这是一个关于缔造顶级音频放大器的故事,

也是一个关于追求、视野和毅力的故事。

 

音频放大器已经有快有一个世纪的历史了,电子管放大器的第一个应用就是音频放大器。直到现在为止,音频放大器它还在不断地更新、发展、前进,是因为人类的听觉是各种感觉中重要而复杂的一种,也是最基本的一种。高保真音频放大器为了满足更精准的声音还原,无数电子工程师和音频爱好者还在尽力对音频放大器不断地加以改进。

 

旷世音响的创始人王丰硕,在7岁时第一次听到了高保真音响,就被深深的吸引了。此后的很多日子里,他像很多电子爱好者一样,买来各种电子元件,挥动电烙铁,尝试各种电路和器件,沉浸在自己的世界里。他本人也很喜欢电吉他,一边是音乐,一边是电子工程。这样的经历,听起来似乎有点乔布斯或比尔盖茨小时迷恋上计算机编程的故事……这样一捣鼓就是15年,直到去读大学的时候,他毫不犹豫的选择了电子工程专业。大学有先进的实验室,有图书馆,还有老师可以请教。不过不幸的是,当他沉浸进去一段时间之后,发现很苦恼:因为通过这些途径,他发现了传统音频放大器电路有诸多缺陷。







首先是瞬态互调失真(TIMD)。一些放大器测试指标优秀,但是实际要用放大器处理快速变化的音频信号时,传统的负反馈放大器会处于负反馈失控的开环状态,这称为瞬态互调失真。瞬态互调失真给人以刺耳不耐听的不快感觉,导致音质明显劣化。一些顶级功放厂商(比如丹麦贵丰,美国PASS,加拿大MOON)意识到了这个问题,采用浅负反馈、局部负反馈甚至无负反馈避免瞬态互调失真。但这些或者并不是根本的解决办法,或者为此付出的代价是高昂的。无反馈需要非常严格的挑选器件,只有百分之一或千分之一的比率能够达到要求,耗损极大。 另外,也衍生出来无反馈放大器在工作时的稳定性问题。

 

其次,很多传统放大器表面上看起来频宽都足够,但是一旦处理高频大振幅信号的时候,频宽立刻惨不忍睹。一般的音频放大器,由于转换速率SR(压摆率)和大信号输出时功率带宽fp(max)与转换速率为SR和放大器的振幅Vo(max)有下面的定律

 

fp(max)= SR/(2πVo(max))   

                            

所以,由于一般的音频放大器由于SR不够,在大信号时候的带宽会远低于小信号的值。以通用运放μA741为例,μA741增益带宽积1MHz, 转换速率0.5V/μs, 当输出电压的幅值为一侧10V时,代入公式


fp(max)=0.5106/(2π10)=7.96kHz   

                

可见,1MHz增益带宽积的μA741用于音频放大的时候大信号时只有约8 kHz的功率带宽,人耳20k的可闻频带内部将有2/3内容听不到,更别提DSD音频高达100kHz的频响范围!顶级放大器厂商也意识到了这个问题,都在使用各种技术手段拼命提高放大器的转换速率,拓宽频响(比如darTZeel的旗舰合并放大器NHB108,KRELL 的FBI系列,贵丰的旗舰放大器等等都有500K以上的高频宽),确保放大器能够及时跟踪音源高速瞬变的信号,放大器的真实速度和透明度,否则HiFi将是天方夜谭。

 

另外,失真度也不理想。数字讯源主流的24Bit DAC失真度(THD+N)都可以做到0.001%以下,传统放大器在真实驱动负载状态下,全频,特别是高频放大器很难将THD+N控制在0.001%以下,这直接成为电子系统的瓶颈。


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机会有时候会静静的走进,却不会有任何提示。2004年春天,在大学实验室里,王丰硕在做一个电流模通信线路实验的时候, 因为电路组装的失误,意外的发现这个不能处理通信信号的电路,瞬态互调失真非常低,且具备高速放大性能。他没有轻易放弃这个电路,开始翻阅所有能找的到的电流模电路的书籍,研究电流模技术是否可以用于音频放大。另外,他几次去拜访电子工程系德高望重的严立中老师,严老师被这个年轻人的执着感动了,表示支持并参与这个项目。

 

2004年暑假,王丰硕没有回家,带领三个同学在实验室里挥汗如雨,雄心勃勃开发顶级音频放大器。有位老师听说了,善意的提醒到:“音频放大器全世界搞了这么多年,都是小修小改也没什么本质的突破,同学假期还是回家吧。”也许是因为初生牛犊不怕虎,他们只是笑笑,继续战斗。假期里,他们也发现,一些公司已经将电流模技术应用在音频领域,比如KRELL也在使用CAST(Current Audio Signal Transmission, 电流模传输)技术做音频的电流模式传输,日本采用SATRI技术BPM7110模块等,都是无反馈的电流模电路传输信号架构和实现方式技术,是电流模音频电路的先驱。但是这些技术的重点在传输而非放大,电路是无反馈的,实际测试指标并不是很好。并且由于接口是纯电流模式的,和其他设备无法兼容。所以他们决定自己的设计必须克服这些不足,电压输入和电压输出,但是信号放大在电流域里面处理,同时满足高性能和兼容性。

 

过了夏天,到了秋天,运用全新的设计思路和拓扑结构的第一台电流模音频功率放大器,在实验室里诞生了。这台电流模放大器在2*100W输出功率时有惊人的1MHz带宽,超越同价位放大器频响几十倍,瞬态互调失真低不可测,真让人振奋!院长听说了很震惊,亲自来现场确认。王丰硕和三个人的小团队很兴奋,第一时间在国家核心期刊“电声技术”上 发表了自己的研究成果,向世人发布了自己的“电流模音频功放”技术,并申请专利。

 

兴奋了一阵子之后,问题来了。作品是作品,和产品还是差距很大。当时设计的电流模功放,内部的跨导线性(Transliner-TL)回路对晶体管的匹配有严格要求,机器里面用的几十只晶体管,是在几千只晶体管里面按照特殊的要求手工挑选的。这样的方式无法批量无法制造商用音频放大器。之前,加拿大半导体厂商Microsystems International Limited希望制造电流模放大集成电路,但是最终因为工艺问题失败。在一个六只晶体管组成跨导线性回路中,只要有5uV的Vbe失配,就会产生大约0.01%的2次谐波失真。这个问题,直到大学毕业也没有得到有效的解决。


毕业后,王丰硕去了一家纳斯达克上市的美国集成电路设计公司工作,那里有最精良的测试仪器,云集了世界上最顶尖的模拟放大器设计人才,他一边工作一边继续着自己的研究。当时他已经开始迷恋顶级耳机,也买了副森海塞尔的HD800。但是HD800和官方推荐的某品牌耳机放大器试听之后非常失望:干瘪的声底,空洞的声场,缺乏感情的声音表达方式……决定自己动手,为HD800设计一款自己用的顶级耳机放大器。

 

他找到他的上司Eddie,前美国国家半导体(NSC)最资深的高性能音频IC设计师。Eddie曾参与设计了经典的单片大功率IC LM3886,LM1875,这些十多年前发布的芯片到2015年依然销量不减。另外还有美国加州大学洛杉矶分校的博士Charles,他在互补半导体工艺方面有超人的理解。大家都很支持电流模这样的设计方式,结合在半导体电路苛刻的工艺要求和电路要求,解决元件配对的问题,使用业余时间挑战下这个顶级耳机放大器的设计。

 

经过反复的调试,2007年,第一款电流模式耳机放大器CMA800诞生了。CMA800是世界上首台运用电流模技术的耳机放大器,CMA就是电流模放大(Current Mode Amplification)的英文缩写,它失真低至0.0004%,,瞬态互调失真(TIMD)低不可测。CMA800转换速率随输入信号线性增长没有任何限制,驱动真实负载频宽高达700kHz,技术上堪称完美的放大器!最重要的是:CMA800已经解决了工艺问题,可以批量生产而且有优异的一致性能!


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王丰硕(左一)和Charles的合影  





那么,究竟什么是电流模放大?

所谓电流模放大是电流模式音频放大器的简称,电流模音频放大器使用三极管作为放大器件,全分立架构,输入和输出也都是电压模式,核心放大部分在电流域处理,恒定为纯A类工作状态,输出级(OPT)可以调整为A类或者AB类。它的放大电路结构与传统电压模放大器(差分输入级,共射电压放大级等)结构完全不同,影响速度和带宽的晶体管级间电容工作在阻抗很低的节点上,整个放大器回路全功率带宽接近闭环带,转换速率随输入信号幅度线性增长,加之强劲而超高速的负反馈(电路速度是一般放大器的几百倍),这些特点同传统电压模放大器完全不同,不但彻底消除瞬态互调失真(TIMD),而且可以轻松获得超高带宽,超低失真的高性能放大。

 

 

还有,电流模放大器如何工作?

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   上图是整个电流模放大电路的框图

主要有电压控制电流源VCCS,电流模放大单元A(i),I/V变换级,输出缓冲器(OPT)和负反馈几部分组成。在电子学中,电压和电流都是同时存在的。只是在电流模放大部分,为了获得高性能,信号被电流主宰了而已,输入和输出都是传统的电压型的,这样的设计可以方便兼容更多的高级讯源和负载。考虑到Hi-End市场用户强烈的个性,这样的设计可以有更高的系统开放度。

 

由图示模型可见,输入信号首先进入VCCS(电压控制电流源)。VCCS将输入电压变为电流,送入电流增益级Ai进行电流模放大,再由I/V变换器变为电压后通过输出级(OPT)驱动负载。

 

整个系统为了保证系统的稳定性,引入了负反馈。由于整个负反馈网络的阻抗只有几百欧姆,加上放大器的高速性能,反馈环路处理速度大约是传统电压模放大器的100倍,所以常规负反馈放大器带来的TIMD等一系列问题都不存在。










但是,高性能不能同高音质直接划等号,高性能只是好声音的基础。除了在电子电路上面持续优化,王丰硕敏感而极其挑剔的耳朵,自2008至2012年,4年间,对CMA800进行了8个PCB版本22次的优化,包括尝试各种器件,修正PCB走线,评估结构甚至机械振动对声音的影响,才最终满意。这些优化的改进在AP上反映出来的指标已经不变,但是听觉一直在趋向完美。

2012年,他身边发烧友注意到这台设计与众不同的耳机放大器,使用之后反馈极其正面,很多人开始预订,订单量急剧增加,在家里手工焊接无法满足,于是,2012年底,王丰硕离开了舒适的工作环境,在深圳CBD开始了他的为自己追求奋斗的公司:”Questyle Auido,旷世音响”。


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2013年,在把玩顶级扬声器系统的时候,王丰硕突发奇想:顶级功率放大器都可以设计成单声道,耳机放大器为什么不可以?全分离的机箱和供电系统,加上全平衡的放大模式,那不是登峰造极的性能和声音?于是在CMA800的基础上又开始了CMA800R的设计,优化了电路,加入了单声道全平衡XLR输入和输出,取代CMA800的CMA800R诞生了,在双单声道模式下,CMA800R的失真率低至0.00026%,挑战人类物理测试极限。声音也一下就征服了世界上最挑剔的耳机发烧友和录音师,好评像雪片一样飞回来。同时,王丰硕为电流模式技术顺利申请了PCT全球 专利。

了解更多电流模放大技术在CMA800R的应用>>

 

接下来,又一鼓作气推出了旗舰解码耳放前级一体机CMA800i和高性价比的Q192,备受全球媒体和发烧友推崇。

了解更多电流模放大技术在CMA800i Q192的应用>>


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电流模放大技术,还继续应用在旷世音响的其他产品上。在2015年1月份CES上亮相的150i合并式放大器,在4欧姆负载,100W的疯狂输出功率下,THD+N低至惊人的 0.0003%! 而且是在20Hz-20kHz均小于0.0005%,频响宽至1MHz!这样的技术指标,全球所有的合并放大器不论价格、品牌都没有对手!

更吸引人的是,旷世音响将在2015年5月份发布的便携式无损音频播放器QP1/QP1R,耳机驱动部分也将把超高性能的纯A类,全分立设计的电流模耳放设计进去!世界上名垂青史的顶级音频放大器从来都是全分立的设计,在便携设备上也引用这样的设计,如此疯狂!!!在无损便携播放器和高级智能手机拼杀IC的时代,别人在考虑“音频IC哪家强”的时候,这样设计必将成为真正的核心竞争力,远远的把对手甩在后面。

 

虽然不少人觉得软趴趴,甜兮兮的所谓“模拟味”的音色似乎更讨好耳朵,但是有更多人明白高保真的真谛。电流模放大革命性的技术突破,和旷世音响创始人、CEO王丰硕永不妥协的声音调校理念,确保旷世音响的产品能够提供高精准度、权威、可靠的真正HiFi级聆听体验和独特的品牌价值。

 

电流模和旷世音响的故事还在继续,让我们一起关注!