聊一聊一些熒幕和現(xiàn)場背后的音頻故事(32)--為什么我們無法真正用算法代替電路
最早的放大類型電路,我們所謂的pre-amp?

和power-amp

都是直接點對點,利用焊線焊接在各自的鏈路上的,
但隨著時間的推移,笨重的放大器開始成為了一種,樂手/演講人/政治家/明星的累贅
于是,人們開始追求放大器設備的集成,開始試圖將它做成一個個小的模塊
于是pcb的時代就到來了
PCB
中文名稱為印制電路板,又稱印刷線路板,是重要的電子部件,是電子元器件的支撐體,是電子元器件電氣連接的載體。由于它是采用電子印刷術制作的,故被稱為"印刷"電路板。

20世紀初至20世紀40年代末,是PCB基板材料業(yè)發(fā)展的萌芽階段。它的發(fā)展特點主要表現(xiàn)在:此時期基板材料用的樹脂、增強材料以及絕緣基板大量涌現(xiàn),技術上得到初步的探索。這些都為印制電路板用最典型的基板材料——覆銅板的問世與發(fā)展,創(chuàng)造了必要的條件。另一方面,以金屬箔蝕刻法(減成法)制造電路為主流的PCB制造技術,得到了最初的確立和發(fā)展。它為覆銅板在結構組成、特性條件的確定上,起到了決定性的作用。

作用
電子設備采用印制板后,由于同類印制板的一致性,從而避免了人工接線的差錯,并可實現(xiàn)電子元器件自動插裝或貼裝、自動焊錫、自動檢測,保證了電子設備的質量,提高了勞動生產率、降低了成本,并便于維修。
發(fā)展
印制板從單層發(fā)展到雙面、多層和撓性,并且仍舊保持著各自的發(fā)展趨勢。由于不斷地向高精度、高密度和高可靠性方向發(fā)展,不斷縮小體積、減少成本、提高性能,使得印制板在未來電子設備的發(fā)展工程中,仍然保持著強大的生命力。

綜述國內外對未來印制板生產制造技術發(fā)展動向的論述基本是一致的,即向高密度,高精度,細孔徑,細導線,細間距,高可靠,多層化,高速傳輸,輕量,薄型方向發(fā)展,在生產上同時向提高生產率,降低成本,減少污染,適應多品種、小批量生產方向發(fā)展。印制電路的技術發(fā)展水平,一般以印制板上的線寬,孔徑,板厚/孔徑比值為代表.
來源
印制電路板的創(chuàng)造者是奧地利人保羅·愛斯勒(Paul Eisler),1936年,他首先在收音機里采用了印刷電路板。1943年,美國人多將該技術運用于軍用收音機,1948年,美國正式認可此發(fā)明可用于商業(yè)用途。自20世紀50年代中期起,印刷線路板才開始被廣泛運用。
在PCB出現(xiàn)之前,電子元器件之間的互連都是依托電線直接連接完成的。而如今,電路板僅用在實驗室做試驗應用而存在;印刷電路板在電子工業(yè)中已肯定占據了絕對控制的地位。

但,如果這樣理解,我們只要給輸出的信號掛上一個屬于當前模塊的均衡曲線圖,不就能模擬出它的放大了嗎?
那么,為什么
說其實PCB依舊不是原本的放大器電路那?
這里引入兩個概念,密勒效應和寄生電容
我們都知道,在均衡范圍上,我們是可以將一個波形文件直接定義為XXeq曲線這個說法的,
但對于失真則無法這樣定義,因為失真的非線性放大特性,最終導致的是各大頻率的放大比值之間總是會存在的差異,這個影響如果只是信號輸出也不會有這么大影響,但如果對象在一個箱體的后級,或者一個箱體/麥克風模擬算法中再跑一次就不一樣了,
它會放大的“不那么像”
密勒效應
在電子學中,反相放大電路中,輸入與輸出之間的分布電容或寄生電容由于放大器的放大作用,其等效到輸入端的電容值會擴大1+K倍,其中K是該級放大電路電壓放大倍數。
雖然一般密勒效應指的是電容的放大,但是任何輸入與其它高放大節(jié)之間的阻抗也能夠通過密勒效應改變放大器的輸入阻抗。
(這個叫法聽起來很高端啊,簡單解釋就是,當兩個反向信號再次組合在一起的時候,信號是“被放大了”or被壓縮了之間的區(qū)別)
指電子管的陽極通過陽一柵電容在柵極感應的靜電荷 增大了有效柵一陰電容。?[1]?

可以采用平衡法(或中和法)等技術來適當地減弱密勒電容的影響。
平衡法即是在輸出端與輸入端之間連接一個所謂中和電容,并且讓該中和電容上的電壓與密勒電容上的電壓相位相反,使得通過中和電容的電流恰恰與通過密勒電容的電流方向相反,以達到相互抵消的目的。
主要特點
缺點
密勒電容對器件的頻率特性有直接的影響。
例如,對于BJT:在共射(CE)組態(tài)中,集電結電容勢壘電容正好是密勒電容,故CE組態(tài)的工作頻率較低。
對于MOSFET:在共源組態(tài)中,柵極與漏極之間的覆蓋電容Cdg是密勒電容,Cdg正好跨接在輸入端(柵極)與輸出端(漏極)之間,故密勒效應使得等效輸入電容增大,導致頻率特性降低。

優(yōu)點
① 采用較小的電容來獲得較大的電容(例如制作頻率補償電容),這種技術在IC設計中具有重要的意義(可以減小芯片面積);
② 獲得可控電容 (例如受電壓或電流控制的電容) 。
寄生電容
寄生的含義就是本來沒有在那個地方設計電容,但由于布線之間總是有互容,互容就好像是寄生在布線之間的一樣,所以叫寄生電容,又稱雜散電容
寄生電容一般是指電感,電阻,芯片引腳等在高頻情況下表現(xiàn)出來的電容特性。實際上,一個電容等效于一個電容,一個電感,和一個電阻的串聯(lián),在低頻情況下表現(xiàn)不是很明顯,而在高頻情況下,等效值會增大,不能忽略。在計算中我們要考慮進去。ESL就是等效電感,ESR就是等效電阻。不管是電阻,電容,電感,還是二極管,三極管,MOS管,還有IC,在高頻的情況下我們都要考慮到它們的等效電容值,電感值。

學術解釋
"寄生電容" 在學術文獻中的解釋
1、另一方面?zhèn)鞲衅鞒袠O板間電容外,極板與周圍體(各種元件甚至人體)也產生電容聯(lián)系,這種電容稱為寄生電容。它不但改變了電容傳感器的電容量,而且由于傳感器本身電容量很小,寄生電容極不穩(wěn)定,這也導致傳感器特性不穩(wěn)定,對傳感器產生嚴重干擾。
2、分布在導線之間、線圈與機殼之間以及某些元件之間的分布電容等,這些電容稱為寄生電容,它們的數值雖小,但是卻是引起干擾的重要原因。

應用
動態(tài)讀寫存貯器(DRAM),以其速度快、集成度高、功耗小、價格低在微型計算機中得到極其廣泛地使用。但動態(tài)存儲器同靜態(tài)存儲器有不同的工作原理。它是靠內部寄生電容充放電來記憶信息,電容充有電荷為邏輯1,不充電為邏輯0。
實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、 機械方面的設計,達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。


D類放大器
D類放大器,是通過控制開關單元的ON/OFF,驅動揚聲器的放大器
優(yōu)點
在傳統(tǒng)晶體管放大器中,輸出級包含提供瞬時連續(xù)輸出電流的晶體管。實現(xiàn)音頻系統(tǒng)放大器許多可能的類型包括a類放大器,ab類放大器和b類放大器。與d 類放大器設計相比較,即使是最有效的線性輸出級,它們的輸出級功耗也很大。這種差別使得d類放大器在許多應用中具有顯著的優(yōu)勢,因為低功耗產生熱量較少,節(jié)省印制電路板(pcb)面積和成本,并且能夠延長便攜式系統(tǒng)的電池壽命。
功耗
線性放大器輸出級直接連接到揚聲器(有些情況下通過電容器連接)。如果輸出級使用雙極性結型晶體管(bjt),它們通常工作在線性方式下,具有大的集射極電壓。輸出級也可以用互補金屬氧化物半導體(cmos)晶體管實現(xiàn),如圖1所示。
圖1、cmos線性輸出級
注:output stage=輸出級
speaker=揚聲器
ground=地

功率消耗在所有線性輸出級,因為產生輸出電壓vout的過程中不可避免地會在至少一個輸出晶體管內造成非零的ids和vds。功耗大小主要取決于對輸出晶體管的偏置方法。
a 類放大器拓撲結構使用一只晶體管作為直流(dc)電流源,能夠提供揚聲器需要的最大音頻電流。a類放大器輸出級可以提供優(yōu)良的音質,但功耗非常大,因為通常有很大的dc偏置電流流過輸出級晶體管(這是我們不期望的),而沒有提供給揚聲器(這是我們期望的)。
b 類放大器拓撲結構沒有dc偏置電流,所以功耗大大減少。其輸出晶體管是以推拉方式獨立控制,從而允許高端晶體管為揚聲器提供正電流,而低端晶體管吸收負電流。由于只有信號電流流過晶體管,因而減少了輸出級功耗。但是b類放大器電路的音質較差,因為當輸出電流過零點和晶體管在通斷狀態(tài)之間切換時會造成線性誤差(交越失真)。
ab 類放大器是a類放大器和b類放大器的組合折衷,它也使用dc偏置電流,但它遠小于單純的a類放大器。小的dc偏置電流足以防止交越失真,從而能提供良好的音質。其功耗介于a類放大器和b類放大器之間,但通常更接近于b類放大器。與b類放大器電路類似,ab類放大器也需要一些控制電路以使其提供或吸收大的輸出電流。
不幸的是,即使是精心設計ab類放大器也有很大的功耗,因為其中等范圍的輸出電壓通常遠離正電源或負電源。由于漏源極之間的電壓降很大,所以會產生很大的瞬時功耗ids×vds。d 類放大器由于具有不同的拓撲結構,其功耗遠小于上面任何一類放大器。d類放大器的輸出級在正電源和負電源之間切換從而產生一串電壓脈沖。這種波形有利于降低功耗,因為當輸出晶體管在不導通時具有零電流,并且在導通時具有很低的vds,因而產生較小的功耗
D類放大是真正意義上的“白開水味”放大,它可以不帶箱子色彩的去放大一個信號,
但因為功率大小的關系,這類揚聲器,一般也不會做的很“大”
但這類放大器對于一些“器樂”,現(xiàn)場質感人聲
的還原就差強人意,不是因為它不好,而是,所謂的“現(xiàn)場感”
是因為揚聲器之間,存在了串音,箱體互動
的結果導致的,所以無法真正意義完全還原。