ในช่วงหลายปีให้หลังมานี้ คนที่ติดตามสินค้า Sony จะได้ยินเกี่ยวกับ S-Master ซึ่งเป็นเทคโนโลยีวงจรขยายเสียงดิจิทัลที่ Sony ออกแบบขึ้นมา ซึ่งเทคโนโลยีนี้ได้ถูกนำไปใช้กับตั้งแต่เครื่องเล่น Walkman ไปจนถึงลำโพงบนทีวี Bravia

RE.V-> เองเชื่อว่าหลาย ๆ คนน่าจะมีความสงสัยในเทคโนโลยีตัวนี้ เราจึงนำข้อมูลที่เคยค้นเอาไว้ มาเขียนให้เพื่อน ๆ อ่านกันในรูปแบบที่เข้าใจง่ายกัน แต่ด้วยความที่เนื้อหาค่อนข้างเยอะ เราจึงแบ่งเป็นตอนให้อ่านกันง่าย ๆ โดยเริ่มจากตอนที่ 1 ซึ่งจะเล่าถึงความเป็นมาของ S-Master ให้รู้กัน

Class D amplifier

ผังการทำงานของวงจรขยาย Class D ที่มา: Wikipedia

เพื่อให้เข้าใจการทำงานของวงจรขยาย S-Master เราจะต้องทำรู้จักกับการทำงานวงจรขยาย Class D ซึ่งเป็นพื้นฐานการทำงานของ S-Master เสียก่อน

วงจรขยาย Class D หรือวงจรขยายแบบ Switching นั้นเป็นรูปแบบของวงจรขยายที่ประกอบไปด้วย

• ตัวแปลงสัญญาณลูกคลื่น ทำหน้าที่แปลงสัญญาณที่เข้ามาไม่ว่าจะอยู่ในรูปแบบแอนะล็อกหรือดิจิทัล ให้อยู่ในรูปของสัญญาณลูกคลื่น ด้วยวิธีต่าง ๆ เช่น Pulse Width Modulation (PWM) หรือ Pulse Density Modulation (PDM)
• สวิตช์เปิด – ปิด (Power switch) ทำหน้าที่ขยายกำลังของสัญญาณลูกคลื่นด้วยการเปิด – ปิดสวิตช์อย่างรวดเร็ว ซึ่งโดยทั่วไปอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ดังกล่าวคือ ทรานซิเตอร์แบบ MOSFET
• Low-pass filter ทำหน้าที่กรองเอาความถี่พาห์ตอนแปลงสัญญาณลูกคลื่นออก เหลือเพียงสัญญาณขาเข้าที่ถูกขยายแล้ว

ด้วยลักษณะการทำงานที่ต้องแปลงสัญญาณขาเข้าเป็นลูกคลื่น ทำให้หลาย ๆ คนเข้าใจว่าวงจรขยาย Class D นั้นเป็นวงจรขยายแบบดิจิทัล ตามตัวอักษร D ของมัน แต่จริง ๆ แล้วที่เขาเลือกใช้อักษร D นั่นเป็นเพราะว่าก่อนหน้านี้ได้มีวงจรขยาย Class A, Class B และ Class C อยู่ก่อนแล้ว

โมดูลขยายเสียงของ ICEpower ที่มีกำลังขยายถึง 1,200 วัตต์ ด้วยขนาดเพียง 30 x 10 ซม.

ด้วยความที่ทรานซิสเตอร์ในวงจรขยาย Class D นั้นจะทำงานในสถานะเปิด – ปิดอย่างสมบูรณ์ จึงทำให้วงจรมีประสิทธิภาพการทำงานตามทฤษฎีสูงถึง 100% หรือสัญญาณขาเข้ามีกำลังเท่าไร เมื่อผ่านวงจรขยายแล้วก็จะยังคงมีกำลังเหลืออยู่เท่าเดิม ในขณะที่วงจรขยาย Class A และ Class AB นั้นมีประสิทธิภาพสูงสุดเพียง 25% และ 50% ตามลำดับ นอกจากนี้ยังไม่มี Crossover distortion ที่เจอในวงจร Push – Pull ของวงจรขยาย Class B รวมทั้งความร้อนที่เกิดขึ้นจากวงจรยังน้อยกว่ามาก ทำให้สามารถลดขนาด น้ำหนัก และการใช้พลังงานของวงจรขยายลงได้

ผังแสดงปัจจัยที่ทำให้วงจร Class D มีประสิทธิภาพแย่ลง ที่มา : Infineon

อย่างไรก็ตามวงจรขยาย Class D ก็มีปัจจัยการออกแบบที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงาน เช่น

• ระยะเวลาระหว่างเปลี่ยนสถานะเปิด – ปิดของ Power switch (Dead time) ที่จะต้องมีระยะเวลาสั้นที่สุด เพื่อไม่ให้เกิดความเพี้ยนของสัญญาณที่ขยายแล้ว
• คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเกิดจากการทำงานของ Power switch ที่ต้องสลับสถานะเปิด – ปิดที่ความถี่สูง คนออกแบบจะต้องหาวิธีป้องกันผลกระทบดังกล่าว
• วงจรจ่ายไฟ จะต้องรองรับพลังงานที่ถูกป้อนกลับจาก Power switch ได้ ซึ่งวงจรจ่ายไฟต้องสามารถรับพลังงานดังกล่าวนี้ได้ หรือจะต้องหาวิธีถ่ายเทไปยังที่อื่น เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความผันผวนของแรงดัน

ศาสตราจารย์ Michael A. E. Andersen ที่มา: DTU

ด้วยปัจจัยการออกแบบดังกล่าว ทำให้วงจรขยาย Class D ที่ถูกออกแบบมาตั้งแต่ปี 1958 ไม่ได้รับความนิยม เนื่องจากยังมีคุณภาพเสียงไม่ดีและการทำงานไม่เสถียร จนกระทั่งในช่วงกลางปี 90 ได้มีกลุ่มนักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Technical University of Denmark ภายใต้การนำของศาสตราจารย์ Michael A. E. Andersen ได้ศึกษาความเป็นไปได้ในการใช้วงจรขยาย Class D ในการขยายเสียง และหาวิธีปรับปรุงวงจรได้สำเร็จ ทำให้วงจรขยาย Class D กลับมาเป็นเทคโนโลยีใหม่ที่จะมาพลิกโลกอิเล็กทรอนิกส์อีกครั้ง จนทำให้สองนักวิจัยในกลุ่มอย่าง Lars Risbo และ Karsten Nielsen เห็นโอกาสพัฒนาเทคโนโลยีนี้เพื่อการค้า และออกมาเปิดบริษัท Startup คือ Toccata Technology (ถูก Texas Instruments ซื้อไปในปี 2000) และ ICEpower (ร่วมลงทุนโดย Bang & Olufsen) แน่นอนว่าผู้ผลิตจากทางฝั่งญี่ปุ่นเองรวมถึง Sony เองก็เห็นโอกาสในวงจรขยาย Class D เช่นกัน

The First Sony PWM Amplifier

ในปี 1978 Sony ได้เปิดตัว Power Amplifier รุ่น TA-N88 (และเวอร์ชั่นของยี่ห้อ Wega รุ่น Lab Zero) ซึ่งใช้เทคโนโลยีวงจรขยาย PWM โดยการใช้ทรานซิสเตอร์ V-FET ที่พัฒนาร่วมกับ Yamaha มาทำหน้าที่เป็น Power Switch ในวงจร และใช้ภาคจ่ายไฟแบบ Pulse Locked Power Supply (PLPS) ที่ Sony ออกแบบเอง

Power Amplifier รุ่นนี้ไม่ประสบความสำเร็จเท่าที่ควร เนื่องจากปัญหาการทำงานของตัวเครื่อง จนทำให้ Sony ไม่ได้ออกแอมป์ที่ใช้เทคโนโลยี PWM นี้อีกเลยจนกระทั่งช่วงปี 2000

The First S-Master

ชิป M65817FP ของ Mitsubishi Electric

ในช่วงปี 90 ผู้ผลิตเครื่องใช้ไฟฟ้าฝั่งญี่ปุ่นเข้าถึงเทคโนโลยีวงจรขยาย Class D จากการซื้อเทคโนโลยีจากบริษัทที่พัฒนาวงจรขยาย Class D อยู่แล้ว เช่น Matsushita ที่เลือกใช้เทคโนโลยีจาก Tripath หรือจากการจับมือเป็นพันธมิตรร่วมกันพัฒนาเทคโนโลยี เช่น Sanyo ที่ร่วมมือกับ ICEpower ในกรณีของ Sony เอง ได้ตัดสินใจพัฒนาเทคโนโลยีวงจรขยาย Class D ของตัวเองขึ้นมาในชื่อ S-Master นั่นเอง

ผังการทำงาน S-Master จาก datasheet ของ M65817FP

เทคโนโลยี S-Master ของ Sony ปรากฏตัวครั้งแรกในชิปประมวลผลสำหรับวงจรขยายดิจิทัล M65817FP ของ Mitsubishi ที่เปิดตัวในเดือนเมษายน ปี 2001 โดยประกอบไปด้วยขั้นตอนการทำงานต่าง ๆ ดังนี้

รูปแสดงการทำงานของ Clean Data Cycle

• 24bit Sampling Rate Converter ทำหน้าที่ตรวจสอบสัญญาณดิจิทัลเช่น PCM หรือ DSD ที่เข้ามาด้วย clock ที่มีความแม่นยำสูง เพื่อคำนวณและแก้ไขช่วงของ sample ให้ถูกต้อง เพื่อขจัด jitter ออกไป ส่งผลให้สัญญาณเสียงนั้นมีความถูกต้องไม่ผิดเพี้ยน ในภายหลัง Sony ได้ระบุชื่อเทคโนโลยีในขั้นตอนนี้ว่า Clean Data Cycle
• Digital Gain Control ทำหน้าที่กำหนดความดังของสัญญาณเสียงดิจิทัลได้ถึง 2,816 ระดับ ครอบคลุมระดับเสียง +30.069dB ~ -∞ ปรับความดังได้ครั้งละ 0.1 dB
• Noise Shaper เป็นการนำอัลกอริทึม Noise Shaper จากเครื่องเล่น Audio CD มาประยุกต์ใช้ เพื่อเพิ่ม dynamic range ของสัญญาณดิจิทัลให้มากขึ้น
• Pulse Generator ทำหน้าที่สร้างสัญญาณลูกคลื่นเพื่อป้อนเข้าไปสู่ส่วน Power Driver ซึ่งก็คือตัววงจรขยายแบบ Class D นั่นเอง ทาง Sony ได้เลือกใช้การสร้างสัญญาณแบบ Complementary Pulse Length Modulation (C-PLM) ที่พัฒนาขึ้นเอง ซึ่งมีความเพี้ยนของสัญญาณต่ำกว่าสัญญาณ PWM ปกติ นอกจากนี้ ทาง Sony ยังได้นำวงจร Synchronous Time Accuracy Controller (S-TACT) ที่ใช้ในเครื่องเล่น Super Audio CD รุ่น SCD-1 มาใช้เพื่อกำกับช่วงเวลาของสัญญาณลูกคลื่นให้มีความแม่นยำ เพื่อขจัด jitter ทำให้สัญญาณเสียงมีความเพี้ยนต่ำที่สุด

รูปแสดงการทำงานของ S-TACT ที่คอยกำกับช่วงเวลาของสัญญาณลูกคลื่นที่ออกมา

ข้อแตกต่างระหว่างเทคโนโลยี S-Master รุ่นแรกนี้ เมื่อเทียบกับวงจรขยาย Class-D จากบริษัทอื่น คือทาง Sony ไม่ได้ออกแบบส่วนของ Power Driver หรือตัววงจรขยาย Class-D เอง แต่เลือกใช้ชิป Pre-Driver และ Power Driver ของ Mitsubishi ซึ่งเปิดตัวตามหลังชิป M65817FP ในช่วงแรก และชิปวงจรขยายจากผู้ผลิตเจ้าอื่น ๆ ในภายหลัง

ตัวอย่างการใช้งานชิป M65817FP ในการออกแบบ AV receiver แบบ 6 ช่องสัญญาณ

สำหรับผลิตภัณฑ์ที่ใช้งานเทคโนโลยี S-Master ตัวแรกนั้นไม่ได้เป็นที่เปิดเผยอย่างเป็นทางการ มีเพียงข้อมูลจากทาง Mitsubishi ตอนเปิดตัวว่า จะผลิตชิป M65817FP ส่งให้ทาง Sony ในเดือนพฤษภาคมปีเดียวกัน ก่อนที่จะเริ่มส่งชิปตัวอย่างให้ผู้ผลิตอื่น ๆ ในเดือนตุลาคม สนนราคาชิปตัวอย่างที่ 1,500 เยน

ตอนหน้าเราจะมาดูความเปลี่ยนแปลงในตัวเทคโนโลยี S-Master รุ่นถัด ๆ ไป แฟน ๆ Sony อย่าลืมติดตามกันนะครับ

Reference

• “Class-D amplifier”, Wikipedia
• Jun Honda & Jonathan Adams. “Application Note AN-1071: Class D Audio Amplifier Basics”, International Rectifier
• Henry Chesbrough, Wim Vanhaverbeke, Joel West. ” Open Innovation: Researching a New Paradigm”, Oxford University Press, 2008
• “S-Master方式のデジタルアンププロセッサＬＳＩの開発完了、製造開始 ― デジタルソースに対しフルデジタル構成が可能なＬＳＩ ―”, Mitsubishi Electric
• “M65817FP datasheet”, Mitsubishi Electric
• “ES Series Receivers Technical Background”, Sony, 30 May 2003