高精密度的音量控制器計畫其實已經討論蘊釀很久了,只是一直沒有想到一個可以兼顧各方面性能的方式,所以一直都沒有規劃出來。
音量控制器扮演的角色很單純,就是控制音量大小,我們會希望音量控制器除了控制音量之外不會帶來其它負面的影響。所以理想上我們希望:1.輸入阻抗要恆定、2.輸出阻抗要恆定、3.每聲道之間的誤差要很低、4.雜音要很低。不過在現實上要滿足這四個條件並不容易,接下來我們來分析一下目前各種常用的音量控製器的優缺點。
常用音量控製器優缺點分析
目前市面上常見的音量控制器有幾種型式:
第一種是最常見的碳膜VR,音響上常用的是A Type的,此種VR的優點是輸入阻抗恆定,缺點為連動誤差很大,輸出阻抗隨音量大小而變動,小音量時輸出阻抗大、大音量時小,聲音表現不同型號差異頗大。
第二種則是為了改善碳膜VR電阻品質不佳,改採多段式波段開關配合多顆電組的級進式VR,這類使用波段開關做成的VR主要有三種型式,Serial、Shunt、Ladder Type。
- Serial Type的音量控制器輸出阻抗不恆定,優點是架構簡單,缺點則是段數和電阻量成正比,越多段訊號通過的電阻越多,所以雖然造價便宜,但較少在音響系統上使用。
- Shunt Type比較好一些,輸出阻抗恆定,但是輸入阻抗並不恆定,隨音量大小而變,關於音響圈子裡流行的一種說法:「Shunt Type的音量控制器訊號只通過一隻電阻,所以只要這隻電阻用好一點的就可以了」,這種說法就直觀上來看似乎合情合理容易被接受,但是實際上訊號並不止通過一隻電阻,因為這類音量控制器是採用兩個不同阻值的電阻分壓的方式來衰減訊號,訊號會通過這兩隻電阻,然後在兩隻電阻的交點取出訊號,所以實際上這兩隻電阻同樣重要。
- Ladder Type是長的像梯子型狀的一種模式,每一段都用兩隻獨立的電阻來分壓,和傳統的VR一樣,輸入阻抗恆定,但是輸出阻抗也是隨音量大小而變動,較一般碳膜VR好的地方是只要電阻誤差小,每聲道的誤差就會小。
不過使用波段開關有一些缺點:1.通常波段開關的段數不夠,一般用24段,好一些的48段,音量大小的級距大。2.波段開關裡同的簧片用久了容易磨損造成故障。3. 切換時有時會內部簧片會卡住沒正確接上,造成沒有聲音或爆音。
第三種音量控制器使用繼電器來取代波段開關,同樣分成Serial、Shunt、Ladder三種型式,這三種型式的優缺點與上述相同。而使用繼電器比使用波段開關好的地方是繼電器的切換比波斷開關信賴度高,不會有卡簧片的問題,故障率也比較低,算是波段開關型的進階版本,不過在設計上需考慮到繼電器線圈干擾的問題。
R-2R式音量控制器分析
由於上述的一些缺點,近年來許多廠家開始將音量控制器設計焦點轉到R-2R型式的音量控制器。R-2R網路在一開始常被使用在ADC與DAC之中,是一種以二進位開關方式控制訊號的方式,好處是只需要少量兩種不同阻值的電阻就可以達成很多段的控制,而且因為只有兩種阻值,在生產製造時比較容易取得低誤差的電阻。其可控制的段數為二的次方數,舉例而言,有八組開關時就有二的八次方,256段。九組開關有512段。
不過直接使用R-2R網路做為電壓分壓式的音量控制器並不合適(雖然是有廠商直接這樣做),一方面當電壓訊號通過太多電阻網路時所帶來的干擾與雜音不容易控制,另外一方面是因為R-2R網路的特性為輸出阻抗恆定為R,輸入阻抗在R~4R左右變動,如果因為想要得到足夠大的輸入阻抗,舉例而言,將R-2R網路設定為10K、20K,此時輸出阻抗恆定的高達10K、輸入阻抗則在約10K~40K之間變動,此時輸出阻抗過高,等同一般音量控制器在小音量時的狀況,會造成下一級放大器的性能劣化,這也是為什麼常有人說一般VR要轉到一定的音量才會好聽的問題。而如果為了遷就低輸出阻抗而將阻質降低,此時輸入阻抗又會太低,不管如何設定都不容易取得平衡點,所以並不適合直接使用,必須進一步搭配電路才行。
高精密度級進音量控制器設計筆記
<<使用了四顆OP搭配10顆VISHAY DG213 Analog Switch做出的高精密度音量控制器>>
分析完各種音量控制器之後,回頭再思考一開始提出的幾個目標:1.輸入阻抗要恆定、2.輸出阻抗要恆定、3.每聲道之間的誤差要很低、4.雜音要很低。繼續尋找可以滿足所有條件的設計方式,結果有一天翻閱音響雜誌看到Mark Levinson No 32前級的音量控制器長的很奇怪,上頭一堆IC不知是幹嘛的,不過看起來很有趣的樣子。便去抓了一張大解析度的電路照片來研究研究。
<<Mark Levinson No 32前級用的音量控制電路>>
仔細研究後猛然一驚,這種架構好阿!誤差低、雜音小、開關使用CMOS類比開關不僅切換速度快,而且不會像機械式繼電器一樣會發出噪音,耗電量極低干擾小。最重要的是Mark Levinson的開發團隊巧妙的利用R-2R網路卻沒有直接使用R-2R網路做為電壓分壓的缺點。實際上也不算是新的R-2R網路應用方式,不過,電路很多,重要的是人家有想到可以這樣用。
有了一個好的設計方向後,我們開始以這樣的理念開發本站的高精密度級進音量控制器,首先是CMOS Analog Switch,雖然市面上有很多型號可以選擇,不過既然Mark Levinson使用了VISHAY DG213,音質有保證,所以就決定使用DG213當成開關元件。再來是音量段數,我們洗了幾次電路板後決定使用10顆DG213來做成512段的音量控制,使用比較特殊的電路技巧來來達成-80dB ~ 0dB 的變化,經過實際測試之後,在-80dB ~ -60dB之間以1dB ~ 2dB變化,而在比較常用的-60dB ~ 0dB之間將級距縮小至0.2 ~ 0.5dB,達成總共128段的音量控制。
<<使用B Type 馬達VR維持傳統的操作手感,訊號不通過VR,僅僅作為音量偵測使用,不影響音質,另外同時可以使用紅外線遙控>>
在使用介面上,原本有考慮過旋轉編碼器、VFD/LCD顯示幕配合按鍵增減音量…等方式,不過考慮到裝機方面性和操作的手感上還是傳統的VR手感比旋轉編碼器好,音量顯示如果用用VFD/LCD顯示幕了話還要在機箱面板上挖洞,很不方便使用按鍵控制音量也不夠直覺。
所以決定使用馬達VR來控制音量大小,這個馬達VR只是當成一個直流電壓分壓器,利用分壓後輸出的電壓透過A/D轉換為數位資料讓微控制器得知目前需要將音量設定在多少。這樣的作法可以維持傳統的操作手感,又可以遙控的方式控制音量,維持了VR轉到哪邊,音量就是多少的直覺操作,這是目前我們討論出來一個兼顧音質與方便性的做法。
整個雙聲道的音量控制電路使用了四顆OP,讓輸入阻抗在全音量範圍恆定(可設定為10K ~ 100K,端看使用需要),輸出阻抗也在全音量範圍內恆定在1 Ohm左右。為了完全隔離馬達啟動時可能造成的微小電源干擾,馬達供電部份直接使用獨立的變壓器次級與整流濾波穩壓電路。在訊號路徑上的電阻維持傳統使用DIP式電阻,可依需要使用各種發燒電阻提升音質。
目前實測電器規格如下:
音量控制段數:-80dB ~ 0dB 128 steps (-80~-60dB 1~2dB step、-60~0dB 0.2 ~ 0.5dB step)。
雙聲道音量誤差:小於 0.1dB。
輸入阻抗:10K
輸出阻抗:1 Ohm (1 ~ 40Khz)
訊噪比:-110dB (A-Weight, +4dBu)
很棒的設計!不知價格如何!
價格精算中 應該相當平易近人
若正式上市, 小弟先訂一套!! 記得發一封e-mail給小弟!! 感激不盡!!
Size大小也很重要,可以的話拿一套塞在前級內!!
正式上市時, 我也想訂一套試試。
這個好!
我要smd的板本
利用CMOS類比開關作阻值改變跟AYRE AX-7好像歐 僅差在AX-7是用在兩顆號稱無負回受的高速OP上 作放大倍率的改變
會不會出100k的
請問一下:這個VR可否左右分開調整音量呢?
我常用單端管機的架構,會有此需求!謝謝!
請問可以接平衡的嗎?
想要一套,若正式上市, 記得發一封e-mail給小弟!! 感激不盡!!
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