基于高通 QCC5181 aptX adptivite 24 bit-96KHz/Lossless藍牙擴大機方案


基於高通 QCC5181 aptX Adaptive 24-bit/96KHz/Lossless 的發燒級藍牙擴大機方案
在當今追求極致無線音訊體驗的時代,藍牙技術已不再是音質妥協的代名詞。隨著高通(Qualcomm)aptX Adaptive 音訊編解碼技術的日趨成熟,以及其最新晶片解決方案的推出,打造一臺兼具便利性與發燒級音質的藍牙擴大機已然成為可能。本文將深入探討一個基於高通最新旗艦級音訊系統單晶片(SoC)——QCC5181,實現 aptX Adaptive 24-bit/96kHz 及 Lossless 無損音質傳輸的高傳真藍牙擴大機方案。我們將從核心晶片的功能特性出發,詳細剖析週邊關鍵元器件的選型考量、器件作用、功能詳解以及為何如此選擇,旨在為音響設計工程師及資深音響愛好者提供一份兼具深度與廣度的技術藍圖。本方案的目標是打造一臺在無線連接下,音質表現能與傳統有線高解析度音源相媲美的頂級藍牙擴大機,滿足最挑剔的耳朵對聲音細節、動態與情感的極致追求。
核心引擎:Qualcomm QCC5181 系統單晶片 (SoC)
本方案的心臟是高通公司推出的 QCC5181 超低功耗藍牙音訊SoC。選擇 QCC5181 作為整個系統的起點,是基於其在當前市場上無與倫比的技術規格與整合度。QCC5181 隸屬於高通QCC51xx系列中的頂級產品,專為需要卓越音質、強大功能和持久續航的音訊設備而設計。它不僅僅是一顆藍牙接收晶片,更是一個高度整合的音訊處理平臺。
在核心的藍牙音訊傳輸能力上,QCC5181 支援最新的藍牙 5.4 規範,確保了更快速、更穩定、更遠距離的無線連接。然而,其真正的魅力在於對高通 Snapdragon Sound? 技術套件的全面支援,其中包含了我們方案的核心——aptX Adaptive 編解碼技術。aptX Adaptive 能夠動態地調整位元率,以適應不同的射頻(RF)環境。在訊號良好的環境下,它可以將位元率提升至最高水平,支援高達 24-bit/96kHz 的高解析度音訊串流,實現了比傳統SBC、AAC甚至aptX HD更為豐富的聲音細節和更寬廣的頻率響應。這種高解析度模式對於還原錄音室母帶級的音質至關重要,能夠捕捉到音樂中最細微的泛音和動態變化。更令人振奮的是,QCC5181 同時支援 aptX Lossless 技術。當與同樣支援 Snapdragon Sound 的訊源設備(例如搭載最新 Snapdragon 處理器的高階智慧型手機)配對時,aptX Lossless 能夠以數學上無損的方式傳輸 CD 品質的 16-bit/44.1kHz 音訊。這意味著,使用者可以透過藍牙享受到與實體CD完全一致的音質,徹底消除了壓縮音訊所帶來的資訊損失,這對於追求原音重現的發燒友而言,是一個革命性的突破。
從處理能力來看,QCC5181 內部採用了強大的四核心處理器架構,包括一個高達 80MHz 的應用處理器雙核心子系統,以及兩個高達 240MHz 的可程式化 Qualcomm Kalimba? DSP 音訊子系統。如此強悍的運算能力,不僅能輕鬆應對 aptX Adaptive 和 Lossless 的複雜編解碼運算,還為未來的功能擴展,例如等化器(EQ)調整、數位分音、空間音效處理等,預留了充足的性能裕量。設計者可以利用其靈活的軟體開發套件(SDK)和強大的 DSP 功能,客製化獨特的音效演算法,打造出具有品牌特色的聲音簽名。
再者,QCC5181 提供了豐富的數位音訊介面,這是它能夠與外部高性能數位類比轉換器(DAC)無縫接軌的關鍵。它支援標準的 I2S(Inter-IC Sound)和 SPDIF 數位音訊輸出,最高可支援 192kHz/24-bit 的規格。I2S 介面是本方案的首選,因其將時脈訊號(BCLK、LRCK)與數據訊號(DATA)分離傳輸,相比於需要額外編解碼的 SPDIF,I2S 的架構更為直接,能有效降低時脈抖動(Jitter)對音質的影響。QCC5181 的 I2S 介面可以被配置為主模式(Master Mode)或從模式(Slave Mode),這為系統設計提供了極大的靈活性。在本方案中,我們傾向於將 QCC5181 設置為主模式,由其內部高精度的時脈產生器生成主時脈(MCLK)以及 I2S 所需的位元時脈和聲道時脈,直接驅動後端的 DAC 晶片。這樣的設計可以簡化系統時脈架構,避免多個時脈源之間的干擾。
QCC5181 的超低功耗特性也是一個不容忽視的優點。即便在處理高解析度音訊時,其先進的製程和電源管理架構也能將功耗維持在極低水平。這對於設計一款需要長時間待機和播放的家用擴大機而言,同樣具有重要意義,有助於降低整機的靜態功耗和發熱量,提升產品的穩定性和使用壽命。
選擇 QCC5181 作為本方案的核心,是因為它完美地契合了我們對極致無線音質的追求。它提供的 aptX Adaptive 24-bit/96kHz 和 Lossless 技術是實現高傳真音訊的基礎;其強大的處理能力為音質優化和功能擴展提供了無限可能;其靈活的 I2S 數位音訊介面是連接後級發燒級解碼電路的橋樑;而其低功耗特性則保證了整個系統的高效與穩定。可以說,QCC5181 為我們打造頂級藍牙擴大機奠定了最堅實的技術基石。
數位靈魂的精準詮釋:數位類比轉換器 (DAC) 選型
如果說 QCC5181 是擴大機的大腦,那麼數位類比轉換器(DAC)就是這臺機器的靈魂。DAC 的核心職責是將來自 QCC5181 的 I2S 數位音訊串流,精準無誤地轉換為類比音訊訊號。這一環節的性能,直接決定了最終聲音的解析度、動態範圍、訊噪比以及音色的準確性。為了匹配 QCC5181 的 24-bit/96kHz 輸出能力,並追求極致的發燒級音質,我們必須選擇業界公認的頂級高性能 DAC 晶片。經過深入的市場調研和技術評估,我們篩選出三款極具代表性的候選型號:Texas Instruments (TI) PCM1794A、ESS Technology ES9038Q2M 以及 Asahi Kasei Microdevices (AKM) AK4493S。
我們的首選是 Texas Instruments PCM1794A。這款 DAC 在高傳真音響領域享有盛譽,被譽為一代經典,至今仍是許多頂級音響器材的核心選擇。選擇 PCM1794A 的理由極其充分。首先,其核心架構採用了 TI 獨特的 Advanced Segment DAC 技術,結合了傳統 R-2R 梯形網路和單位元調變器的優點,能夠在極寬的動態範圍內實現超低的失真。其規格參數極為出色,在單聲道模式下(本方案可採用兩顆 PCM1794A 分別處理左右聲道,以達到最佳性能),動態範圍(Dynamic Range)高達驚人的 132dB,總諧波失真加噪聲(THD+N)則低至 0.0004%。如此卓越的指標,意味著它能夠還原出極其純淨、背景漆黑的聲音,同時在處理大動態音樂片段時,從最微弱的細節到最爆棚的樂章都能應付自如,絕無壓縮感。其次,PCM1794A 是一款純粹的電流輸出型 DAC。電流輸出型 DAC 的優點在於其內部類比電路可以工作在一個更為線性的狀態,從而獲得更低的失真。雖然這要求外部必須設計一個高品質的電流-電壓(I/V)轉換電路,但這也為設計師提供了更大的發揮空間,可以透過精心挑選的運算放大器(Op-Amp)和被動元件來對音色進行精細的調校,打造出獨特的聲音風格。再者,PCM1794A 支援高達 200kHz 的取樣率和 24-bit 的數據深度,完全滿足 QCC5181 輸出的 96kHz/24-bit 規格,並留有相當大的餘裕。其 I2S 介面相容性良好,可以輕鬆地與 QCC5181 對接。總結來說,選擇 PCM1794A,就是選擇了一種不妥協的、追求極致類比味道和音樂性的設計路線。它或許需要更為考究的週邊電路設計,但其潛力一旦被完全挖掘,所能呈現的聲音質感和音樂感染力是無與倫比的。
第二個備選方案是 ESS Technology ES9038Q2M。ESS Sabre 系列 DAC 以其極高的解析度和銳利的聲音線條而聞名,ES9038Q2M 則是其行動和消費級產品線中的旗艦型號。選擇它的理由在於其高度整合的先進技術和同樣頂尖的性能指標。ES9038Q2M 內部搭載了 ESS 專利的 32-bit HyperStream? II DAC 架構和時域抖動消除器(Time Domain Jitter Eliminator)。這項抖動消除技術尤為關鍵,它能夠主動抑制來自前端數位源(包括 QCC5181)的時脈抖動,確保 DAC 在轉換時使用的是一個極其穩定的內部時脈,從而顯著提升聲音的清晰度和聲場的穩定性。在規格上,ES9038Q2M 的動態範圍可達 128dB,THD+N 則低至 -120dB,性能直逼 PCM1794A。與 PCM1794A 不同的是,ES9038Q2M 是一款電壓輸出型 DAC,並內部整合了高品質的輸出放大電路。這大大簡化了後級類比電路的設計複雜度和成本,設計師無需再為 I/V 轉換電路費心,可以直接將其輸出連接到後級的濾波和緩衝級。此外,ES9038Q2M 提供了極為豐富的數位處理功能,例如多種可選的數位濾波器滾降特性(fast/slow roll-off),設計師可以藉此微調聲音的瞬態響應和聽感,以適應不同的音樂類型和個人偏好。它還支援 I2C 介面進行軟體控制,可以實現更為複雜的功能,如音量控制、聲道平衡等。選擇 ES9038Q2M,代表著一種追求現代、高解析、高整合度和功能性的設計思路,它能夠以更低的設計門檻,實現極高水準的聲音表現。
第三個選擇是 Asahi Kasei Microdevices (AKM) AK4493S。AKM 的 DAC 一向以其溫潤、自然的「絲絨之聲」(VELVET SOUND)而備受推崇。AK4493S 作為其新一代的旗艦型號,繼承並發展了這一聲音哲學。它採用了最新的 VELVET SOUND | VERITA? 架構,致力於在提供高規格參數的同時,還原出最真實、最富音樂性的聲音。其動態範圍和訊噪比可達 123dB,THD+N 為 -113dB,雖然在極限參數上略低於前兩者,但其獨特的音色魅力是其最大的優勢。AK4493S 在設計上特別注重降低帶外噪聲,其獨有的 OSR-Doubler 技術使其能夠在寬廣的頻寬內保持極低的噪聲水平,這使得其聲音背景非常寧靜,樂器質感和人聲情感的刻畫尤為細膩動人。與 ES9038Q2M 類似,AK4493S 也提供了多種數位濾波器選項,並支援 I2S、DSD 等多種數位輸入格式,相容性極佳。AKM 的晶片在電源設計上也有其獨到之處,對電源的純淨度要求極高,但一旦提供了優質的供電,其回報的聲音品質也是非常驚人的。選擇 AK4493S,更多的是一種對特定音色美學的追求,它旨在打造一臺聲音不僅僅是「高傳真」,更是「悅耳動聽」、充滿情感溫度的擴大機。
最終,在本方案中,我們將以 TI PCM1794A 作為首選進行後續的詳細設計闡述。原因是,它的電流輸出架構給予了我們在類比電路設計上最大的自由度和最高的潛力上限,最符合我們打造一臺不計成本、追求極致音質的發燒級產品的初衷。我們將採用兩顆 PCM1794A 構成單聲道(Mono)模式,將左右聲道的數位訊號分離處理,徹底杜絕聲道串擾,最大化其 132dB 的動態範圍性能。這將為後續的類比電路設計提出更高的要求,但也正是這些細節的堆砌,才得以鑄就真正的頂級音響器材。
類比訊號的精雕細琢:I/V轉換、濾波與前級放大電路
在選定 TI PCM1794A 這顆電流輸出型的頂級 DAC 之後,後續的類比電路設計便成為了決定最終音質成敗的關鍵戰場。這部分電路的核心任務有三:首先,是進行電流-電壓(I/V)轉換,將 PCM1794A 輸出的微弱差分電流訊號,無損地轉換為電壓訊號;其次,是進行低通濾波(LPF),濾除 DAC 轉換過程中產生的帶外數位噪聲和鏡像頻帶,確保輸出純淨的音訊訊號;最後,是進行適當的緩衝和前級放大,為後級功率放大器提供一個具有足夠驅動能力和合適電平的音訊訊號。這整個環節對元器件的選擇極為苛刻,尤其是核心的運算放大器(Op-Amp)。
在運算放大器的選型上,我們必須聚焦於那些專為高傳真音響設計的、具有超低噪聲、超低失真、高轉換速率(Slew Rate)和寬頻寬特性的型號。這些特性確保了訊號在放大和處理過程中,不會引入額外的噪聲和失真,並且能夠完美地處理高解析度音訊所包含的豐富瞬態細節。
我們的首選運算放大器是 Texas Instruments OPA1612。這是一款來自 TI Burr-Brown 產品線的雙通道、雙極性輸入(Bipolar-Input)音訊運算放大器,專為專業音訊設備和高傳真音響而生。選擇 OPA1612 的理由堪稱典範。第一,它的噪聲指標達到了驚人的 1.1 nV/√Hz,這是一個極低的電壓噪聲密度,意味著它在放大微弱訊號時幾乎不會引入任何可聞的背景 hiss 聲,這對於提升系統的整體訊噪比、還原漆黑的音樂背景至關重要。第二,其失真度同樣處於業界頂尖水平,在 1kHz 時的 THD+N 低至 0.000015%。如此低的失真,保證了音訊訊號在經過放大後依然保持極高的純淨度,不會產生音染,忠實還原錄音本來的面貌。第三,OPA1612 具有高達 80MHz 的增益頻寬積和 27V/μs 的轉換速率。這保證了它在處理 96kHz 高取樣率訊號時,依然有足夠的頻寬和速度,能夠精準地跟隨訊號的快速變化,從而帶來清晰、準確、毫不拖泥帶水的瞬態響應。此外,其 ±2.25V 到 ±18V 的寬工作電壓範圍,也為我們設計高性能的 ±15V 發燒級類比供電電路提供了便利。在本方案中,我們將使用一顆 OPA1612 來負責一個聲道的差分 I/V 轉換。由於 PCM1794A 輸出的是差分電流(IoutP 和 IoutN),使用 OPA1612 搭建差分 I/V 轉換電路,可以最大化地利用差分訊號的共模抑制特性,有效抵抗來自電源和外部的共模干擾。
緊隨其後的是低通濾波(LPF)和緩衝級。LPF 的作用是濾除 DAC 輸出中殘留的高頻量化噪聲,其截止頻率的設定和濾波器的階數需要精心設計,既要有效濾除噪聲,又要避免對音訊頻帶內的相位造成過大影響。我們通常會採用一個二階或三階的巴特沃斯(Butterworth)或貝塞爾(Bessel)濾波器。在這裡,我們推薦使用另一款傳奇級的運算放大器:Burr-Brown OPA2134。OPA2134 是一款專為音訊應用優化的 FET 輸入型運算放大器,以其溫暖、醇厚、富有音樂味的聲音而聞名。儘管其噪聲(8 nV/√Hz)和失真(0.00008%)指標不如 OPA1612 極致,但其 JFET 輸入級帶來的極高輸入阻抗和獨特的音色,使其非常適合做為 LPF 和前級緩衝。JFET 輸入可以最大程度地減輕對前級 I/V 轉換電路輸出的負載效應,保持訊號的完整性。OPA2134 的聲音特性與 OPA1612 的精準、中性形成了一種互補,前者負責在 LPF 級別對聲音進行適度的潤色,增添一絲模擬韻味,而後者則在 I/V 轉換的最前端保證了絕對的忠實。這樣的搭配,可以在保證極高素質的前提下,獲得更為悅耳、耐聽的聲音。
另一個備選方案是來自 Analog Devices 的 AD8620。這同樣是一款高精度的 JFET 輸入運算放大器,其特點是兼具了極低的電壓噪聲(6 nV/√Hz)和極低的輸入偏置電流(最大 10pA)。AD8620 的聲音風格被認為介於 OPA1612 的極致解析和 OPA2134 的溫暖之間,表現出非常好的平衡感,聲音既精確又流暢。它同樣非常適合用於 I/V 轉換或 LPF 電路中。
在被動元件的選型上,同樣不能有絲毫馬虎。在 I/V 轉換電路中,作為回授電阻的元件,其精度和溫度穩定性直接影響到轉換的準確性。我們會選用千分之一精度(0.1%)的低溫漂(TCR)金屬膜電阻,例如 Vishay Dale 的 CMF 系列或 Susumu 的 RG 系列。而在 LPF 電路中,決定濾波特性的電容,其品質對音質影響巨大。我們會優先選用專為音訊設計的薄膜電容,例如 WIMA FKP2 或 MKP10 系列聚丙烯薄膜電容。它們具有極低的介電損耗(DF)、高絕緣電阻和穩定的電容值,能夠確保濾波網路的準確性,並避免引入音染。在訊號通路的耦合電容(如果需要)以及運算放大器的電源去耦電容上,我們會使用音響專用的電解電容,例如 Nichicon Muse KZ 系列或 Elna Silmic II 系列。這些電容使用特殊的電解液和結構設計,旨在降低等效串聯電阻(ESR)和等效串聯電感(ESL),提供更為純淨、快速的電源供應,其獨特的音色也能對系統的最終聽感產生積極的影響。
綜上,類比電路部分是一個系統工程。我們以 TI PCM1794A 為核心,前端採用極致精準的 OPA1612 負責關鍵的 I/V 轉換,確保訊號的原始純淨度;後端則搭配富有音樂味的 OPA2134 進行低通濾波和緩衝,賦予聲音溫潤的質感。在每一個訊號流經的路徑上,都 meticulously 挑選頂級的被動元件,從精密電阻到音訊薄膜電容、專用電解電容,每一個細節都為最終的發燒級音質服務。正是這種對類比電路近乎苛刻的雕琢,才使得 QCC5181 傳來的數位訊號,能夠真正地昇華為感動人心的音樂。
澎湃動力的源泉:功率放大級設計
功率放大級是整個擴大機方案的最後一環,也是將前級處理好的精細類比訊號,轉化為足以驅動揚聲器發出洪亮而清晰聲音的關鍵。這一級的設計目標是在提供充足輸出功率的同時,保持極低的失真和噪聲,並且擁有良好的負載驅動能力和控制力。在現代高效率音響設計中,D類(Class-D)放大器因其極高的轉換效率(通常大於90%)和不斷提升的音質表現,已經成為主流選擇,尤其適合於需要強大功率輸出的緊湊型設計。
針對本方案發燒級的定位,我們將重點考察幾款來自業界領導者的高性能 D 類放大器 IC。我們的首選是 Texas Instruments TPA3255。這是一款性能極其強悍的高性能 D 類功率放大器,被廣泛應用於眾多中高階的家用音響、專業音響和發燒級 DIY 專案中。選擇 TPA3255 的理由是其在功率、效率和音質之間取得了絕佳的平衡。首先,在功率輸出方面,TPA3255 的能力非常驚人。在 BTL(橋接負載)立體聲配置下,當電源電壓為 51V 時,它可以向 4Ω 負載提供每聲道高達 315W 的峰值功率(10% THD+N),或是在 1% THD+N 的較低失真下,提供每聲道 260W 的持續功率。即便是面對 8Ω 負載,也能提供 150W 的高品質功率輸出。如此強大的功率儲備,意味著它能夠輕鬆應對市面上絕大多數的書架喇叭甚至中小型落地喇叭,從容不迫地還原音樂中的巨大動態,帶來身臨其境的聽覺衝擊力。
其次,也是最為重要的一點,是 TPA3255 的音質表現。它採用了 TI 的 PurePath? Ultra-HD 技術,透過先進的集成反饋設計和專有的高速柵極驅動器錯誤校正功能,顯著降低了傳統 D 類放大器在高頻段的失真。其 THD+N 在 1W/4Ω 時低至 0.006%,即使在大功率輸出時也能將失真控制在極低的水平(<0.01%)。這使得 TPA3255 的聲音表現擺脫了早期 D 類放大器常有的生硬、數碼感,呈現出非常接近甚至超越某些傳統 AB 類放大器的細膩度和溫暖感。其高達 100kHz 的訊號頻寬,也完全能夠覆蓋高解析度音訊的全部頻譜。其高達 111dB 的訊噪比(SNR)和低於 85μV 的輸出噪聲,確保了在靜謐的音樂段落中,背景依然純淨無暇。
第三,TPA3255 的高效率特性(4Ω 負載下可達90%)意味著大部分的電能都被轉換為聲音能量,而非熱量。這大大降低了對散熱系統的要求。在合理的設計下,僅需一塊中等大小的散熱器即可保證其長時間穩定工作,這對於產品的體積控制和可靠性都大有裨益。此外,TPA3255 整合了完善的保護電路,包括欠壓保護、過壓保護、輸出削波檢測、短路保護和過熱保護,極大地提高了產品的安全性,簡化了設計。
另一個優秀的選擇是 Infineon MERUS? MA12070P。這是一款專為高效率、高品質音訊應用設計的多級(Multi-level)D 類放大器。MA12070P 的最大特點是其採用了英飛凌專有的多級交換技術。相比於傳統的兩級(開/關)PWM 調變,多級調變能夠產生更接近原始類比波形的輸出訊號,這意味著它可以在無需輸出濾波電感或僅需非常小的濾波元件的情況下,實現極低的電磁干擾(EMI)和極高的效率。這對於簡化 PCB 佈局和降低系統成本非常有幫助。MA12070P 支援 I2S 數位音訊直接輸入,這意味著它可以繞過前級的 DAC 和類比放大電路,直接接收來自 QCC5181 的數位訊號。這種「全數位」的訊號路徑可以從理論上避免類比環節可能引入的失真和噪聲。然而,這也意味著系統的音質將完全取決於 MA12070P 內部的數位處理和調變品質。在功率方面,MA12070P 在 26V 電源和 4Ω 負載下可提供每聲道 80W 的峰值功率,適合中等功率需求的應用,例如高階藍牙喇叭或桌面擴大機。其音質表現同樣出色,SNR 大於 101dB,THD+N 也保持在非常低的水平。選擇 MA12070P 代表了一種更為現代、更追求效率和整合度的設計思路。
對於本方案,我們依然以追求極致性能為首要目標,因此將圍繞 TI TPA3255 進行設計。我們將採用其立體聲 BTL 配置,搭配高品質的週邊元件。在 TPA3255 的輸出端,LC 低通濾波器的設計至關重要。電感需要選用專為 D 類放大器設計的、具有低直流電阻(DCR)和高飽和電流特性的屏蔽式功率電感,以避免磁飽和導致的失真和效率下降。電容則應選用具有低 ESR 和高耐壓的薄膜電容,例如聚丙烯(Polypropylene)電容,以確保濾波網路的性能。輸入端的耦合電容(如果設計需要)同樣會選用 WIMA 或同等級的音訊薄膜電容,以保證訊號的純淨傳輸。整個功率級的佈局將嚴格遵循對稱、最短路徑原則,將功率地和訊號地分開,以獲得最佳的性能和信噪比。通過精心設計,基於 TPA3255 的功率級將成為一臺名副其實的猛獸,既有雷霆萬鈞之力,又不失抽絲剝繭之細,完美釋放來自前端高解析度音源的每一個音符。
純淨之基石:電源供應系統設計
在任何高傳真音響系統中,電源供應系統都扮演著至關重要的角色,它是一切好聲音的基礎。一個設計精良的電源系統,必須能夠為各個功能區塊提供持續、穩定、純淨且互相隔離的電力,以確保它們都能工作在最佳狀態。對於我們這臺基於 QCC5181 和 TPA3255 的擴大機而言,電源設計需要同時滿足數位電路、高精度類比電路和高功率放大電路這三種截然不同但同樣苛刻的需求。因此,我們必須採用多路、多級穩壓的複雜供電方案。
首先,我們需要將市電(AC)轉換為系統所需的直流電(DC)。這一步通常由一個高品質的環形變壓器或開關電源模組(SMPS)完成。對於追求極致音質的發燒級設計,環形變壓器是傳統上的首選。相比於普通的 EI 型變壓器,環形變壓器具有更高的效率、更低的磁漏(stray magnetic field)和更小的機械震動。極低的磁漏意味著它對週邊敏感的類比電路產生的電磁干擾(EMI)更小,這對於維持系統的低噪聲背景至關重要。我們會選擇一個具有多個次級繞組的環形變壓器,例如提供一組高功率繞組(如 36V AC)給功率放大級,以及一組或多組低功率繞組(如雙 18V AC)給類比前級電路。變壓器的功率需要留有充足的餘量,通常建議是功放額定總功率的 1.5 到 2 倍,以確保在大動態輸出時不會出現電壓跌落。
接下來是整流濾波電路。從變壓器次級繞組出來的交流電需要經過整流橋轉換為脈動直流電,然後再由大容量的濾波電容進行平滑。整流橋我們會選用高速、低壓降的肖特基二極體或快速恢復二極體,以降低開關噪聲。而濾波主電容的選型則至關重要。對於 TPA3255 的功率級,我們需要一個大容量的電容陣列,總容量通常在 20000μF 甚至更高,以提供充沛的瞬間電流供應能力。我們會選用音響專用的高品質大容量電解電容,例如 Nichicon KG Gold Tune 系列或 Mundorf M-Lytic AG 系列。這些電容不僅容量足,更重要的是它們具有極低的 ESR 和 ESL,能夠在極高的頻率下依然提供純淨的電流,確保功放的低頻下潛和控制力。在這些大電容旁邊,還會並聯一些小容量的薄膜電容(如 WIMA MKP10),以濾除更高頻的噪聲,形成一個全頻段的低阻抗電源。
有了初步的直流電後,我們需要為不同部分提供精密的穩壓電源。對於 QCC5181 數位核心(通常需要 3.3V 或 1.8V)和週邊數位電路,我們可以使用高效的降壓型(Buck)DC-DC 轉換器來初步降低電壓,然後再經過一級超低噪聲的線性穩壓器(LDO)進行精細穩壓。
對於最為敏感的類比前級電路,包括 DAC(PCM1794A 需要 +5V 類比和 +3.3V 數位電源)和運算放大器(我們設計為 ±15V),電源的純淨度是第一要務。在這裡,我們絕不能使用開關電源,而必須採用高性能的線性穩壓方案。我們的首選是 Texas Instruments TPS7A4700(正電壓)和 TPS7A3301(負電壓)這對超低噪聲 LDO。TPS7A4700 的輸出電壓噪聲低至驚人的 4.17μV RMS (10Hz to 100kHz),並且具有極高的電源紋波抑制比(PSRR),在 1kHz 時高達 78dB。這意味著它能夠極大地衰減來自前端整流濾波電路的紋波和噪聲,為 DAC 和運算放大器提供近乎電池般純淨的直流電。TPS7A3301 作為其負電壓搭檔,同樣擁有出色的性能。使用這對 LDO 為我們的 OPA1612 和 OPA2134 運算放大器提供 ±15V 電源,可以確保它們的性能潛力被完全發揮,不會因為電源噪聲而劣化。
另一個優秀的 LDO 選擇是 Analog Devices 的 ADP151。這是一款超低噪聲(9μV RMS)的 LDO,雖然噪聲指標略高於 TPS7A4700,但其特點是不需要噪聲旁路電容即可達到標稱性能,並且在極小的體積內實現了高性能,非常適合為 DAC 的數位部分或 QCC5181 等對空間敏感的元件供電。
在整個電源系統的 PCB 佈局上,我們將遵循最嚴格的發燒級音響設計準則。採用「星形接地」(Star Grounding)策略,將數位地、類比地和功率地在某一點單點匯合,避免地迴路產生的噪聲。各個功能區塊的電源路徑將盡可能地短而粗,並互相隔離。敏感的類比電路將遠離高頻的數位電路和高電流的功率電路。通過這種從變壓器到最終穩壓輸出的全鏈路優化,我們構建了一個堅如磐石的電源系統。這個系統如同一口深邃、寧靜的井,為整個擴大機源源不斷地提供著最純淨的能量,讓每一個音符都能在最穩定的基礎上,綻放出其應有的光彩。這,就是好聲音的終極保障。
責任編輯:David
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