Item: TÌM HIỂU AMPLI KỸ THUẬT SỐ
Rating: 5
Author: BOSS PLC

TÌM HIỂU AMPLI KỸ THUẬT SỐ

Công nghệ số ngày càng trở nên phổ biến trong đời sống con người. Đối với hệ thống dàn âm thanh, công nghệ số hiện diện ở khắp nơi, từ đầu CD, DAC cho đến các bộ tuner…

AMPLI ANALOG VÀ AMPLI DIGITAL

CẤU TẠO CỦA AMPLI DIGITAL

Cấu tạo của ampli digital khá đơn giản. Trong đó, những thành phần chủ yếu bao gồm: 1. Khối chuyển đổi tín hiệu digital, 2. Khối driver, 3. Khối chuyển mạch công suất (power switching), 4. Bộ lọc Low Pass Filter. Tất nhiên, ngoài những bộ phận kể trên, còn có bộ phận nguồn đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong việc cung cấp nguồn ổn định cho toàn máy, từ bo mạch chuyển đổi tín hiệu digital đến bo mạch switching cuối cùng; thiếu nó toàn bộ hệ thống cũng không thể hoạt động được. Để lý giải được nguyên lý hoạt động cơ bản của ampli digital được dễ dàng, chúng ta bắt đầu từ việc tìm hiểu cấu tạo cơ bản của ampli digital hoạt động theo phương pháp nhận tín hiệu analog ở đầu vào theo phương thức PWM. Đầu tiên, các tín hiệu analog được gửi tớii từ preampli hoặc CD sẽ được xử lý qua bo mạch chuyển đổi tín hiệu digital để thu được một tín hiệu sóng vuông có biên độ là 2 giá trị (giá trị 0 và giá trị 1). Tiếp đó, với bộ chuyển đổi A/D PWM, hình dạng của sóng analog được thể hiện bằng những độ rộng đỉnh xung tương ứng. Sau đó, bo mạch driver sẽ điều chỉnh các trạng thái điện áp của sóng âm thanh phù hợp với sự đồng bộ về thời gian của hệ thống. Việc đưa âm thanh ra hệ thống loa là chức năng chính của bo mạch switching điện áp. Dựa theo những tín hiệu của dạng sóng âm được gửi tới từ bo mạch driver, transistor đầu ra sẽ làm mỗi một nhiệm vụ là điều chỉnh việc đóng ngắt dòng điện. Khi ở trạng thái tắt, điện áp có giá trị là 0. Ở trạng thái mở, dòng điện được chuyển qua có cường độ mạnh nhất có thể. Nếu là ampli analog, khi cường độ âm thanh cao, các đỉnh của sóng âm thanh bị méo thì sẽ ảnh hưởng rất nhiều tới chất lượng âm thanh. Song đối với ampli digital, do không sử dụng các sóng âm thanh có các đỉnh như trong sóng analog nên không lo ngại đến việc ảnh hưởng chất lượng âm thanh bởi hình dạng của sóng. Cuối cùng, bo mạch đầu ra Low Pass Filter lọc tất cả những tạp âm sinh ra tại các đầu ra của ampli digital có chất lượng khá hoàn hảo, gần giống hệt như âm thanh analog vậy.

PHƯƠNG THỨC CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU ĐẦU VÀO

Yếu tố kỹ thuật cốt lõi của ampli digital có đường vào nhận tín hiệu analog là bo mạch chuyển đổi tín hiệu digital, đây chính là sự sáng tạo của các nhà sản xuất ampli. Khối chức năng này được gọi tên là bộ chuyển đổi A/D. đối với ampli digital dùng phương thức PWM để xử lý tín hiệu analog, đầu tiên cần phải chuyển đổi A/D (tức là từ analog thành digital). Đây là một phương pháp cổ điển, dựa trên sự kết hợp giữa tín hiệu analog đầu vào với sóng tam giác để tạo ra tín hiệu PWM. Tần số của sóng tam giác cần phải được thiết lập sao cho cao hơn so với tần số mà tai ta có thể nghe được; nói một cách dễ hiểu hơn đó là ta có thể hình dung được các đồ thị dạng sóng được chồng ghép lên nhau thì vị trí giao nhau của các sóng này chính là phần ngăn đoạn của các khoảng xung.

Đến đây, có lẽ có nhiều người sẽ cho rằng không nhất thiết phải cần kỹ thuật phức tạp đến như vậy mà chỉ cần sử dụng bộ chuyển đổi A/D converter có tính năng tốt vẫn thường được sử dụng trong các máy ghi âm số là đủ. Tuy nhiên, trên thực tế dạng xung ra của ampli digital với tín hiệu ra của bộ chuyển đổi A/D converter thông thường là không giống nhau. Với ampli digital sử dụng phương thức PWM, với việc ta tăng tần số của sóng tam giác thì ta có thể chia nhỏ hơn nữa các xung, từ đó dẫn tới khả năng cao độ phân giải của các tín hiệu đầu ra, nói khác đi là làm cho tín hiệu đầu ra “mịn” hơn.

Ampli digital rât mẫn cảm với những biến động điện áp nguồn; tức là những biến đổi nguồn điện áp của nguồn cung cấp sẽ ảnh hưởng trực tiêp tới hình dạng của sóng âm thanh trong hệ thống. Để giải quyết vấn đề này, các hãng sản xuất ampli digital bắt tay vào nghiên cứu các kỹ thuật hồi tiếp âm (negative feedback) của riêng mình nhằm thu được độ chính xác cao nhất của tín hiệu PWM trong hệ thống. Về cơ bản, các apmli digital sử dụng phương thức PDM cũng được thiết kế tương tự như trên.

AMPLI DIGITAL THUẦN KHIẾT

Cùng tồn tại với ampli digital xử lý tín hiệu vào là tín hiệu analog là loại ampli digital nhận trực tiếp tín hiệu số ở đầu vào và xử lý tất cả các tín hiệu trên cơ sở digital. Khác với các ampli digital hoạt động trên cơ sở nhận tín hiệu đầu vào là tín hiệu analog, ở ampli digital thuần khiết, từ tín hiệu đầu vào đến điều chỉnh âm lượng, điều chỉnh âm sắc… đều được xử lý trên tín hiệu số. Hiện nay, nếu so với ampli digital có đầu vào analog thì ampli digital thuần có số lượng sản xuất ít hơn, song trong tương lai không xa, do tính ưu việt của nó, đồng thời do có kỹ thuật tiên tiến và tinh xảo thì chắc hẳn ampli thuần sẽ có ưu thế hơn hẳn so với các loại ampli khác.

Tại thời điểm này, có thể nói một số đại diện cho dòng ampli “full digital” tiêu biểu là TA-DR1 của Sony dùng phương thức chuyển đổi PWM làm cơ sở; M-2150 của TacT dùng công nghệ Equibit hay SM-SX300 của Sharp sử dụng bộ chuyển đổi PDM (vẫn thường được gọi là 1 bit ampli).

Hầu hết tất cả các ampli “full digital” đều xử lý tất cả các tín hiệu số của CD (PCM), hay của SACD (DSD) bằng một bo mạch xử lý tín hiệu digital chuyên dụng để chuyển đổi thành tín hiệu PWM hay tín hiệu PDM. Thế nhưng, nếu chuyển đổi nguyên tín hiệu PCM 44,1 kHz/16 bit của CD sang tín hiệu PWM hay PDM thì xảy ra một lỗi kỹ thuật. Đó là độ chênh lệch so với tín hiệu gốc quá lớn dẫn đến tạp âm bị pha vào trong âm thanh khi xuất âm thanh khỏi hệ thống. Để xử lý được hiện tượng này, trước tiên, các tín hiệu PCM được tăng cường bằng phương pháp xử lý up-convert thông qua việc xử lý tín hiệu số dị bộ, biến đổi Delta-Sigma để hạn chế lượng tạp âm được đưa vào trong tín hiệu khi xử lý. Từ đó thu được tín hiệu PWM hay PDM chuẩn.

Ví dụ, đối với TA-DR1 của Sony, các dữ liệu số PCM/DSD đều được up-convert lên 88,2 kHz bằng vi mạch chuyên dụng LSI 32 bit, sau đó, dùng bộ biến đổi 3 lần Delta-Sigma để thu được tín hiệu PWM. Switching có tần số là 705,6 kHz. Loại TacT Audio M-2150 của Đan Mạch có sử dụng thiết bị xử lý 48 bit DSP, tất cả các dữ liệu PCM đều được tăng cường đến mức 192 kHz. Sau đó dùng bộ biến đổi 4 lần Delta-Sigma để sinh ra tín hiệu PWM. Switching có tần số là 384 kHz.

Như trên đã nói, khác với các ampli đèn và bán dẫn thông dụng, chỉ cần nhìn mạch điện cũng có thể mô phỏng được hoạt động của ampli. Đối với các ampli digital, hầu hết những chi tiết về kỹ thuật và nguyên lý hoạt động đến hiện nay vẫn chưa được công bố rộng rãi. Các hãng, như TacT Audio, BelCanto, Sony, Sharp… đều có những bí quyết riêng trong thiết kế, đặc biệt là vấn đề viết phần mềm cho các mạch xử lý số. Đây cũng chính là một kỹ thuật mà rất nhiều người đang mong đợi.

ĐẦU RA CỦA AMPLI DIGITAL

Do transistor lưỡng cực (bipolar transistor) có tốc độ chuyển mạch không cao nên trong hầu hết các bo mạch switching tầng cuối của ampli digital đều sử dụng Mosfet trong kỹ thuật xử lý. Sony TA-N88 (được sản xuất vào năm 1977) là ampli digital đầu tiên trên thế giới sử dụng phương thức PWM. Ampli này đã dùng V-FET do công ty sản xuất làm linh kiện chuyển mạch tầng cuối.

Do hoạt động ở cơ chế ngắt – mở mà trên thực tế hiệu suất làm việc của tầng cuối trong ampli digital rất cao. Phần lớn năng lượng điện được chuyển thành công suất đưa ra loa, tổn hao nhiệt rất nhỏ. Ví dụ, bo mạch switching của ampli digital Sony TA-DR1 dùng hai chiếc N-channel Mosfet song song để có được công suất là 300 Watt (với 4 Ohm). Ampli digital MX-D1 thì còn sử dụng đến 3 chiếc N-channel Mosfet song song để tạo ra được một công suất là 500 Watt (4 đến 8 ohm).

Để có được âm thanh hoàn chỉnh ở đầu ra loa trong hệ thống xuất ra của ampli digital, cần phải có một công đoạn chuyển đổi tín hiệu xung đã được số hóa trở lại tín hiệu analog như truyền thống. Đảm nhiệm chính trong công việc này là bộ lọc thấp qua Low Pass Filter. Nếu không có bo mạch Low Pass Filter, hệ thống loa chắc chắn sẽ bị làm hỏng bởi các thành phần sóng có chu kỳ cao. Bởi vậy, để loại được những sóng có hại cho hệ thống loa, sự tồn tại của bo mạch Low Pass Filter là không thể thiếu trong hệ thống ampli digital. Khi đó, các thành phần tạp âm được loại bỏ với hiệu suất rất cao, chất lượng âm thanh được cải thiện rất nhiều.

Một trong những chìa khóa để làm tăng chất lượng âm thanh của hầu hết ampli digital là kỹ thuật hồi tiếp âm. Thế nhưng, ampli TacT Audio và Sony lại không sử dụng kỹ thuật feedback. Còn ở ampli 1 bit của Sharp lại sử dụng kỹ thuật feedback của riêng mình, khắc phục được hiện tượng hoạt động không ổn định của hệ thống gây ra bởi những biến động bất thường của điện thế nguồn điện. Bộ nguồn trong ampli digital rất nhỏ gọn. Việc lắp đặt một bộ nguồn thế nào cho hợp lý phụ thuộc rất nhiều vào kỹ thuật feedback mà nhà sản xuất sử dụng trong ampli.

NHỮNG TỒN TẠI CỦA AMPLI DIGITAL

Một thiết kế như thế nào sẽ được gọi là hoàn hảo là một vấn đề còn tồn tại của ampli digital. Nếu bạn đọc bài viết này đến đây thì chắc hẳn bạn đã hiểu được rằng ở ampli digital có hai nhược điểm lớn là việc phát sinh sóng tạp âm tần số cao và đồng thời ampli bị ảnh hưởng bởi sự biến động của điện áp nguồn. Tất nhiên, tất cả những vấn đề đó đều có những phương pháp để khắc phục và hiện tại, ampli digital đã từng bước xâm nhập vào đời sống của giới chơi nhạc.

Về nguyên lý hoạt động, phương thức PWM có khả năng hạ thấp tần số switching hơn so với phương thức PDM. Việc không chế được tần số switching ở mức thấp giúp cho hệ thống chạy ở công suất lớn mà vẫn ổn định. Với tín hiệu PCM của đĩa CD thì không có gì xảy ra, nhưng khi xử lý digital với tín hiệu SACD phải cần đến chuyển đổi decimesion và ampli digital không còn khả năng phát huy được hết những phẩm chất vốn có của âm thanh SACD. Nói đến phương thức PDM, trước hết phải nói tới sự cần thiết của tín hiệu đầu ra ổn định với tốc độ switching cực cao. Kỹ thuật thu tín hiệu đầu ra như trên có thể thực hiện được bằng cách thu tất cả các tín hiệu rời rạc trện khoảng lấy mẫu của SACD. Thế nhưng, một nhược điểm của kỹ thuật này là khi chuyển đổi Delta-Sigma ở nhiều mức cao hơn thì nó làm phát sinh nhiều sóng tạp âm tần số cao so với phương thức PWM. Bên cạnh đó, khi biến đổi Delta-Sigma thì việc xuất hiện các tín hiệu không chính xác cũng làm ảnh hưởng nhiều đến chất lượng âm thanh. Đây cũng là một vấn đề mà các nhà thiết kế phải giải quyết triệt để trong kỹ thuật chế tạo ampli digital.