作者：毛烁
D类放大器已经成为音频功放的主流架构。其功率管可在“完全导通”和“完全关断”两种状态之间切换：导通时电阻极低，关断时几乎没有电流，功率管自身的损耗因此很小。损耗降低后，散热片可以缩小，整机也能做得更紧凑。因此，有源音箱、回音壁和无线音箱普遍采用D类方案。
然而，高端音频市场对D类放大器一直有所保留。问题出在输出端，D类放大器输出的是高频开关信号，必须先经过由电感和电容组成的LC滤波器，滤除开关载波，才能送到扬声器。
而滤波器会带来两类误差。一是电感本身存在非线性，会引入失真；二是滤波器的频率响应会随负载阻抗变化，而扬声器的阻抗本身就随频率大幅起伏，不同音箱之间差异也很大。
因此，同一台功率放大器接不同的音箱，高频段的频响就会不同。多数D类放大器的反馈信号取自滤波器之前，无法修正这两类误差。
不过，要修正这些误差，反馈信号就需要取自滤波器之后，也就是扬声器两端。
针对这一背景，10月23日，荷兰音频技术公司Axign在上海举办品牌暨新品发布会，以“Experience Pure Sound（体验纯粹之声）”为主题，推出即插即用集成放大器模块。模块采用的正是这种思路：Axign研发十余年的后滤波数字反馈（Digital Post-Filter Feedback）技术，把反馈点设在扬声器两端，并在数字域完成误差比较和补偿。
Axign于2014年在荷兰恩斯赫德成立，2024年1月被美国电源芯片公司芯源系统（MPS）全资收购。此次发布的模块，由Axign的数字控制技术与MPS的功率级、电源管理和制造能力结合而来，仍以Axign品牌销售。
Axign品牌暨新品发布会现场
01 从控制器芯片到放大器模块：Axign十余年的技术路线
Axign的创始团队中有多位来自飞利浦和恩智浦（NXP）的工程师，他们曾参与早期D类放大器的研发。公司的数字化后滤波反馈技术，来自Daniel Schinkel、Fred Mostert等人的一系列论文和专利。据Axign介绍，公司十余年间在研发方面投入超过4,000万美元。
2017年，Fred Mostert等人在IEEE国际固态电路会议（ISSCC）上发表了一款多相D类车载音频放大器。它集成了低延迟Δ-Σ ADC，在输出滤波器之后取样反馈，实现5×80W输出和0.004%的THD+N（总谐波失真+噪声）。同年，Daniel Schinkel等人在《IEEE固态电路期刊》（JSSC）上发表了相关论文。
基于这些研究成果，Axign推出了AX5688、AX5689两款数字输入D类放大器控制器芯片。芯片只负责控制，功率级由音箱厂商自行搭配。以AX5689为例，该芯片可配置为4个桥接负载（BTL）通道，集成8个低延迟差分ADC，动态范围为115dB，支持32kHz至768kHz输入采样率，采用9mm×9mm的QFN-64封装。哈曼卡顿Citation Amp、丹麦音箱品牌Buchardt的MK2升级套件等产品，都采用了Axign的技术。
2024年1月3日，MPS以3,340万美元现金完成对Axign的全资收购。MPS以电源管理芯片为主业，数据中心和汽车是其主要市场。收购后，Axign可以调用MPS的功率器件、电源管理和制造资源，这为后来的模块化产品提供了条件。
“出于热爱与激情，我们投身于此，并深知发烧友们缺少什么。”Axign架构师Daniel Schinkel表示，“我们相信，复杂的音频系统可以变得更小、更高效，也更容易实现，同时完整保留原始声场的原汁原味。我们希望通过技术，让高端音频系统拥有更大的设计自由度，也让聆听者更加纯粹地感受声音。”
02 数字后滤波反馈：用20ns采样闭合五阶控制环路
后滤波反馈并不是Axign独有的概念，一些高端D类放大器也在模拟域采用这种做法。然而，LC滤波器会在反馈环路中引入额外的相移，环路阶数越高，稳定裕量越小，模拟电路也越难设计。
因此，Axign选择在数字域闭合反馈环路。扬声器两端的差分输出信号，先由高速、低延迟的Δ-Σ型ADC转换为数字信号，再与数字输入信号相减，得到误差信号。环路滤波器同样由数字电路实现，采用五阶滚降：在可听频段内提供高增益，使失真在整个频段保持一致，同时较强地抑制开关载波。
数字反馈的难点在于延迟。反馈环路要保持稳定，ADC必须同时具备高带宽和低延迟。然而，Δ-Σ型ADC的量化噪声较高，如果用数字滤波降噪，又会引入新的延迟和相移。Axign的解决办法，是在Δ-Σ ADC内部的反馈路径中使用一个带低通滤波功能的DAC，既补偿数字滤波的影响，又降低音频频段内的噪声。
在AX5689参考设计中，ADC每20ns完成一次采样，控制环路的带宽远高于可听频段。发布会上提到的“纳秒级运算周期”，指的就是这一量级的速度。同时，每个ADC的功耗只有15mW；芯片还将两个ADC并联使用，使信噪比提高3dB。
AX5689内置8个可配置的数字环路滤波器单元，可以组成差模和共模两类反馈环路。差模环路抑制可听频段内的噪声和失真；共模环路阻尼LC滤波器的谐振。传统设计需要在输出端并联Zobel网络（一种阻容网络）来抑制滤波器谐振，采用共模环路后，这部分电路可以省去。
Axign后滤波数字反馈架构
反馈点设在扬声器两端后，放大器的输出阻抗极低，频响不再随负载变化。美国音频杂志audioXpress在2023年测试基于AX5689的GaN参考板时，将负载从10Ω换成2Ω，在50Hz、200Hz、1kHz、5kHz、15kHz多个频点均未测到输出电平变化；分别接8Ω电阻和两分频书架音箱时，20Hz至20kHz的频响曲线也没有可测差异。因此，放大器驱动阻抗起伏较大的音箱时，音色不会随负载偏移。
新模块延续了这一特性。Axign官方数据显示，模块在20kHz时的输出阻抗仅为0.0004Ω，在20Hz至20kHz范围内低于0.5mΩ。输出阻抗越低，阻尼系数越高，放大器对扬声器振膜的控制就越精确。
不过，后滤波反馈只能在误差出现之后进行修正。为了减小需要修正的误差，新一代模块在反馈环路之外增加了“预测前馈”：处理引擎用可编程矩阵对输入的音频数据进行实时运算，提前算出功率级应当输出的波形；后滤波反馈再修正预测波形与实际输出之间的偏差。
Axign把这种方式类比为AI推理：AI推理引擎通过矩阵运算预测下一个Token（词元），Axign的处理引擎则通过矩阵运算预测接下来的输出波形。
Axign的预测计算架构借鉴了AI推理引擎的思路
除了预测和修正，模块还会根据工作条件调整自身参数。模块内部设有自适应LC补偿电路，内置的DSP引擎持续获取负载阻抗、LC滤波器特性和供电电压的变化，逐周期更新环路滤波器的系数，使模块适应不同的扬声器、线缆、电源和声学环境。
同时，设计者还可以按需调整声音特质，例如从冷峻到温暖、从锐利到柔和。
此外，Axign正在推进对扬声器电流的测量。借助电流数据，系统可以建立放大器与扬声器单元相互作用的模型，进而补偿扬声器自身的非线性。
在Axign的1,400W系统设计中，每路放大器输出都已配置电流检测（I-Sense）芯片。
03 即插即用：从50W单通道到600W大功率
过去，Axign向客户提供的是控制器芯片和参考设计。音箱厂商需要自行选择功率器件、设计驱动电路、布局LC滤波器并处理散热，开发门槛较高。新模块把控制器、驱动电路、功率器件、热管理和LC输出滤波器全部集成在一起：输入端接收I²S数字音频信号，输出端直接连接扬声器，整机厂商只需提供电源和信号源。
发布会现场展示的Axign放大器模块
Axign全新即插即用集成放大器模块
模块出厂前已完成控制环路的预编程和调校，由于输入本身就是数字信号，系统中也不再需要单独的DAC。官方数据显示，在不同输出功率、频率和负载条件下，模块都能保持恒定增益和极低的THD+N。
产品在所有音频频率和输出功率水平下，均具有极低失真
模块增益在所有频率和输出电压下保持恒定，不受负载阻抗影响
模块的输出能力和发热，很大程度上取决于功率级。Axign的模块直接采用MPS的集成功率级，分为硅基和氮化镓（GaN）两种。这些功率级把功率管和驱动电路集成在一起，所用技术与MPS为数据中心GPU、CPU供电的产品同源。
其中，GaN器件的导通电阻更低，同样电流下发热更少，因此更适合驱动低阻抗负载。目前，600W级别的GaN功率级正在开发中，将用于更高功率的模块
然而，音箱在大部分时间里以较低功率工作。这时控制电路、ADC等固定功耗占比更高，输出电感中的纹波电流损耗也依然存在，D类放大器的效率优势并不明显。为此，Axign采用零共模调制（ZCM）技术，降低输出电感中的纹波电流。在Axign给出的50V供电对比中，传统BD调制的平均共模电压约为25V，电感纹波电流为±1.22A；采用ZCM后，平均共模电压降至约0.5V，纹波电流降至±0.024A。
据Axign介绍，ZCM可降低超过50%的损耗；ZCM引入的失真和噪声，则由高增益的后滤波反馈环路抑制。按照官方数据，模块在4Ω负载、额定功率下的效率为92%，空闲功耗约为2W。
Axign模块与竞品的效率对比（4Ω负载）
除了ZCM，H类供电也能进一步提升效率。其采用包络跟踪方式，根据音乐信号的幅度动态调节供电电压。然而，供电电压的变化容易在输出端引入额外的调制，因此H类供电过去多用于消费类产品，很少用于高端放大器。Axign的数字控制环路会实时监测供电电压，并在数字域补偿其影响，使高端放大器也能采用H类供电。
此次率先发布的AXM8171A是一款单通道模块，尺寸为35mm×45mm×12.5mm，可用于高端音响、有源音箱和无线音频产品。它采用10V至56V单电源供电，共有50W、100W、150W和250W四个版本，分别对应22V、30V、36V和48V供电下的4Ω输出。
官方数据显示，AXM8171A的THD+N在6kHz时为0.001%，A计权噪声为45µVrms，动态范围为119dB(A)，48V供电下的空闲功耗为2.1W。
AXM8171A单通道集成式音频放大器模块典型系统框图
在AXM8171A之后，Axign还规划了两款模块。双通道的AXM8172A每通道输出50W至250W，尺寸为51mm×45mm×12.5mm；大功率单通道的AXM8281A输出300W至600W，尺寸为38mm×53mm×12.5mm，在77V供电下可实现600W/4Ω输出。
两款产品目前均处于开发阶段。
Axign放大器模块产品规划
另外，多块模块还可以组合成完整的多声道系统。Axign在发布会上介绍了基于宝华韦健（B&W）Nautilus鹦鹉螺音箱的无线电池供电系统。
Nautilus是四分频音箱，需要四路独立控制的放大器通道。Axign为每个单元分别配置一块450W模块并独立编程，系统总功率达到1.4kW，省去了原本需要的外置有源分频器、DAC、功放和音箱线。
此外，这套系统由电池供电，搭配65V、20Ah电池组，可连续播放10h。电池管理、USB-C充电、DC/DC转换和电子保险丝（E-Fuse）等电源部分，均采用MPS的芯片。这样一来，放大器由Axign模块完成，供电由MPS芯片完成，整机厂商不必再分别设计这两部分，可以把精力放在调音和箱体设计上。
Axign表示，用模块和成熟的电源方案搭建系统，可以降低开发风险，缩短产品上市周期。
1,400W电池供电流媒体音频放大器系统设计
发布会试听区现场