細節,保持飽滿豐潤的音色。

          D/A式音量方式出現后,有實力的Hi-End廠家都早早地把音量控制技術之爭的主戰場紛紛移至研究方式各異的D/A式音量,在沿用傳統電位器的低端廠家面前迅速形成聲音品質上的鴻溝,不動聲色地擺脫競爭上的糾纏。可憐處于技術低端的廠家就只能用購買越來越昂貴的電位器型號,試圖讓人相信其產品音質還在隨之提高,可惜再昂貴的電位器也無法克服其機理上的缺陷,音量從高調低時音色隨之晦澀、音場隨之收縮的狀況與用D/A音量的產品始終陽光般開揚的音色對比,猶如惡夢纏繞,揮之不去,成為很多廠家壓在心頭的難言之痛。

          D/A式音量控制器的缺點是高成本,為控制和顯示音量值,需要有顯示器件和微電腦芯片協同工作,技術難度高,在DIY領域基本上了無蹤跡,鮮為人知。

        hifime PGA2310 音量控制板

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