【HIFIDIY 第十二届DIY大赛】单端模拟输入的双30W（8Ω）数字纯后级功放设计与制作

追梦A

数字功放不想看

edithli

追梦A 发表于 2017-9-23 10:30
数字功放不想看

成见会关上一个世界的大门，要学会打开心胸，认识这个世界，包括音频世界和音频技术的世界。数字技术要求甚高，乐学勤学则可得游刃有余，信手拈来，想怎么听就怎么听，哈哈哈哈~。

flyingf

有寄回去重測了嗎？
這篇其實有加精華區的潛力

edithli

flyingf 发表于 2017-9-23 12:23
有寄回去重測了嗎？
這篇其實有加精華區的潛力

⊙_⊙感谢关心，暂时还没。
下午刚与工程师联系，自上次9月20日开始联系找25号滤波器，这会儿还没有。我有跟工程师建议与外地的实验室或有合作的企业联系，而我自己也在通过朋友找找是否有涉及音频的专业企业，更可能有。我所知道的一两家做喇叭和电子的深圳的工厂有，所以朝着这个思路去找，应该比较能有。工程师也考虑看能否有渠道收一个。

如果大家有资源，希望帮忙联络提供信息，谢谢呀。

edithli

flyingf 发表于 2017-9-23 12:23
有寄回去重測了嗎？
這篇其實有加精華區的潛力

再就是，谢谢^_^坛友对我的作品帖子的认可和鼓励呀~

edithli

备忘进度： 通过与论坛的积极的互相沟通，作品已于9月26日（昨天）下午在总部测试。测试结果待论坛官方发布。

在论坛也一直无法借到25号滤波器的情况下，自己用周末的时间做了一个简易低通滤波器，虽性能和效果无法达到25号滤波器的专业性，但与无滤波器相比，能消除总部对损伤AP音频分析仪的顾虑，更使测试在一定程度上更接近真实数据。这是在没有25号滤波器的标准测试条件的情况下，退而求其次的做法，从技术的角度来说，即使25号滤波器也并非能完全滤除带外高频杂波，所以用这个自制的简易滤波器，比没有是好多了的，只是确实不够好，没能足够好，希望以后能够有25号滤波器。

在制作这个滤波器时，我查了滤波器的设计资料，然后用仿真软件进行性能仿真，多次修改参数并结合手边实际易得的器件，得出滤波器电路结构和器件参数。待时间稍宽裕，我将制作这个滤波器的过程和电路图、测试等，与大家分享。谢谢大家。

edithli

flyingf 发表于 2017-9-23 12:23
有寄回去重測了嗎？
這篇其實有加精華區的潛力

备忘进度：2号作品再次测试的结果，于9月27日晚由论坛在测评帖的一楼最后面公布。

edithli

九、简易低通滤波器（AP测试配件）制作

为什么用AP音频分析仪测试我的作品需要一个外置的低通滤波器？
从AP的工作原理来说，开关方式功放有一个新的测量问题。（以下摘自AUDIO PRECISION 测量开关方式音频功率放大器白皮书，by Bruce Hofer。可能是台湾同胞翻译的，用词与内地略不同，但不影响理解哈∩_∩）
"从开关频率到输出音频信号的时候，轮换过程加入了快速上升沿( EDGES )。这些上升沿相对传统负载（扬声器, 频响特性在音頻内）没有受到影响，但是给测量仪器带来一个棘手的信号。
"快速转换沿在高頻区呈现出较高的能量，并且傳到测量仪器的输入端时，超愈仪器的转换率( SLEW RATE )限制。受此快速沿的压迫，分析仪不能在有效的方式下工作，自动量程会受到影响(非线性操作)，被测信号将误传到下一个测量电路里。如果使用一般的音频分析仪对这种开关放大器进性测量，将导致噪声和失真等指标不准确,而且结果不可预知並没有重覆性。
"解决此难题的方案是在开关放大器信号输入到音频分析仪之前，对此信号进行预处理，也就是用低通滤波器限制上升沿，通过原始音频信号。"

AP音频分析仪的可选标准配件25号滤波器是什么？
25号滤波器，全称“AUDIO PRECISION AUX-0025开关放大器测量滤波器”，这是一个双通道多极LRC无源滤波器，提供必需的音頻帶外衰减，并且减小快速转换沿的陡峭度。

25号滤波器的规格和滤波效果见图120、图121。从两张图可以看出，滤波器的音频带内波动（10Hz-20K）被限制在正负0.05dB以内。带外衰减从30KHz开始，以大约12dB/oct的速率衰减到100KHz左右，然后随着频率再增大而加速衰减，以大约72dB/oct的速率衰减到250KHz左右，此时250KHz处已经衰减100dB以上。384KHz（本作品的输出级开关频率）时的衰减量已经将近110dB。

图120.25号滤波器规格截图（白皮书）


图121.25号滤波器滤波效果示意图（白皮书）



有了以上信息，就为自制简易低通滤波器提供了进一步的数据依据。

简易低通滤波器的设计、制作与测试
经过资料查阅和一些必要的计算，再结合手边易得的元器件资源，初步设计出了一个开关式功放测试用的简易低通滤波器，图122和图123分别是实物图和电路原理图。
图122.自制简易低通滤波器实物


图123.原理图-自制简易低通滤波器


为了进一步验证这个滤波器的性能，使其达到设计目标，我把它导入电路仿真软件进行验证，图124是仿真原理图。图125是仿真频率响应曲线，转折频率约40kHz，带内不平坦度约为正负1.5dB，带外平均衰减速率约34dB/oct，在频率384kHz左右深达-150dB的谷由并联谐振构造的陷波器特性主导。光标1的含义：20kHz频率处衰减约1dB，光标2含义：383.2kHz频率处（本作品输出级开关频率384kHz），衰减量141dB。

图124.仿真图-自制简易低通滤波器-filter_schematic


图125.滤波特性仿真-自制简易低通滤波器-frequency_response



下面3组图片是用示波器测量的，明显地显示出——加与不加自制简易低通滤波器时，我的作品输出波形的差别，由此可以初步判断，这个自制简易低通滤波器的效果是很明显的。

图126与图127的信号频率均为10kHz，幅度均为96mVrms。
图126.加简易滤波器前，10k小信号


图127.加简易滤波器后，10k小信号


图128与图129的信号频率均为1kHz，幅度均为56mVrms。
图128.加简易滤波器前，1k小信号


图129.加简易滤波器后，1k小信号



图130与图131的信号频率均为10kHz，幅度均为431mVrms。
图130.加简易滤波器前，增大幅度的10k信号


图131.加简易滤波器后，增大幅度的10k信号


之所以自制这个简易低通滤波器，主要是论坛和自己都一直未能借到25号滤波器；作为AP的可选配件，价格大概是一万多元，不算太贵，但确实难找；论坛考虑到测试方法的正确、数据的准确性，以及测试仪器的安全性，一时无法测试（不过，个人从技术上分析，这个安全性问题是没有的）。
总之，为此，我就发扬了一下革命优良传统——“自力更生”。

与大家分享这个自制简易滤波器的制作，我的图纸也公布了，以后大家做开关式功放需要测试，也可以做一个，便可方便很多。如果时间充裕，如果能选用到更高精度的器件，大家还可以再优化设计，滤波曲线更精准，性能更高。


在此，再次感谢论坛工作人员和测试工程师的辛勤工作。

超低失真之梦

edithli 发表于 2017-9-28 17:27
九、简易低通滤波器（AP测试配件）制作

为什么用AP音频分析仪测试我的作品需要一个外置的低通滤波 ...

   
是不是不用0025滤波器也可以测试呢，前边的图没说明用。

edithli

超低失真之梦 发表于 2017-9-28 18:27
是不是不用0025滤波器也可以测试呢，前边的图没说明用。

呃…不是的，同志，你看错这图了呃？
这张截图可能来自TI的某个D类功放芯片规格书THD+N vs 频率吧，阅读这类文档和兼有图文的部分，一定首先看清其文字部分——截图上文字部分是描述下面两图的测试条件，最后一句很明确地说明“如果不特别说明，都是AES17+AUX-0025测试的”。
第一张图没有特别说明，那条件显然就是最上面的，AES17+AUX-0025。那么，第二张图专门标注的是什么呢？因为第二张图，条件不一样，它是AUX-0025加80k带宽，因此做特殊说明了的。

测试加0025，这是AP的工作原理所决定和需要的，理解了这，这可以帮助我们比较准确地了解和掌握测试的含义。

edithli

超低失真之梦 发表于 2017-9-28 18:27
是不是不用0025滤波器也可以测试呢，前边的图没说明用。

顺手补上超低失真之梦坛友疑惑的图的稍完整的信息，帮助看帖的坛友准确理解，也提示文档阅读的良好习惯，避免不小心出现断章取义的误解~~

“超低失真之梦”坛友讨论的图，来自TI的一款双声道模拟输入D类功率放大器芯片的DATASHEET的截图——TPA3251D2（REVISED JUNE 2015 ），第10页，官网可以下载。
这一节讨论总共9张图，采用控制变量法进行测试，用于帮助使用者理解不同条件对结果的影响。

超低失真之梦

edithli 发表于 2017-9-29 11:41
顺手补上超低失真之梦坛友疑惑的图的稍完整的信息，帮助看帖的坛友准确理解，也提示文档阅读的良好习惯， ...

断章取义  我竟然成了反面教材了。  话说论坛怎么人气少了。

edithli

超低失真之梦 发表于 2017-9-29 12:30
断章取义  我竟然成了反面教材了。  话说论坛怎么人气少了。

智者千虑，后面那句是什么来着~~我觉得可能放假之前，大家在忙着加班或者忙着做出行攻略~~

超低失真之梦

edithli 发表于 2017-9-29 12:58
智者千虑，后面那句是什么来着~~我觉得可能放假之前，大家在忙着加班或者忙着做出行攻略~~

必有一失，

加滤波测试，这个有个问题需要考虑， 它可以使得测试数据好，但是放大器供给负阻的却没经过再处理，  如果这样的测试是被认可的，那么可以进一步把放大器的输出lpf电路去掉，跟25号滤波串联供给ap测试，而不影响测试结果，但是放大器输出的波形供给喇叭却是带有大量噪声的波形，  一个dac  dsd  数字放大器，音质受lpf性能影响非常大。 就是说这样测试出来的数据不是负阻上波形的数据。是为了能测试出好指标而设计出来的电路。是否有可信的参考意义，还需思考。  因为lpf影响太大了。

edithli

超低失真之梦 发表于 2017-9-29 13:17
必有一失，

加滤波测试，这个有个问题需要考虑， 它可以使得测试数据好，但是放大器供给负阻的却没经 ...

谢谢。坛友的疑问可以通过对数字功放的实际工作、AP的工作原理、喇叭的特性等知识再多些了解和思考，来解答，接下来交流一下~~

放大器输出到喇叭时的带外噪声，最直观最好理解的一点是——这部分人耳是听不到的；更进一步地，从喇叭特性上说——由于喇叭单元在高频呈感性、分频器的作用和其他物理限制，决定了喇叭单元不会对这些带外高频噪声产生响应。这也就是为什么对功放进行测试，准确地测试到带内性能才是有意义的，数字、模拟都一样的。

那么，要用AP测试带内性能，为什么数字功放要加滤波器，模拟功放没加？如果大家稍微学习和了解AP的工作原理（此处不重复），就会知道——在测量数字功放时，如果不加滤波器，作为精密测量仪器的AP音频分析仪，本身将无法以应有的精度工作。更异想天开一些，如果在测试模拟功放时加上滤波器，对其测试结果不只是没有“让数据变得更好”的结果，而是不会有任何影响和改变。

这才是为什么要加滤波器的原因，是的，这只是操作层面的差别，对将被测试的带内数据本身是没有影响。无论是标准的25号滤波器，还是我上周末一下午赶制的低通滤波器，它们对音频带内的电源干扰、电源噪声、谐波失真成分等都不会产生任何作用。

所以，

如果有对AP工作原理有较多了解的坛友，可以再回到这次测试具体数值来看，即使不加滤波器，负载电阻上的信号直接输入AP音频分析仪，测出的最低THD+N也会在0.02%左右，且曲线走势与再次测试的结果趋于一致；测试结果也只是在更小信号的区域不准，且被带外噪声所干扰，而抬升至较高的数值。

如果坛友感兴趣，可以翻到本帖第3页60楼的图97（红环功率电感的1K频率小信号FFT），这个测试图是没有加入低通滤波器的，功放作品输出带了假负载后，直接输入声卡输入端。对比论坛发布重新测试的1K频谱图，可以看到，本底噪声和各次谐波失真成分都没有非常明显的差异，而其3dB左右的小差异是受我的声卡性能和PC本身噪声的影响。

另外，补充一个虽与本作品无关，但有助于解答坛友疑惑的信息——无低通滤波器的数字功率放大器是存在的，他们就是利用扬声器单元本身的电感特性和低通滤波特性来重现音频带内的声波，但是由于这种无低通滤波器的功放芯片受限于电磁兼容性相关标准，所以，功率做得都不大。如同是TI公司的芯片LM48413典型的应用场景就是手持设备、移动电话、笔记本电脑等。

超低失真之梦

edithli 发表于 2017-9-29 17:26
谢谢。坛友的疑问可以通过对数字功放的实际工作、AP的工作原理、喇叭的特性等知识再多 ...

无低通的放大器直接带喇叭这个我也早些时候知道的。只是这种应用不讲求音质，主要受制于体积限制。

既然无低通照样可以，喇叭是感性都知道。为什么还要加低通滤除超音频噪声。  对于dac  数字放大器，这部分如果不影响音质也就是说加入低通并不能改善音质。那么为什么除了对体积有限制的应用外都有低通电路。这不是画蛇添足吗？   这里主要讨论音质。据我所知lpf非常重要对于音质。这个我没实际对比过。 如果这些带外噪声不影响音质，那么dac无需lpf    dsd就更不需要了。 所以这问题不是那么简单。

edithli

超低失真之梦 发表于 2017-9-29 17:49
无低通的放大器直接带喇叭这个我也早些时候知道的。只是这种应用不讲求音质，主要受制于体积限制。

既 ...

呃~~坛友，ni 这，就，tai tai tai tai tai想当然~~~~了~~~~ba.
还是要多一些理论学习和实践经验，有利于消除疑惑，hen duo不需要问，自己也会有答案滴~~~~

超低失真之梦

edithli 发表于 2017-9-29 18:22
呃~~坛友，ni 这，就，tai tai tai tai tai想当然~~~~了~~~~ba.
还是要多一些理论学习 ...

这不是向你请教呢  希望你能答疑解惑。

flyingf

我看了你的量測結果，挺厲害的。
噪聲高了些，我對類比噪聲分析比較熟悉，
數位電路的噪聲控制方面是不是比類比電路還要困難？

edithli

超低失真之梦 发表于 2017-9-29 18:36
这不是向你请教呢  希望你能答疑解惑。

哈哈，学习积累主要还靠线下。
所以，那我在这里推荐几篇阅读资料，大家按需搜索，以增进了解和学习，也欢迎对文献的讨论和交流，这个过程也是对我们技术水平的提高。

LC Filter Design TI  Application Report  SLAA701A–October 2016–Revised November 2016

White Paper-Measuring Switch-mode Power Amplifiers By Bruce Hofer,Audio Precision,October 2003

White Paper-How to write(and read)audio specifications by David Mathew,,Audio Precision,2010

EIA/CEA-490-A standard: Testing and Measurement Methods for Audio Amplifiers. Electronic Industries Alliance.

AES17, “AES Standard Method for Digital Audio Engineering–Measurement of Digital Audio Equipment,” Audio Engineering Society, 1998.

Designing Audio Power Amplifiers-Part 6 Class D Amplifiers-Bob Cordell.McGraw-Hill,2011