一种智能放大芯片的设计构想

fenk

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此文是基于之前对市面上hifi手机适配耳机能力差的思考：http://www.stereosound.com.cn/viewthread.php?tid=5001。文中提到的放大智能化，可能描述不是很清晰，这里给出本人的完整思想。注意这是一种思路，而非具体电路。我是学计算机+自动化的，不懂电子也不懂IC都是乱说的（本科数模电全挂，后来开发过完整的直流无刷电机控制系统，直到硕士做风电探伤监测的论文时都没再碰过一根电阻），还请见谅。
丑话说在前面：1.本文纯属科幻上面说过了。2.未来是属于数字的，以数字方式控制模拟放大，大有脱了裤子放屁，费力还拉不出翔之势。本人只是喜欢这个feel倍儿爽！！

基本思路

为能适应各种耳机，在各种声音信号下都使其能得到良好的控制（未必能喂饱，但尽量要喂好），同时让耳机能和放大器“和谐相处”（说简单点是阻抗匹配，但实际上在不同的音乐，不同放大器以及不同耳机搭配下，这个问题变得非常复杂。我们常说的阻抗匹配都是静态下的，这就好比你和人相处，平时见面没觉得不妥，但和他一起生活，工作，面对各种复杂环境，各种奇葩问题就都出来了。解决这个问题目前最好办法是西装，还得假设原厂对自己产品充分了解。而在复杂的，变化莫测的音乐信号下，也没法保证每时每刻都还是最佳）。应把他纳入到整个放大器的反馈环路上，对耳机的工作状态变化（如电压电流，失真以及各种瞬态变化）进行1.实时监控2.极短期内的预测（比如下万分之一秒会遇到什么样的状况，就概念而言，预测控制不是新东西了，只是不知道放大器是否有用过）。根据以上对耳机的分析判断，实时调整放大器的工作状态，包括工作点甚至组态，像变形金刚一般可以瞬间根据需要变换成多种耳放线路。实现全自动，全智能的自适应放大（谁说我的放和你的耳机不搭？！我一会儿是莱曼，一会儿是Rudi，智能匹配）。

这里我多谈一点，现在市面上，从普及型的Dirac HD软件（它居然敢说自己不是音效），到高端的硬件产品，如帝瓦雷的功放，都能备主动适配耳机，他们的做法是通过在一定条件下对耳机进行测试（帝瓦雷就是针对自己的功放，Dirac则是把耳机和音源作为一个整体来测），获得耳机的特征参数，从而以硬件或软件方式修正其在特定设备上的响应。但这样你要一套搭配一套搭配去测。你数据库里存的，都是耳机在某个搭配下的特性，就算同一耳机换了搭配，你还得重新测，更别说库里没这搭配了。我的思路是实时的分析（即我只关注一个耳机在“每一时刻“的工作状态，而不关心他的静态特性，每一秒都是一个新耳机，不可能两次踏进同一条河流），插上耳机就开始监测状态，根据耳机和放大器的状态，对未来短时间内的变化率还有预估，确切的说他不需要知道你是啥耳机，他预测和调整的，都只是具体某一瞬间的放大器和耳机的状态，下一微秒情况变了，他再调整。这种连续实时分析的微分特性，我也称为∆-Predictive放大。

有人可能会问，耳机是个非线性负载，把他加到反馈回路里不容易震荡么？我想那是模拟线路，这里谈到的反馈，是数字化的，反馈回路基本是由采样监测模块和DSP组成，他监控信号通路中某些点的状态，然后智能化的加以调整。而非把输出引回输入真正构成一个反馈环。你不应把这个架构理解成机电领域传统意义上的反馈，从某种角度讲这个芯片内的放大器就是无反馈的（因为他本来就没有传统的电反馈回路）。处理器只对放大器进行动态干预以求更好的性能，这里放大器和处理器应该都是能独立工作的部件，传统的电反馈，你去掉反馈部分，他可能干脆就不工作，不是那条线路，直接放花了。这里给出一个大体的控制策略先：

图中放大器在一部分底层控制网络的作用下已经可以稳定工作，同时也可以防止处理器程序出问题导致的风险；处理器和执行其控制命令的高级控制网络仅仅是用于实现更高级，更精确的控制，提供更好的放大性能。这种多层级的控制结构，就好比人的神经系统。

这里还要强调一点，这种技术先天就有甚至不如Dirac的地方，因为Dirac，帝瓦雷他们测试的都是耳机，音箱最终的发声效果，即构成完整的电声回路。而文中谈到的东西就是个放大器，他能分析预测的顶多只有电回路。对于耳机在电路中的变化，是否全面反映出耳机出声状态，还急待讨论。AKG已经推出了内置麦克风的耳机，可以实时监控耳机的回放效果并调整。可惜定位貌似是时尚。

架构详解
总体架构如下：

整个放大芯片中，放大器和最终连接耳机的部分为音频通路，这个通路是模拟通路，但工作复杂环境较为复杂：旁边还有处理器，采样模块等。因此要有非常好的隔离措施，将其他模块间的干扰充分隔离。同时又要保证其他部分对放大器和耳机的准确监控和调控，因此，如何实现这种隔离，也是一大难点。
上图中负责监测放大器及耳机状态，同时根据需要来调节放大器的部分统称为处理器。其实内部结构不止处理器，他还需要有信号采集模块，以及执行处理器调节命令的放大器控制网络，下文中会提到本构想中的放大器实际上是由很多小放大模块排列组合形成的多级网络，所以控制它的也是一个网络结构。作为智能放大芯片的“中枢”，这个发号施令的机构还可以通过相应的接口连接到其他芯片上，用来交换相应的数据，甚至被外部控制，实现一些高级功能。
图中还有一些具体的功能模块没有标出，如专用的电源管理模块等。对于处理器部分的电源管理不再多说，他更多依赖于手机主板上外置的电源管理芯片。本智能放大芯片内部具备一个独立的超大电流电源管理模块（可瞬间引爆核弹！！）。他的具体功能详见下文。处理器数字部分的时钟均为内置，除非工作在被外置芯片控制的模式下，不然这个时钟与任何信号都不相干。

模块详解
处理器部分

其中多核心的处理器可采用超低功耗的Cortex-M3等架构，或ASIC电路。他内部有一个几M的闪存用来存固件，如果不够则要外接闪存（或者访问手机的闪存）。为了在确保功耗的情况下保证计算能力，他可以和外置的主CPU构成联动模式，后文有提到。他处理的数据必然是滞后的，而电路中的延迟更是不可小视。因此他内置的智能算法，更多是根据先前的状态进行预测（包括对未来电路状态变化的预估和系统各部分中延迟量的预估）。

采样模块和处理器间是双向互动：采样模块提供整个电路的状态数据，处理器则实时控制采样模块的精度，采集的信息种类，因为一味提高采样精度是不可取的，有时候实现控制效果只需也只能靠一些关键数据。这个采样模块并非简单的A/D，而是集成了一些预分析能力（比如输入输出相位跟踪，失真跟踪，瞬态监测，线性度分析）。他把耳机和放大器的状态初步分析后将关键数据传给处理器（当然也可高精度采样）。这些关键数据，除了包括以上保真度方面的信息，还应包括负载在某一瞬间对功率的需求信息。以便对输出功率进行实时调整，满足不同耳机的需求，在有近乎甲类放大品质的同时保证了绿色节能。

控制放大器的网络接收来自处理器的控制信号，因为这些信号注定是数字指令，没法直接去控制放大器和电源模块。因此这个控制网络会有一个将其转换为模拟控制信号的装置。因为放大器本身也是一个网络，所以这个控制网络基本要和放大器有很好的融合。从芯片内布局上看应该是不在同一层但平行并紧密连接的。

亟待讨论的问题：处理器，采样模块，控制网络之间信号/数据的传输方式：串行还是并行？内部时钟同步？采样模块在放大器和负载组成的回路中什么位置放采样点？还是和控制网络一样，做成一个深深植入放大器的采样网络？放大控制网络的拓扑结构（取决于放大器网络的拓扑）？
芯片中层状结构概念示意：


音频通路（放大器部分）

在此先解释下这里采用的放大器网络。他的每个节点都可以视为一个放大模组，通过控制这些模组平滑截止和导通（注意是平滑哦，这是最难的！）以及之间的连接方式，实现各级不同的放大任务。除了实现我最开始的“变形金刚般对信号、前端和负载的适应能力”外，这种思路有点类似DAC中常用的DEM（动态匹配）线路，起到将整个系统的误差均一、抵消的作用。这里输入级可对输入信号进行一些修正，该衰减的衰减该补偿的补偿，甚至能在处理器的控制下对失真信号进行小幅的模拟修补。他对输入负载的阻抗匹配和输出级一样都是动态匹配。放大级则主要保证信号各方面的低失真度。这里重点谈一下输出级。他的作用主要是适配输出端的负载，可能是耳机，音箱，或是其他放大器的前级输入端（LO）。同时实时跟踪负载的工作状态（仅电特性），实时调整并给予负载最佳的驱动功率。由于负载可能会在瞬间要求较大的功率，因此输出级配备了一套独立的电源管理，可以直接从电池瞬间取出台式功放才具备的超大功率。本放大系统重点强调超高速的负载跟踪能力、对负载-放大器构成的系统工作状态的短时预测以及近乎无限大（就看你电池的承受能力了）的瞬时功率。因为有处理器实时智能的控制，因此几乎不考虑静态功率输出能力。同时，对负载的保护也得益于精密的处理器、监控和分析系统，可智能调节放大器本身以避免烧掉负载，因此完全不需要额外的电路保护机制，同时，以数字系统控制纯粹的模拟放大通路，以求最纯净无干扰的音质。

功耗效能方面：
此芯片方案会在即使没有新版本设计出现时，也不断采用新的制程来更新版本。制程不仅局限于对处理器性能的提高。对模拟放大器也是一样。它可以让你用一个指甲盖大小的芯片，实现原来一台功放才能给出的功率，以及甚至更低的失真。这不是开玩笑，现在模拟集成电路，运放，放大芯片，各厂也都在拼制程（不过没CPU拼的那么狠），就是为了更高的效能。本方案将极大加速这一过程。使芯片最少实现：
最大16路放大输出（即8路平衡输出，用于7.1系统）
驱动8个小喇叭（主要用于笔记本，一体机等）
以平衡或双推（地线分离）方式驱动一组耳机
这些功能的实现，和类似DEM线路的放大网络结构和精密处理器系统也是分不开的。它使得放大网络中的每只管子都处于最佳的性能状态，管子轮流工作，按需工作，绝不浪费一点效能，也绝对满足任何严苛的功率需求。

实现效能最大化的第二个手段是现今已有的技术:即将芯片多余的发热转变为电能，变废为宝。这项功能华为等公司已在使用，因此不再赘述。

芯片几种附加的功能：
主从工作模式
通过片上处理器与外界链接的I2S,GPIO,SLIMBUS等接口，连接到手机/播放器等系统的主CPU上，构成以外部CPU为主，片内处理器为辅的联动模式。由于放大器内部CPU的固件内容相对固定且不易升级。如果开发商希望获得更丰富的定制功能（如自有hifi算法，特殊音效，专有耳机适配），则可以直接在OS上编程，并与本芯片的底层驱动进行对接，无限扩展，无限可能。

硬件音量调节模式
在这种工作模式下，通过OS专有驱动，透过I2S,GPIO,SLIMBUS等接口，实现绕过系统音量调节，直接控制放大器的增益，实现无级音量调节。这个设置是全局的，也就是说，该驱动可以让手机的系统音量调节，都以这种硬件的方式进行。

满载工作模式
此模式与硬件音量调节模式冲突，电源管理功能禁用，系统工作在最大电源模式，处理器对放大器仅作最小干预，将使用系统数字音量调节方式。换而言之，全靠放大器自身的性能了。这种模式的用途恐怕仅在于芯片设计及固件的debug。

预加载配置文件模式
就是类似Dirac HD、帝瓦雷SAM的技术，可载入特定耳机、音箱的特征文件，并根据这些设置输出。这个特征文件也可以一开始就写入芯片的固件中，也可以激活主从工作模式，在OS端以特殊软件载入配置文件并控制输出。

时钟同步模式
该放大器内的处理器可与外部时钟同步，这个外部时钟也可以是来自CPU或DAC的时钟信号。功能用途不明，仅作信号的研究调试作用吧。

几种芯片的衍生型号及特殊功能：
解码放大模式
该芯片的变种型号集成了DAC和数字放大网络。可行性、架构以及实用价值有待讨论。

数据采集模式
本芯片可用于便携式音频测试及分析仪表的设计。在这种模式下，该芯片可提供两种信号的分析：
1.    电信号分析
将分析仪连接至特定负载，该芯片可以在软件控制下，将负载特性通过处理器的I2S，GPIO等接口上传。还可将音频分析仪连接至音频输出和负载之间，该芯片可将整个系统环路的状态实时上传。
2.    声信号分析
通过与特定的麦克风接口芯片搭配，该芯片可对扬声器，耳机等负载进行完整电声回路的测试并将结果上传，充分了解负载及放大器的工作状态。

十分感谢yuhan兄在于9年前的《(原创)关于耳放的作用和误解的体会》这个帖子。这位深得叶老师指教的大大在这个帖子中将一些复杂问题提纲携领的列出。即便现在对一些发烧友仍有参考一意义。

defleppard

技术贴要支持一下的

激光鼠

好复杂，LZ辛苦下，再写个概要吧

fenk

激光鼠 发表于 2015-4-9 19:21
好复杂，LZ辛苦下，再写个概要吧

鼠大，你就别看这个了……否则估计要被你们这些专业人士笑掉大牙。我这贴有点那种牵引光线的味道……谁都知道牵引光线只能出现在科幻片里而不能实现的。

大概意思就是，为提高耳放对各种不同耳机的适应能力，采取在线优化的办法。这个必须借助CPU和相关的智能算法来实现。

或者，鼠大做一个架构灵活可变的耳放，然后带上各种仪表和耳朵，当用户开始听音乐的时候，鼠大站在旁边实时根据当前放大器+负载整个回路的状态，拧各个工作点，开关来给听者优化（鼠大辛苦了，鼠大你需要的是飞秒级的响应）。这个优化还带一定预测性，假设下一刻（这个微分量会很小，因为根据某一时刻的倒数变化估计信号走势我信，能预测到1秒后小提琴走哪个音就是神论了）大动态要来了，鼠大必须根据之前信号的尿性提前预测到，并且在爆起时准时调整耳放。

这么做的依据：我始终相信，不同前端放大，不同音乐信号，不同负载在一起，这里面的变数根本不是静态优化办得到的。尤其是千变万化的耳机，我觉得放大器在工作时有必要随时了解他在电回路中的状态。一个静态的电路无法适应千变万化的负载，但一个可以自行变化的电路，只要变化得当，就可以适应更多负载。

当然，我不相信基于完整的电声回路的在线优化。你要需要一个麦克风，采样系统精度还要够高。但是，AKG已经出了这样的耳机，耳机里带麦克风，这东西边监听耳机内的回放效果边调整信号（可不是AV系统常见的用麦克风放测试信号然后调整输出，我觉得这种优化还是静态优化）……我觉得我out了。