「继电器阵列R2R」技术解析

天境精密

大家好。
音量控制不够优秀的系统，就算其他环节到顶，也是无法达到高水准的。
本文就简单介绍下各种音量控制方案的优缺点：

1、首先介绍性能最好的音量控制方案：「继电器阵列R2R」
继电器阵列R2R是公认性能最好的音量控制方案，除FM外，几乎所有顶级HiEnd厂商均采用此方案。
它的优点非常明显：方便最优布线、方便搭建最优阻值、配合单片机可以实现遥控/预设/静音等功能。
它的缺点同样明显：需要正确布线、需要正确设定阻值、需要编程能力。
这正是它的两面性：上限最高，但下限也低。
继电器阵列R2R的技术要点，主要体现在以下八个方面：
（1）电阻取值：所有电位器都需要根据电路取值，如果阻值不合理，就会导致电压或电流被拉低，自然导致严重失真。
一般高阻值电位器适合电压高但电流小的情况，如胆机。低阻值适合电压低但电流大的情况，如带缓冲输入的前级。
（2）电阻温度系数：电阻温度系数，单位是PPM，+1PPM代表每升高1摄氏度阻值变化百万分之一。
温度系数导致的精度变化，在模拟音频应用中基本忽略不计，但温度系数导致的动态失真却非常客观。
另外这个影响在越低的频率越显著，原因是低频率功率更大，产生的热量更多。
一般厚膜电阻的温度系数在100PPM以上，薄膜电阻的温度系数在50PPM以下。
价格方面，相同功率/封装/阻值的电阻，10PPM比100PPM贵几百倍是正常情况。
（3）阻抗恒定：在三种常见步进电位器接法中，shunt type噪声较低，阻抗飘动过大。serial type阻抗恒定，但声音路径太长。ladder type兼顾两者优点，但结构复杂一些。继电器阵列R2R同理。
（4）增益级进：笔者发现，有些继电器阵列R2R声称10bit可以搭出1024档音量，其阻值排列是1k、2k、4k、8k、16k......
这种“继电器阵列R2R”根本不具有实用性，以为你会发现，这种电位器前100档的音量几乎没有分别，到后面每档又分别巨大，简直像在抽风。
而正确的音量级进，是按DB值，阻抗呈指数型。不夸张地说，20档指数型也比1024档直线型好用的多。
（5）DC处理：有些兄弟觉得少量DC无伤大雅，但要考虑增益之后DC也会成比例放大。所以高水准器材从来不会对DC放任不管，即使DC耦合的登峰725、CH L1，也会有DC检测机制，发现DC过高时立即切换电容耦合或采取其它措施保护机器。
（6）开关电流净化：音量衰减网络的工作电流很小，因此高水准器材要尽量避免控制继电器（或模拟开关）的电流不附带波纹。如果器材水准一般，这点影响倒可以忽略
（7）回流路径：在电路中，高频通常走最小电感路径，所以铺地就行。但低频通常走最小电阻路径，问题是，PCB中阻抗最小的路径非常难以捕捉，有时会从较远的位置回流，因此低频回流路径的优化难度很大。不过，水准不高的器材这点也可以忽略。（注：这里的高频/低频指IEEE标准，并非音频范围内的高频/低频）
（8）防爆音防失效机制：先通后断是步进继电器基本要求，此机制可以防止爆音，继电器阵列R2R同理。
此外，天境精密的继电器阵列R2R还有一项独特设计：当继电器失效时，失效部分电阻会自动拉低音量，从物理上确保音量不会异常升高。
不过，信号继电器额定开关次数基本在10万次以上，天境精密用的是100万次（实际次数不会低于额定次数），基本不用担心失效问题，上述机制只是个双保险。

继电器阵列R2R是最佳音量控制方案，所以多费些笔墨。下面几种就简单介绍了：

「导电塑料电位器」：音质属第二梯队，仅次继电器阵列R2R，大名鼎鼎的FM采用此方案。
「机械步进式电位器」：音质属第二梯队，仅次继电器阵列R2R。体积大并不是其缺点，因为体积大并不影响性能。另外，将导线保护好，干扰问题也不大。加个电机，遥控问题也不大。以上参见艺雅旗舰上的电位器。
导致机械步进式电位器不如继电器阵列的关键原因，是回流面积优化问题。
「多抽头变压器」：音质属第二梯队，通过不同抽头的变压比，实现音量控制。作为变压器，铁芯是其性能决定性因素。

「DSP数字音量」：音质属第三梯队，主要缺点是量化噪声等底噪无法随音量一起变小，但对于一般应用问题不大。
「金嗓子AAVA」：音质属第三梯队，通过16路V-I电路的开关控制音量，技术含量和性能均无亮点，标新立异而已，肯定比碳膜电位器好就是了。

「碳膜电位器」：音质属第四梯队，尽管看似和导电塑料结构相同。但由于碳质电阻PPM天生较高，因此即使制作再精良，碳膜电位器也无法达到很高水准。
「音量IC」：音质属第四梯队，内置R2R分压网络和模拟开关，可以看做集成版继电器阵列R2R，但性能不可同日而语。其中仅带衰减功能的音量IC，音质比自带AMP的更好。

最后重申，以上前提是设计良好！！！
如果应用水平不高，每一种都可以成为最差的！！！

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