解秘高保真前级（高保真前置放大器）

21355137 · 发表于 2008-10-15 13:07:05

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1 高保真前级（HIFI 前级，前置放大器）的作用

　　1.1 高保真前级（HIFI 前级，前置放大器）音量控制

　　很多高保真音频信号都很小，有的信号输出1Vrms（2.8Vpk-pk），有的信号源2Vrms，这样功放不能发挥足够的功率，需要把信号幅度放大，输入到功率放大器，然后通过高保真前级（前置放大器）调整音量，这是大部分人对前级（前置放大器的理解），当然这也是前置放大器或者前级最重要的功能，其实前级的作用远不止这些，后面会分别介绍。

　　前级信号幅度的放大（有些前级只是buffer，增益为0dB，1倍放大关系，常见的是10倍放大关系）是一个非常大的挑战，不仅要保证高保真信号源的原汁原味，更加重要的是要符合信号源输出的特性，引入尽量低的噪音（噪声），保持原来的信号的动态范围和信噪比，这就对电源的设计，器件的选择，系统的组装和设计提出了巨大的挑战，这也是很多前级为什么比后级昂贵的重要原因，尤其很多时候HIHG \\nEND 前级的价格都是出人意料的昂贵。

　　模拟HIFI 前级结构：

　　

　　【为什么非要用高保真前级（HIFI 前级，前置放大器）调整音量呢，利用声卡或者其他的数字方式可以实现吗？】

　　答：数字调整音量用的数字算法，比如16bit的DAC，通过乘除实现音量的变化，但是问题在于，计算机或者数字设备存储信息的时候才用的二进制的方式，没有办法除尽（余数不准确），只能取近似的数值，尤其音量衰减比较大的时候，会引入严重的误差和错误，这个误差和错误直接导致音质和听感的本质变化，这种误差和错误可以计算出来，详细的计算（纯粹的数学运算）这里不做讨论。

　　采用高保真前级（前置放大器），保证数字信号的原汁原味，然后通过模拟的方式调整音量（也有部分是数字前级，采用高级的DAC技术，比如32bit \\nDAC技术），这样就可以减小上面所提到的错误和误差（这种误差和错误仍然存在，只是影响非常小），模拟的方式也并非没有缺点，模拟的处理技术会引入多余的噪声（噪音），会引入低噪，同时还会改变信号的模拟特性，这些特性很难得到一个全面的优秀，更加多时候我们只有平衡各个因素的影响进行取舍，这也造成前级设计的困难和代价的高昂。

　　数字HIFI 前级结构：

　　

　　1.2高保真前级（HIFI 前级，前置放大器）隔离阻抗功能

　　前级的输入阻抗一般比较高，这样可以降低信号源的负担，不仅可以改善信号源的THD性能，也可以改善系统的频率响应。但是提高前级的阻抗也是把双刃剑，提高了阻抗，降低了信号源的输出电流，这样环境噪声的干扰力度会增加，如果处理的不好，会引入环境噪声到系统。

　　加上如果高保真前级（HIFI \\n前级，前置放大器）的电源设计的不是很理想，那么前级电源的很多辐射噪声，耦合噪声，这也会加载和影响到高阻抗前级输入上，这需要其他的技术（共模干扰抑制技术）来改善这方面的影响。但是更多的时候我们需要平衡两方面的影响，选择一个合适的方式实现系统的最高性能。共模干扰抑制技术也是一个非常复杂和困难的技术，后面单独介绍。

　　提高输入阻抗，降低了寄生电容对信号幅度的影响，这样改善了信号的质量（频率响应，THD+N，信噪比等等参数），等于变相的提高了系统的性能，让高保真更近了一步。

　　1.3 高保真前级（HIFI 前级，前置放大器）信号幅度放大和信号输出功率放大

　　功放的放大倍数都是有限的，一般是10倍比较常见，也有20倍的（比较少见），这样对信号的输入幅度就要求比较高，尤其一些大功率的发烧功率放大器，需要比较高的输入幅度才可以发挥功率放大器的性能。

　　我们就需要增加信号的幅度，如何高保真的放大微弱模拟信号（小功率，小电流，大摆幅电压），这就是高保真前级（前置放大器）的核心功能，如何最低失真的放大信号，同是保证原汁原味（低失真不代表原汁原味，slow \\nrate ，谐波分量也会影响听感）成为前级设计最大挑战，调音和搭配参数也称为高保真前级最难最费时间的工作。

　　高保真前级（前置放大器）信号放大，另外一个重要的功能就是提高输出电流能力，很多功放输入阻抗比较低，小于10K比较常见，部分功放600 \\n欧姆，这样就需要一个比较好的前级驱动，如果信号源直接驱动，就会给信号源造成比较大的负载，增加信号的失真，影响听感。前级一般具有比较低输出阻抗，好的前级一般小于50 \\n欧姆，部分顶级前级小于10 欧姆（或者1 欧姆）。前级的输出阻抗小了，会带来其他的挑战和难度，这里不做分析和讨论。

　　1.4高保真前级（HIFI 前级，前置放大器）音色调整

　　HIFI \\n发烧领域流行的话就是“前级调声，后级出力”，很多人不理解这个老生常谈的经验理论。通常来讲，优秀的后级本来就不该有音色的（原汁原味），在力气（功率，摆幅和输出电流）足够的前提下，输出阻抗越小，低噪越干净、失真越小，slow \\nrate 越高越好（后级的参数不在本文讨论）。那么音色为什么由高保真前级（前置放大器）决定呢？

　　这里我不得不提到偶次谐波问题，晶体管交越失真和和非线性失真引起奇次谐波能量分布增加，人耳朵的结构对这种奇次谐波比较敏感，最容易引起人们感觉刺耳，烦躁的感受，而偶次谐波会比较讨好耳朵，即使失真比较大，给人一种温暖甜美的感觉，即使失真大于0.5%，仍然给人一种美好甜美的感受，而奇次谐波0.05%相差一个数量级，负面的影响缺远远大于偶次谐波的正面影响！

　　其实音色的影响也远非谐波问题的影响，还有slow rate（压摆率，转换率）的影响，slow rate \\n是系统一个比较复杂的因素，它和后面的负载情况有很大的关系，通常信号源因为成本，空间等因素影响，不能提供一个变化比较小的slow rate \\n模拟音频源，这样在不同频率信号源，容性负载（寄生电容），负载阻抗，寄生电感，产生不同的slow rate 变化，不同的设计，不同的结构有的时候slow rate \\n变化很剧烈，比如从4V/us-100V/us 剧烈的变化。我们单方面评估谐波失真（可以使用仪器测试）的时候只能从一个方面反应音色的影响，slow rate \\n对音色的影响却很难评估，只能从听感变化感受。

　　优秀的前级就是保持合适的偶次谐波（低失真），同是让slow rate \\n（压摆率，转换率）比较均匀（很难做到），这是调音的任务量最大的地方，这也是前级设计的最核心技术。尤其HIHG END 前级之所以标示HIHG \\nEND，很大原因就是他们有这个独门绝技。

　　当然可以前级降低系统互调失真的影响（互调失真也会影响频率分量，进而影响音色），这主要是和驱动能力，谐波失真有关系。

　　互调失真也会影响音色（频率分量的变化），声音的信号不是单独频率，是千变万化无数声音叠加的结果，不同的频率叠加，相减产生其他的频率分量，引起音色和听感的变化，我们尽量控制互调失真的影响（需要高的开环增益，和高的slow \\nrate），这也是一个非常复杂的学科，这里不做讨论。这里只是说明一下互调失真的影响。

　　1.5 高保真前级（HIFI 前级，前置放大器）提高系统的信噪比

　　我们要首先明白什么信噪比，信噪比简言之就是信号噪声比【正常声音信号与无信号时噪声信号（功率）的比值】，

　　实际上主要的噪声来源为环境噪声辐射影响，工频（及其谐波，倍频）220V电源噪声，电源抑制比的影响，信号输出辐射噪声等。

　　如果把前级单独设计，我们可以从理论和措施降低上述噪声的影响下面分别讨论一下本质的原因：

　　环境噪声辐射影响：这是一个综合的因素，需要一个屏蔽比较好的外壳和措施降低环境磁场的影响，前级功率比较小，我们可以选用比较好电源变压器（屏蔽好，阻抗低）降低磁场干扰，具有比较大的安装空间，我们可以采取一些空间的措施降低磁场干扰的影响。

　　工频（及其谐波，倍频）220V电源噪声：工频干扰，因为功率比较低，我们可以采用比较优秀的电源设计技术（LDO技术），提供前级的电源受工频的影响，甚至我们可以选用更大的容量电池来降低工频的影响。

　　电源抑制比的影响：

　　缺少了功率输出的影响，可以即使同样的电源设计（相同负载调整率，相同pssr），系统的动态纹波也会大大降低，直接提高了系统的性能，等于提高了系统的pssr。

　　信号输出辐射噪声：

　　缺少功放功率信号的输出的，直接降低了信号输出辐射的影响，提高了系统的性能。

　　1.6 高保真前级（HIFI 前级，前置放大器）共模噪声去除

　　共模噪声定义非常简单，就是外界噪声对信号线产生相同（相位）的噪声，这种噪声可以通过信号线和系统传输到信号的输出端编程差模信号，这个差模信号和共模信号之比就是共模抑制比。

　　共模抑制比处理技术是模拟信号处理技术非常核心的技术之一，只有比较高级的前置放大器才具有这种功能，前置放大器的共模抑制比，牵涉到系统的方方面面，每一个环节都是非常关键都会成为瓶颈，每一个环节的提升一点点都会造成成本不成比例的疯长。

　　共模抑制比的核心作用就是让前级把外界对传输信号源的外界干扰噪声，前级内部噪声的免疫（尽量小），让系统有一个高性能的信号复原和再现能力，是模拟信号处理技术难度非常高的技术。很多商家拿出来运算放大器来说共模抑制比参数多少，实际上共模抑制比能够做到10Khz \\n-60dB 都已经很困难了，更别提100dB 20Khz了。

　　当然我们也可以做到更高的共模抑制比，这个参数付出的代价也是很大的，尤其对于低成本的设计，是非常不划算的，也是市场著名HIFI前级机器很少有共模抑制技术的本质原因。

　　当然标牌上有HIHG END 前级的产品一般具有共模噪声去除技术，甚至会把CMRR的能力和参数标在显眼的地方，这是非常重要的核心竞争力之一。

　　高保真前级（HIFI \\n前级，前置放大器）共模抑制比的核心处理技术就是电路对称性，如何实现电路尽量对称是非常困难的任务，任何器件非模拟，都会发生变化和一定寄生参数，电阻准确吗（0.1%精度理论只能做到CMRR60dB，实际远远做不到，可以想象才用0.01%精度的电阻成本大家是什么样子的），耦合电容准确吗，运放的寄生参数对称吗？所有的一切都是成为瓶颈，所有的一切也是成本疯长的重要原因。这也是我们很难看到市场上著名机器的共模抑制参数的本质原因。

　　1.7 高保真前级（HIFI 前级，前置放大器）滤波器的作用

　　滤波器的主要作用是处理DAC之后的带外噪声，对于前级的滤波器的作用不同人的意见也大不相同，滤波器的引入也是一把双刃剑，无论我们选用何种结构的滤波器，都会对声音产生一定的影响，滤波器平坦度，相位影响（延后和超前），瞬态响应，对slow \\nrate （压摆率，转换率）的影响等等，对音色的影响都是比较难界定的。

　　这里不讨论旅滤波器的理论问题，只是简单罗列一下其影响而已。详细的研究请阅读：

　　电子滤波器设计（作者：（美国）ArthurBWilliams 译者：宁彦卿出版社：科学出版社）

　　1.7 高保真前级（HIFI 前级，前置放大器）选择和分析

　　高保真前级（前置放大器）是高保真系统的核心产品之一，关系到系统的最高性能，前级也需要搭配和选择也是非常有讲究的事情

1.
如果后级和信号源不是非常优秀（信号源THD+N 大于0.01%，功放的THD+N失真大于0.01%，DNR \\n小于100dB，信噪比大于-96dB）

　　可以选择电子管的前级，或者偶次谐波失真较大的前级，就是人们常说声音暖，比较甜的前级，这样的前级可以通过偶次谐波压制奇次谐波的影响（前级失真度一般大于0.05%），即使系统不是非常优秀，仍然可以取得较好的听感。

　　2.如果后级和信号源非常优秀（信号源THD+N 大于0.001%，功放的THD+N失真小于0.005%，DNR \\n大于110dB，信噪比小于-110dB）

　　系统搭配就非常关键，当然也可以搭配上面的HIFI前级，但是上面的第一种前级不能发挥系统的整体性能和潜力，引起系统性能闲置。常规来说，如果稍有的口袋资金有限不要挑选标示有HIHG \\nEND 前级字样的产品，因为不搭配也没有意义。

　　可以两种选择：

　　追求高保真不计成本（HIHG END 前级选择规则）：选择失真尽量低的前级（比如THD+N小于0.0005%，slow rate 大于20 \\nV/uS，DNR大于120dB的前级），追求尽量低的失真（奇次谐波的影响已经感觉不到），当然高性能也代表着高成本。

　　下面为我设计的的模拟前级放大器（放大倍数为4倍，12dB）测试结果，测试条件如下：

　　测试设备：R/S UPV

　　信号源为0.25Vrms 1kHZ（超低噪音信号源模块，非DSP信号源，实际测试THD+N为-115dB@0.5Vrm \\n）采样数据为256k，带宽80Khz

　　电位器：音量最大（直通，0dB）

　　下图为测试设备0.5Vrms 输入输入信号源失真自测测试数据：

　　

　　下图为我设计的HIFI前级放大器0.25Vrms 输入1Vrms 输出失真测试数据（600欧姆负载）：

　　

　　追求高保真考虑成本：选择失真低的前级（不是尽量低），THD+N小于0.005%，slow rate 大于20 \\nV/uS，DNR大于110dB的前级），可以试听感觉一下听感（0.001%奇次谐波还是可以感觉出来的），合适的成本选择适合的高保真前级（HIFI \\n前级，前置放大器）。

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