聊一聊一些荧幕和现场背后的音频故事(32)--为什么我们无法真正用算法代替电路
最早的放大类型电路,我们所谓的pre-amp

和power-amp

都是直接点对点,利用焊线焊接在各自的链路上的,
但随着时间的推移,笨重的放大器开始成为了一种,乐手/演讲人/政治家/明星的累赘
于是,人们开始追求放大器设备的集成,开始试图将它做成一个个小的模块
于是pcb的时代就到来了
PCB
中文名称为印制电路板,又称印刷线路板,是重要的电子部件,是电子元器件的支撑体,是电子元器件电气连接的载体。由于它是采用电子印刷术制作的,故被称为"印刷"电路板。

20世纪初至20世纪40年代末,是PCB基板材料业发展的萌芽阶段。它的发展特点主要表现在:此时期基板材料用的树脂、增强材料以及绝缘基板大量涌现,技术上得到初步的探索。这些都为印制电路板用最典型的基板材料——覆铜板的问世与发展,创造了必要的条件。另一方面,以金属箔蚀刻法(减成法)制造电路为主流的PCB制造技术,得到了最初的确立和发展。它为覆铜板在结构组成、特性条件的确定上,起到了决定性的作用。

作用
电子设备采用印制板后,由于同类印制板的一致性,从而避免了人工接线的差错,并可实现电子元器件自动插装或贴装、自动焊锡、自动检测,保证了电子设备的质量,提高了劳动生产率、降低了成本,并便于维修。
发展
印制板从单层发展到双面、多层和挠性,并且仍旧保持着各自的发展趋势。由于不断地向高精度、高密度和高可靠性方向发展,不断缩小体积、减少成本、提高性能,使得印制板在未来电子设备的发展工程中,仍然保持着强大的生命力。

综述国内外对未来印制板生产制造技术发展动向的论述基本是一致的,即向高密度,高精度,细孔径,细导线,细间距,高可靠,多层化,高速传输,轻量,薄型方向发展,在生产上同时向提高生产率,降低成本,减少污染,适应多品种、小批量生产方向发展。印制电路的技术发展水平,一般以印制板上的线宽,孔径,板厚/孔径比值为代表.
来源
印制电路板的创造者是奥地利人保罗·爱斯勒(Paul Eisler),1936年,他首先在收音机里采用了印刷电路板。1943年,美国人多将该技术运用于军用收音机,1948年,美国正式认可此发明可用于商业用途。自20世纪50年代中期起,印刷线路板才开始被广泛运用。
在PCB出现之前,电子元器件之间的互连都是依托电线直接连接完成的。而如今,电路板仅用在实验室做试验应用而存在;印刷电路板在电子工业中已肯定占据了绝对控制的地位。

但,如果这样理解,我们只要给输出的信号挂上一个属于当前模块的均衡曲线图,不就能模拟出它的放大了吗?
那么,为什么
说其实PCB依旧不是原本的放大器电路那?
这里引入两个概念,密勒效应和寄生电容
我们都知道,在均衡范围上,我们是可以将一个波形文件直接定义为XXeq曲线这个说法的,
但对于失真则无法这样定义,因为失真的非线性放大特性,最终导致的是各大频率的放大比值之间总是会存在的差异,这个影响如果只是信号输出也不会有这么大影响,但如果对象在一个箱体的后级,或者一个箱体/麦克风模拟算法中再跑一次就不一样了,
它会放大的“不那么像”
密勒效应
在电子学中,反相放大电路中,输入与输出之间的分布电容或寄生电容由于放大器的放大作用,其等效到输入端的电容值会扩大1+K倍,其中K是该级放大电路电压放大倍数。
虽然一般密勒效应指的是电容的放大,但是任何输入与其它高放大节之间的阻抗也能够通过密勒效应改变放大器的输入阻抗。
(这个叫法听起来很高端啊,简单解释就是,当两个反向信号再次组合在一起的时候,信号是“被放大了”or被压缩了之间的区别)
指电子管的阳极通过阳一栅电容在栅极感应的静电荷 增大了有效栅一阴电容。 [1]

可以采用平衡法(或中和法)等技术来适当地减弱密勒电容的影响。
平衡法即是在输出端与输入端之间连接一个所谓中和电容,并且让该中和电容上的电压与密勒电容上的电压相位相反,使得通过中和电容的电流恰恰与通过密勒电容的电流方向相反,以达到相互抵消的目的。
主要特点
缺点
密勒电容对器件的频率特性有直接的影响。
例如,对于BJT:在共射(CE)组态中,集电结电容势垒电容正好是密勒电容,故CE组态的工作频率较低。
对于MOSFET:在共源组态中,栅极与漏极之间的覆盖电容Cdg是密勒电容,Cdg正好跨接在输入端(栅极)与输出端(漏极)之间,故密勒效应使得等效输入电容增大,导致频率特性降低。

优点
① 采用较小的电容来获得较大的电容(例如制作频率补偿电容),这种技术在IC设计中具有重要的意义(可以减小芯片面积);
② 获得可控电容 (例如受电压或电流控制的电容) 。
寄生电容
寄生的含义就是本来没有在那个地方设计电容,但由于布线之间总是有互容,互容就好像是寄生在布线之间的一样,所以叫寄生电容,又称杂散电容
寄生电容一般是指电感,电阻,芯片引脚等在高频情况下表现出来的电容特性。实际上,一个电容等效于一个电容,一个电感,和一个电阻的串联,在低频情况下表现不是很明显,而在高频情况下,等效值会增大,不能忽略。在计算中我们要考虑进去。ESL就是等效电感,ESR就是等效电阻。不管是电阻,电容,电感,还是二极管,三极管,MOS管,还有IC,在高频的情况下我们都要考虑到它们的等效电容值,电感值。

学术解释
"寄生电容" 在学术文献中的解释
1、另一方面传感器除有极板间电容外,极板与周围体(各种元件甚至人体)也产生电容联系,这种电容称为寄生电容。它不但改变了电容传感器的电容量,而且由于传感器本身电容量很小,寄生电容极不稳定,这也导致传感器特性不稳定,对传感器产生严重干扰。
2、分布在导线之间、线圈与机壳之间以及某些元件之间的分布电容等,这些电容称为寄生电容,它们的数值虽小,但是却是引起干扰的重要原因。

应用
动态读写存贮器(DRAM),以其速度快、集成度高、功耗小、价格低在微型计算机中得到极其广泛地使用。但动态存储器同静态存储器有不同的工作原理。它是靠内部寄生电容充放电来记忆信息,电容充有电荷为逻辑1,不充电为逻辑0。
实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、 机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。


D类放大器
D类放大器,是通过控制开关单元的ON/OFF,驱动扬声器的放大器
优点
在传统晶体管放大器中,输出级包含提供瞬时连续输出电流的晶体管。实现音频系统放大器许多可能的类型包括a类放大器,ab类放大器和b类放大器。与d 类放大器设计相比较,即使是最有效的线性输出级,它们的输出级功耗也很大。这种差别使得d类放大器在许多应用中具有显着的优势,因为低功耗产生热量较少,节省印制电路板(pcb)面积和成本,并且能够延长便携式系统的电池寿命。
功耗
线性放大器输出级直接连接到扬声器(有些情况下通过电容器连接)。如果输出级使用双极性结型晶体管(bjt),它们通常工作在线性方式下,具有大的集射极电压。输出级也可以用互补金属氧化物半导体(cmos)晶体管实现,如图1所示。
图1、cmos线性输出级
注:output stage=输出级
speaker=扬声器
ground=地

功率消耗在所有线性输出级,因为产生输出电压vout的过程中不可避免地会在至少一个输出晶体管内造成非零的ids和vds。功耗大小主要取决于对输出晶体管的偏置方法。
a 类放大器拓扑结构使用一只晶体管作为直流(dc)电流源,能够提供扬声器需要的最大音频电流。a类放大器输出级可以提供优良的音质,但功耗非常大,因为通常有很大的dc偏置电流流过输出级晶体管(这是我们不期望的),而没有提供给扬声器(这是我们期望的)。
b 类放大器拓扑结构没有dc偏置电流,所以功耗大大减少。其输出晶体管是以推拉方式独立控制,从而允许高端晶体管为扬声器提供正电流,而低端晶体管吸收负电流。由于只有信号电流流过晶体管,因而减少了输出级功耗。但是b类放大器电路的音质较差,因为当输出电流过零点和晶体管在通断状态之间切换时会造成线性误差(交越失真)。
ab 类放大器是a类放大器和b类放大器的组合折衷,它也使用dc偏置电流,但它远小于单纯的a类放大器。小的dc偏置电流足以防止交越失真,从而能提供良好的音质。其功耗介于a类放大器和b类放大器之间,但通常更接近于b类放大器。与b类放大器电路类似,ab类放大器也需要一些控制电路以使其提供或吸收大的输出电流。
不幸的是,即使是精心设计ab类放大器也有很大的功耗,因为其中等范围的输出电压通常远离正电源或负电源。由于漏源极之间的电压降很大,所以会产生很大的瞬时功耗ids×vds。d 类放大器由于具有不同的拓扑结构,其功耗远小于上面任何一类放大器。d类放大器的输出级在正电源和负电源之间切换从而产生一串电压脉冲。这种波形有利于降低功耗,因为当输出晶体管在不导通时具有零电流,并且在导通时具有很低的vds,因而产生较小的功耗
D类放大是真正意义上的“白开水味”放大,它可以不带箱子色彩的去放大一个信号,
但因为功率大小的关系,这类扬声器,一般也不会做的很“大”
但这类放大器对于一些“器乐”,现场质感人声
的还原就差强人意,不是因为它不好,而是,所谓的“现场感”
是因为扬声器之间,存在了串音,箱体互动
的结果导致的,所以无法真正意义完全还原。