2010年1月14日 星期四

Class D for woofer, Class A for tweeter

最近D類擴大機開始進入HiFi市場,許多知名的超高價老牌都推出D類擴大機。
D類擴大機設計上的麻煩之處在,為了降低開關雜訊,必須盡可能拉高工作頻率,
然而工作頻率太高,成對的MOSFET開關時的時間差可能導致某些時候電壓直接打穿過MOSFET!
為了避開這問題,必須讓二個MOSFET開關時間有點差異,所謂的dead time;
而這dead time越長,等於在音樂訊號中插入越多的雜訊,這就不怎麼HiFi了...
這怎麼辦?


前幾年,D類擴大機通常運用在超低音上,正因為音樂訊號頻率低,相對之下,擴大機的工作頻率也可以壓低,便能避開上述的問題。
如今改用在主聲道上,音樂訊號由100Hz拉高到20KHz,甚至SACD的100KHz,
工作頻率必須是20倍以上,這可就難了...

然而這設計的前提是,為了全音域的擴大機,也就是市場主流的產品形式,
倘若是內置擴大機的主動式喇叭呢?或是喇叭每路單體個別用一組擴大機推呢?
那麼或許可以用D類擴大機推中低音路單體,高音路單體用A類或AB類推。
如此一來,便較容易設計與製造一部高品質的D類擴大機,善用D類擴大機容易做到高功率與相對低非常多的成本;小體積也便於塞在喇叭之內,高效率也有利於此;
而高音部份佔音樂比例本就低許多,所需的功率也不大,採用A類或AB類,也不會有太高的成本。
這組合或許能兼顧成本與品質吧...

那麼,這高低音擴大機的功率比例是?
這問題的前提是,單體的靈敏度差異?
以Seas Excel系列為例 http://www.seas.no/index.php?option=com_content&task=view&id=32&Itemid=43
高音單體靈敏度約為低音單體+3dB以上。
另一個參數,音樂中高低音peak的比例?
隨意取了幾首各式各樣不同類型的音樂,以low/high pass filter處理,
設若分頻點在3KHz,則高音的peak都在低音peak的-3dB以下,
差異最小的是電子樂,一般pop歌曲、Jazz、小提琴獨奏都在-10dB以下;
二者總和,高音擴大機輸出峰值電壓只需要是低音擴大機的-6dB,換成功率為1/4。
而且,因為擴大機直接推喇叭單體,並無crossover filter電路的損耗,所需之功率也較小。

舉例來說,假設聆聽位置距離喇叭3m,需求的聆聽位置最高音壓為100dB SPL,低音單體靈敏度88dB,則所需之擴大機功率為143W。
而高音單體靈敏度91dB,最高音壓只需97dB SPL,則所需之功率只要36W!
36W的A/AB類擴大機,這可比做一隻143W的A/AB類擴大機容易太多,成本低太多了~
而143W對D類擴大機而言,實在是小事~

倘若高音採用號角設計呢?那麼靈敏度又會高上一截~
假設號角增加6dB靈敏度,以上例而言,所得靈敏度為97dB,那所需之擴大機功率為9W!
縱使採用單端A類設計,電源電壓只需要+-12.6V,雙聲道總消耗功率也不過72W,約當一個鎢絲燈泡而已~

當然,有個必須處理的問題,相位。
若是低音部份的propagation delay較高音小,那倒是挺好處理,只需要在低音擴大機加些數位delay便可;
若反之,那就麻煩囉...
似乎,後者的可能性比較大...
A類擴大機電路大略為差動輸入級->偏壓級->驅動級->輸出級,propagation delay相當小;
D類擴大機電路大略為差動輸入級->參考三角波比較級->驅動級->輸出級,參考三角波比較級會引入較高之propagation delay!

這該怎麼解?
或許可以考慮以單體相對位置來處理,若高音單體退後20cm(一般箱體都比這值深),這約等於0.58ms的延遲,這延遲量夠嗎?
以低音單體的最高工作頻率3KHz來說,取D類擴大機工作(開關)頻率為20倍,亦即60KHz,每個cycle為0.0166ms,
0.58ms等於35cycle,這非常長囉~參考三角波比較級應該不可能導致這麼長的dealy。
藉由高音單體後退,加上D類擴大機數位delay微調,此法應該可以解決相位問題...

沒有留言:

張貼留言