01 | 前 言
再談音頻放大器之前，我們需要簡單了解一下，什麼是放大器。運算放大器是當今使用最廣泛的電子設備之一，廣泛用於消費類，工業和科學設備中。早在上世紀30年代，在人類電路起步的初期，世界上就逐漸出現了一些用於運算放大的基礎電路，但是，運算放大器直到上世紀40年代才被貝爾實驗室開發出真正的實用電路。在第二次世界大戰期間，貝爾實驗室應美國軍方的要求，開發一種用於輔助瞄準的M9槍械指示器，其中用到的電子管電路便是運算放大器誕生的重要標誌之一，但是由於戰爭保密的因素，在戰後一段時間才被公開。之後在1947年，紐約哥倫比亞大學教授John Ragazzini在論文中命名了可以執行如加法、減法、乘法、積分、微分等數學運算的放大器為運算放大器（Operational Amplifier），或簡稱為運放，英文簡寫為Op Amp，運算放大器或運放的名稱就此誕生。
如今的運算放大器已經被我們廣泛的運用在各類電子產品上，隨著電子組件轉移到貼片封裝，運放採用了高度集成的低數量引腳的封裝形式，因此很容易在需要時將它們放入不同的電路中。而一個「理想」的運算放大器應該具有如下的性質：無限大的放大倍數；無限大的輸入阻抗；零輸出阻抗。
02 | 運放在音頻應用中的工藝
在現代生活中，電子設備充滿了我們的世界，我們的世界已經充滿了被運放處理過的聲音，多地方都有運放的存在，比如功放、前級放大器、耳機放大器、唱頭放大器、話筒放大器、解碼器、有源分頻系統、調音台、錄音系統等等。而在音頻的應用中，工程師們，主要運用的是上文提到的「理想」運算放大器的性質，對於電路中的小信號進行高質量的放大之後，再由後續電路控制，也有用於濾波，來改變信號的頻率特性。對於音頻運放來說，在小信號上的應用，常常要求有低的噪聲、低的失真、快的速度、寬的頻帶、小的相移、大的負載能力、大的抗干擾能力，等等。
落實到實際，為了儘可能達成「理想」化的放大器，工程師們竭盡了各種手段，比如，電流源和電壓源、互補差分輸入、負反饋、補償等等。下面，我將為各位讀者粗略地介紹幾種，用來針對性地實現運放的高端音頻及整體性能的技術手段：
1 BJT電晶體：BJT是雙極結型電晶體（Bipolar Junction Transistor—BJT）的縮寫，又常稱為雙載子電晶體。它是通過一定的工藝將兩個PN結結合在一起的器件。其在運放中的應用，主要是來代替在模擬電路中表現不佳的CMOS（互補金屬氧化半導體）。雖然CMOS有體積小、功耗低、切換速度快、容易數字連接、成本低等優點。但是，由於作為放大信號應用，CMOS的放大信號帶寬對比BJT並沒有優勢。BJT工作在放大區的，它寄生的電容對比CMOS電路更小，因而截止頻率高，遷移率高，可以放大的信號帶寬就大，所以在目前的運放市場中，高端音頻運放，其集成晶片幾乎都是基於BJT工藝來實現的。這個工藝也有其不足之處，最顯著的問題就是輸入偏置電流較大（一般是幾百nA），會使運放偏離「理想」狀態，帶來誤差等影響，對音頻應用的影響主要表現在電流噪聲相對較大。
2 BiFetT與DiFet技術：為了解決上文中提到的輸入偏置電流較大的問題，工程師們引入了BiFetT技術，所謂BiFetT就算將BJT電晶體同JFET（結型場效應電晶體）相結合的技術工藝。將輸入差分部分實用JFET進行替代，而其他部分繼續沿用BJT電晶體，以此來解決輸入偏置電流較大的問題。
在此基礎上繼續優化，就是DiFet技術。其使用了Dielectrically Isolated（DI）介質隔離工藝，用二氧化矽薄層代替PN結來隔離基片上的各個電晶體。因而獲得了更小的薄層電容密度，再加上JFET使運放可以實現更小的輸入偏置電流（可低至幾個pA）。相比常規BiFet，DiFet運放有更低的電壓噪聲（更靠近BJT的水平），也有更快的速度。JFET的加入，使得運放的電流噪聲得到了有效的降低，但是其不足之處是運放的電壓噪聲和失調電壓又相對較大。
03 | Hi-Fi、Hi-End與Hi-Res的區別
既然提到音頻放大器，那麼自然繞不過Hi-Fi、Hi-End與Hi-Res。想必各位都聽說網際網路上的一句調侃：「單反窮三代，Hi-Fi毀一生。」 那麼，什麼是Hi-Fi呢？Hi-Fi的含義十分容易理解，就是High-Fidelity的縮寫，翻譯為「高保真」，其定義是：與原來的聲音高度相似的重放聲音。Hi-Fi最早想要還原的是古典樂現場，然而隨著時代的發展，音樂的表現形式也一直在變化，特別是現代電聲樂器和電子音樂的出現，Hi-Fi的定義也逐漸偏離其原本的意思，現代流行音樂需要怎樣的「Hi-Fi」去還原才是對的呢？在這裡筆者的知識和實踐還遠遠不夠，這裡只是給各位讀者闡明Hi-Fi這個概念，具體真正的Hi-Fi是什麼？也許，一千個人心中有一千個哈姆雷特吧。
Hi-End一詞是Hi-Fi之後，其衍生而來，相信對不少人都十分新鮮。Hi-End，單從字面上看，End有「結束」的意思，所以用Hi-End稱呼一些產品，有種Hi-Fi「鼎極」的意味。這麼一解釋相信各位都應該已經知曉，所謂Hi-End就是頂級的Hi-Fi產品。其起源據說在70、80年代的美國，當時有全國各地的音響愛好者自發的聚集在一起，各自組建音響工作室，由於這些設備造型獨特用料也是精心選擇，生產的數量也是極少，所以這些設備也是售價極高，在當時的媒體就這些設備稱作為Hi-End設備。而目前，作為Hi-Fi的衍生詞，同Hi-Fi一樣，對於Hi-End產品的界定，並沒有一個統一的標準，只是根據每個廠商自己的理解Hi-End去制定的。
不同於Hi-Fi與Hi-End的標準混亂，Hi-Res本身就是一種音頻標準，它是「High Resolution Audio 」的縮寫，意思是高解析力、高解析度。它是索尼在2014年提出，並聯合JAS（日本音頻協會）和CEA（消費電子協會）制定的高品質音頻標準。定義為高於44.1kHz /16bit（CD音質）的音質，是以 192kHz / 24bit或者更高的解析度，即採樣率高於44.1KHz，比特深度大於16bit。簡單理解就是：HiRes就是比CD音質更棒的音質標準。
何為採樣率呢？眾所周知，我們的自然界中的聲音是以機械波的形式存在的，是一段連續信號。而目前的數字音頻，是通過一個個採樣點來記錄下這些聲音的，因而是離散的，以點連成線，因此採樣點的密集程度，是決定聲音還原的主要指標，被稱作「採樣率」。在當今的主流採樣率一般共分為22.05kHz、44.1kHz、48kHz三個等級，22.05kHz只能達到FM廣播的聲音品質，44.1KHz則是CD音質界限，48KHz則更加精確一些，而在Hi-Res標準中的192kHz已經是一個超高的聲音品質了。
而比特深度描述了處理音頻數據的硬體或軟體能達到的細節精度。比特深度指的是描述某種對象所使用的比特數量的多少，比如，如果是2bit，就代表可以表示2的二次方的音階，也就是4種聲音。標準CD音質44.1KHz/16bit就是一秒內對模擬信號進行等間隔44100次採樣，其中每次採樣保存16bit（65536種音階）的數據。
而如果想要享受到這種聲音體驗，需要的不僅是播放設備支持（一般支持的設備上會有Hi-Res小金標），其原始的音源文件，也要達到這個標準。
04 | 寫在最後
近年來，特別是從2016年以來，以Apple為首的頭部廠商取消了智慧型手機上的3.5mm耳機接口，開始全面推行TWS耳機（真無線藍牙耳機），加之Hi-Fi器材價格節節攀升，Hi-Fi圈子入門門檻逐漸升高，同時由於Hi-Fi圈子內也很難有一個統一的標準，圈子內部魚龍混雜，真高手和假大師共聚一堂，Hi-Fi圈子逐漸落寞，還被人貼上了「玄學」的標籤。即使廠商可以通過音頻曲線等數據來量化耳機的聲音，但是具體到個人卻又往往會給出不一樣的評價，因此在不少人看來，Hi-Fi就像「玄學」一樣難以捉摸。雖說，平時各位消費者最常接觸聲學放大器的Hi-Fi在沒落，但是縱觀整個聲學放大器市場，還是一片需求旺盛的市場。
剛剛提到，TWS的爆發式增長，線性功放的效率和體積已不能滿足市場的要求，而D類功放以效率高、體積小等優點越來越受到人們的青睞，因而在消費市場領域潛力巨大。
在未來，隨著模擬信號逐漸數位化的浪潮，聲學放大器也會逐漸轉向數字，逐漸小型化，低功耗化；抗干擾能力、低噪聲等方面會被重點優化，目前在技術上就已經開始了從模擬功放向數字功放和數模混合進行發展。筆者認為，隨著計算攝影在相對小體積的的手機上的成功，在未來的聲學放大器市場中，計算聲學也會是主流，為了強化音頻功放晶片的聲音效果，持續演進的音效算法與音頻功放晶片配合使用將會越來越常見。
回看整個聲學放大器市場，2021年全球音頻放大器市場銷售額達到了1670.31百萬美元，而在未來，這個市場規模一定會持續增大，根據第三方研究機構QYResearch的資料，預計2028年將達到2470.05百萬美元，年複合增長率（CAGR）為5.63%（2022-2028）。
目前全球主要廠商包括意法半導體、德州儀器、安森美半導體、恩智浦半導體和亞德諾半導體等，2021年主要廠商份額占比超過60%，市場主要由美國廠商占據。隨著近年來國內公司的技術突破和產品開發，在音頻功放晶片市場的占有率逐步提升。預計未來幾年行業競爭將更加激烈，尤其是在中國市場。
作者：ZongYu 來源：公眾號ID：EEPWweixin