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发表于 2024-11-18 15:36:56
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前级放大器中的音量控制
老井
在前级音频放大器中，音量控制不仅是一个非常重要的功能，而且音量控制电路对整个前级音质也有着不可忽视的影响。随着对音量控制机理认识的不断深入，高保真前级放大器的音量控制方式几十年来从传统的简单电位器逐渐进化到现代复杂的数字音量控制电路。音量控制到底有何奥秘，各种音量控制方式又有什么特点？本文将试着做一个简要的介绍。
◆传统电位器
传统电位器的优点是使用方便，音量变化连续无跳变，带马达的型号可以很容易地实现遥控，价格便宜。缺点是同步精度差，起始音量附近的同步误差常常可以高达几个dB,而且输出阻抗随转动位置而变化，中间位置的附近的高阻抗容易衰减高频，相互间有限的同步性能往往能使精确的电路平衡性能遭到破坏。可以这样说，一旦用上这类同步精度有限、输出阻抗不确定的电位器（哪怕再名贵的品种）的放大器，其性能与Hi-End基本就没啥关系了。
即便像日本阿尔卑斯公司的RK50系列这样当今音响电位器中的顶尖产品，在起始位置时的同步误差也有2dB。
◆分档式电位器
用高质量波段开关加上分体电阻焊成的分档式电位器，优点是解决了同步精度问题，触点材料和开关结构良好时。这种电位器的使用寿命可以远远超过普通电位器，由于是以档位方式改变音量，没有电位器滑动接触可能产生的“沙沙”的噪音，能给人声音干净、定位准确的感觉，搭配不同个性的电阻时，可能取得不同风格的音色。分档式电位器的不足首先是无法做到音量的精细调节，通常情况下音量控制至少需要60dB调节范围，否则无法调低至深夜听音乐时所需的小音量，而旋转开关一般也就30至40个档位，60dB调节范围平均分配的话，每档1dB都做不到，为兼顾大音量位置尽可能小的响度跳变，又要满足足够轻的最低响度，通常的做法是在最大音量附近的十几dB范围以每级以1dB变化，朝下逐渐加大每级的变化量，最小音量附近经常会达到每级2至3dB甚至更大的音量跳变，这就是其音量变化不够精细的原因所在。与普通电位器一样，分档式电位器一般采用左右声道同轴联动，在双单声道放大器中使用也会遇到两声道电路难以彻底分开的头痛问题，少数放大器不惜费工费时使用同步皮带来联动分装两处的分档式电位器，那毕竟是极个别的极端例子，不太容易实现遥控是分档式电位器的另一不足。
分档式电位器完全没有普通电位器略带粘滞的的柔顺手感，是否适应完全取决使用者的偏好。
无论电阻串抽头方式还是每档位单独分压方式，同时保持电位器输入和输出阻抗恒定的问题，在分档式电位器中依然没有得到有效解决。
从实用角度看，分档式电位器比较适用于经常处在较高音量位置的小功率放大器。
◆继电器电控衰减器
用继电器加电阻网络组成的音量控制源自于“电控衰减器”。频率升至射频领域后，由于电位器或开关+电阻的方式因阻抗的不确定性和分布参数的影响，在频率升至几十兆后，基本上就退出了大幅度调节、控制信号幅度的阵地，取而代之的就是电控衰减器。用继电器加计权电阻衰减网络（即每个衰减器的衰减量分别被设计成1dB、2dB、4dB、8dB……）组成的电控衰减器是电控衰减方式之一，它可以方便地安放在最有利于信号途径的位置，通过电信号控制继电器来切换衰减网络，以得到所需的信号幅度。
如果与标准电控衰减器一样，每个衰减单元使用特性阻抗恒定的∏或Y型网络，这种音量控制方式可以得到全音量范围一致的频响特性，在任何音量位置保持十分良好的解析度。
继电器方式音量控制的优点是，因一组控制信号可以同时控制多个音量单元，很容易实现平衡放大器所需的4联或更多的多联同步控制，由于继电器使用的数量不会像选旋转开关档位数量那样受限制，音量控制的步进量可以做到非常精细。
作为电控开关的继电器，除了通过切换计权电阻衰减网络外，也可与R-2R权电阻网络组成的数控音量电路完成高性能音量控制。由于继电器开关触点电阻低达mΩ级，只要选择的是低非线性触点的信号切换继电器，配合高精度计权衰减网络或R-2R权电阻网络，都可能实现静态性能堪称卓越的极品级音量控制性能。
如果仅仅是用继电器来替代旋转开关接通一个电阻串上的抽头，或切换不同的分压电阻对，这时的继电器控制音量除了可以比开关方式缩短信号路经及便于左右声道分开独立安装外，在提升音质方面不具有实质性的改善。
旋转开关方式的音量控制器，无论触点是先断后通式还是先通后断式，都无法避免在切换过程中音量偏离下一档位的准确值，先通后断式情况还好一点，用先断后通式开关时，音量将经历“有—无—有”的巨变过程，在这样的情况下那怕焊上的是再名贵的电阻，调节音量时对音乐的破坏与一个沙沙作响的破电位器几乎不分仲伯。提出旋转开关式音量的这个短处，是为了解释继电器音量控制器的类似缺憾，因为不同继电器交替时，也有短时间的音量突变，当有听者静心聆听时，这种音量突变几乎可以打断听者心中流淌着的音乐旋律，很是煞风景。可能正是这种可能破坏旋律的固有瑕疵，在真正的Hi-End产品中，几乎难寻这种性能可能达至卓越程度的继电器方式音量控制的踪影。
◆电子音量控制器
非机械接点切换的音量控制可统一归入电子音量，其方式繁复多样，性能鱼龙混杂，到目前为止，性能最差和最顶级的都在其中。
电子音量控制的出现比电位器晚得多，最早被大量使用是在电视机的芯片中，被称为直流音量控制。它用一个电位器改变送入芯片的直流控制电压来改变芯片中放大器的工作，从而控制其增益，达到音量控制的目的。这种音量控制方式可以避免音频信号线往返通过电磁干扰严重的机内空间，大幅降低受干扰的机会，有其特殊的存在价值。因为改变工作点的同时不可避免地引入附加的非线性失真，直流音量控制对是音质最差的电子音量方式，只有电视机、收录机、低档汽车音响等对声音质量要求不高的产品在大量使用。直流音量控制的大批量使用及其低劣的音质，是造成人们对电子音量方式普遍印象不好的主要原因。
性能比较好的电子音量是电子电位器，其基本方式是用电子开关对衰减量按dB分配的电阻串的抽头进行切换，可用分立元件组成，也有被集成在芯片之中的，与继电器切换的步进式音量相比，电子开关的切换速度可以达到ns级，比继电器的ms级速度要快上好几个数量级，听感上没有音量断续的感觉。高级的集成音量控制芯片，如TI公司的PGA2320等类似的芯片在降低音量的同时还能同时切换芯片内放大器的负反馈量，以达到更低的噪声输出。像PGA2320这种数控模拟电子音量芯片目前已经可以达到的性能是：音量控制范围+31.5dB至-95.5dB ，0.5dB步级，0.0003%THD+N（1KHz），动态范围120dB，两声道间串扰-126dBFS。从性能指标来看，这种电子音量芯片低同步误差、性能永久不变的特点，就足以使绝大多数机械电位器显得落后一大截。串行数据控制的电子音量芯片在微处理机的控制下，可以实现的精细音量遥控、开机音量预设、音量淡入淡出、静音衰减量预设等众多方便实用的功能，更是传统电位器所无法望其项背。强大的操控性能加上良好的音质表现，已使商品化的数控模拟电子音量芯片在Hi-End放大器中的频频现身显得十分顺理顺章。
迄今为止，最高级的音控形式，当属各方面性能都趋于完美的R-2R权电阻网络构建的音量控制。这种音控方式源自于D/A转换器，阻抗恒定的R-2R权电阻网络使得这种音控方式成为目前唯一实现频率特性与音量位置无关并得到实际应用的理想音控方式。为便于讨论，我们暂且称这种由R-2R权电阻网络为主组成的音量控制器为D/A式音量控制。在D/A式音量控制中，输入的音频电压首先被转换为按照二进制权重等比例递减的音频电流（V-I转换），然后通过外部控制数据来切换R-2R权电阻网络的合成输出电流，最后再通过高性能放大器把音频电流再转换成音频电压（I-V转换），完成近乎理想的音频电压幅度调节。音频信号被转换成电流后，在低阻抗R-2R网络中进行音量变换时不会再受外部干扰，因此能保持极高的信号纯度。D/A式音量控制没有信号时有宛如深海般的寂静，不像普通电位器，用手稍稍接近都能在喇叭中听到哼哼作响的干扰声。在D/A式音量控制器中，音量的最小变化量取决于控制位数，10比特时，可以实现1024级音量变化。与传统电位器相比，D/A式音量控制器的音质与音量位置高低完全无关，即便在很小音量位置，也能传送出非常丰富的细节，保持饱满丰润的音色。
D/A式音量方式出现后，有实力的Hi-End厂家都早早地把音量控制技术之争的主战场纷纷移至研究方式各异的D/A式音量，在沿用传统电位器的低端厂家面前迅速形成声音品质上的鸿沟，不动声色地摆脱竞争上的纠缠。可怜处于技术低端的厂家就只能用购买越来越昂贵的电位器型号，试图让人相信其产品音质还在随之提高，可惜再昂贵的电位器也无法克服其机理上的缺陷，音量从高调低时音色随之晦涩、音场随之收缩的状况与用D/A音量的产品始终阳光般开扬的音色对比，犹如恶梦缠绕，挥之不去，成为很多厂家压在心头的难言之痛。
D/A式音量控制器的缺点是高成本，为控制和显示音量值，需要有显示器件和微电脑芯片协同工作，技术难度高，在DIY领域基本上了无踪迹，鲜为人知。
电子音量控制器应用实例
较早使用这种高性能D/A式音量控制的，老牌发烧厂家Audio Research是其中之一。自97年出品的LS8起，Audio Research就放弃了自LS1起一直沿用的ALPS蓝壳电位器，不动声色地使用上了其声称“音量控制为音色惊人透明顺滑的64级微处理器控制器件……其中40级为0.5dB步进，提供精确的控制与同步”的电子音量控制。而发烧友的听感察觉稍有滞后，很快地“ARC LS10以后高电平前级声音更好”就成了ACR拥趸们的普遍共识。从早期的LS8中我们已经可以看到，产品中只用一个单连电位器来控制两个声道的音量，也不搞音量数显示（直至LS17启用LED指示），粗看与电视机中的直流音量控制很相似，其实有着天壤之别。其真正的实现过程是：先把电位器输出的直流电压通过A/D转换器取得与电位器偏转角度对应的控制数，再用这组控制数同时控制两个声道中相同的D/A式音量控制器，以实现高音质无同步误差的音量控制，首次突破机械电位器的音色瓶颈，取得发烧友一致为之津津乐道的显著的音质提升。尽管如此，厂家对产品中音量控制技术洗心革面般的升级，在宣传中却始终保持令人难以置信的低调，几乎没有人将ARC产品出众的声音表现力与其音量控制技术升级相联系。这与有些花钱买个名贵电位器安在机中并大肆喧嚣的厂家的做法完全大相径庭，值得玩味。可惜的是Audio Research的D/A音量止步于104级精度，再也没有进展。
PS Audio在其高级前级 GCP-200 中使用的是他们引以为豪的、称为“Gain Cell”的独家音控方式，虽然没有公布细节，但从公司官方网站提供的图片看，他们把音量控制移到了极其靠近输入端的地方，并用模块的形式固封，只留出连接电信号的接口，从图片看，传统电位器在其产品中确已隐退了。
Gryphon在其Mirage前级中使用的是“50级微处理器控制的继电器音量衰减器”，在其Sonata Allegro前级中使用的已是“微处理器控制的无源电阻器音量控制”，都不再使用传统电位器。
再看看Burmester的代表作前级808MK5，图片下方显示窗中的音量数值明示了其使用电子式音量，产品简介中寥寥一句“两个极端同步和精确的音量控制器”，再一次地告诉我们，在严谨的德国人身上，保持技术先进与追求精确的传统永远不相矛盾。令人感到不快的是，保守的德国人完全不肯透露任何细节，使喜欢追根刨底的发烧友倍感失望。
老牌Mclntosh落后了吗，拿他家C1000和C2200前级看看吧，他们的音量称作VRV (可变比率音量)，“214级，每级0.5dB,0.1dB以内的精确度”，尽管看似用PGA2320之类似的芯片就能实现，但也说明一个历史悠久的老牌厂家，终究也在电位器和电子音量间做出了抉择。
Accuphase是发烧厂家中为数不多的全面保持技术先进的厂家，其新前极C2410所使用的是他们称之为AAVA的、由16bit电流开关所组成的有65536级分辨率的电子音量控制器，为追求梦中的声音，他们竟也忘却了其同胞ALPS漂亮的RK50。尽管Accuphase产品从来要价不菲，但看看他们的PDF你就能感觉其实是物有所值，比起那些用大牛重铝大水溏充斥的毫无新意的“称量级”产品，这样的高性能、高品质产品难道不是性价比更高吗？Accuphase的AAVA同样可以使我们看到当今Hi-End放大器音量控制技术发展的前沿水平。
大佬级的Krell产品也当然也不可能甘居人后，从他家官网列出的现役前级产品来看，已然全系列悉数实现电子音控。看看他们在Evolution Two 前级介绍中有关音量控制器的一段文字：
“……Evolution Two音量控制是由数字控制的模拟电路来实现的，有216级分辨率，它使用了低电阻值高线性度固态开关和分立的精密电阻，为了低噪声和信号的高线性，控制信号以光学方式偶合至固态开关。典型的音量控制器在电压领域工作，它引入频率响应和相位的异常并随着衰减量而变化。Evolution Two中在电流领域工作的衰减器消除了这些异常，使声音展现出特别平缓和延伸的高频。音乐像出自于漆黑的寂静……”
关于Evolution 202的音量控制：
“……音量控制用16bit平衡阶梯电阻来实现——前级电路放大器的带宽和瞬态响应事实上已不再受音量调节的影响……”
同是美国发烧厂家，Mark Levinson的做法也可算是高调出击，他们凭借强大的技术实力大张旗鼓地用顶级零件打造出堪称史无前例的平衡式D/A式音量控制器，让世人再次领略什么叫登峰造极，这种几近疯狂的音量控制器的出现，再一次诠释了Hi-End“决不妥协”的精神实质。Mark Levinson产品中的D/A式音量控制器的控制位高达16bit，可以实现全程为65536个（2的16次乘方）等级的音量调节，产品中实际设定的音量变化等级达到了0.1db的精细程度，树立了当今音量控制技术的全新标杆，傲视同济。Mark Levinson产品洁净无染、精准无比的声音表现，用独门秘技打造的高品质的音量控制器，应当是当之无愧的头号利器。
由于D/A式音量控制器中R-2R权电阻网络的阻值通常远低于普通电位器，所以它可以取得电阻式音量电位器通常所无法达到的超低噪声水平。使用超级D/A式音量控制器的Mark Levinson前级产品的代表作No.32的整机输出噪声低至-120dBV（1uV），这是怎样的概念呢？简单地说就是接在任何后级上，你永远无法用耳朵辨别前级是否开机，当然，这也是用商品化的数控模拟电子音量芯片做成的放大器或用普通音量电位器做成的放大器所无法企及的另一品质高度。前面提到过的高级的音量控制芯片PGA2320，尽管噪声也已低至10.5uV的优异水平，但如果一台前级用上一片的话，即便机内所有其它零件和电路都完全没有噪声的，它的整机噪声也要比No.32高出10倍以上，同理，一个100K电位器在音量中间位置时，音频带宽内仅这个电位器的电阻热噪声就要达到4.1uV，况且机内还有其它零件和电路的噪声。
从分析音量控制器噪声水平着眼，我们可以窥一斑而知全豹，对于真正的极品级产品，没啥真把式的产品几乎没有超越前者的任何可能，这是一种难以逾越的可怕的差距，尽管99%以上的人看不到或根本不在乎。
众所周知音量控制是前级的灵魂，几乎所有知名品牌在前级产品的竞争中，音控方式始终是角力的焦点，也是最具实际研究空间的核心环节。为设法减低音控单元的插入对音质的影响，各产厂家在顶级产品的音控方式方面的探索都可谓不惜余力，并把所取得的成就视为独门法宝，当然也有厂家在产品介绍时三缄其口，把好的声音归因于电容、灯胆等处在明处的普通零件，或归因于不着边际的校声技术，着实值得思量。
《现代音响技术》第152期 |
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