数字功放

原理

　　数字功放的功放管工作在开关状态,理论状态晶体管导通时内阻为零,两端没有电压,当然没有功率消耗;而截止时,内阻无穷大,电流又为零,也不消耗.所以作为控制元件的晶体管本身不消耗功率,电源的利用率就特别高。

　　图1是数字D类功放的工作原理框图.D类功放处理的是经脉宽调制(PWM)的音频数字信号,声音信息埋藏在脉冲的占空比或脉冲密度中。

　　图示是音频信号的一种PWM调制方法,最为直观;较多采用的是以脉冲密度来表示信号大小的,脉冲密度大的地方,表示电压高;稀的地方,电压就低.双向信号可用其它方式调制,如占空比50[%],即脉冲宽度与间隔宽度1:1,表示信号幅值为零;占空比大于50[%] ,幅度为正,这时数值越大,正幅度越高;占空比小于50[%],幅度为负,越小越负.因为这种信号并不需要与外接设备直接相连,也就不需要格式完全统一,各厂可按自行研发的方案调制。

　　音频PWM编码可以从两种途径获得,一是对模拟音频信号进行模数变换直接生成PWM数字音频.二是对其它编码的数字音频,如CD的PCM编码,通过数字信号处理技术变换成PWM码.获得后用此信号去控制大电流的开关型功率MOSFET由功率管输出一个大能量的PWM码.输出电压的大小由电源电压高低决定,输出的电流由负载扬声器的阻抗和电路形式决定.功率管工作在开关状态,只要开关特性好,线性要求几乎没有,制造成本比音响对管低,工业控制上这类MOSFET已用得很普遍,取材方便。由于开关管导通时的饱和压降和截止时的漏电流也会损失一些电能,但总效率仍有百分之九十几,为各类放大电路效率之冠。

　　开关晶体输出的是脉宽调制波形,要成为可听的模拟音频信号,还需经过一路带宽为20KHz的低通滤波器,滤去脉冲波形中的高频成分,见图3,一般说来功放的输出电压对选取电容的耐压不成问题,只是电感允许电流要设计正确。

　　数字功放由于效率高,管子的耗损小,功放的散热结构可以做得非常小巧简单,整个电路可以做得很小.所以,首先在笔记本电脑、有源音箱和声卡上采用.带有数字功放的声卡可直接接通普通音箱,这样使用就方便得多.随着技术的发展,数字功放也进入音响领域,TACT公司2000年推出的一款数字功放TACT Audio"黄金时代",令发烧音响界改变发结数字功放的成见,国内成都天奥公司更早就推出了用于家庭影院的数字多声道功放,深圳的三诺公司也在研发数字功放的有源音箱。国外多家芯片公司已推出带各种功能的数字功放IC器件,为整机生产厂更新产品提供了便利条件.一场功放革命正在悄然兴起。

　　从图1可以看出数字功放的另一优点是可以直接放大数字音频信号.CD和DVD碟片上输出的音频信号是数字化的,现在播放机解码后要经过数模变换,变成模拟音频后再送出.而采用数字功放后,就可把解码后的PCM数字音频信号直接进入数字信号处理电路处理成PWM码进行放大.省去了播放机中的数模变换和数字功放中的模数变换二个较贵重部分,不但音质受损少,成本也可降低。

　　利用数字功放技术生产整机时,音量调节方案会成为机种档次的分界线.简单方案就像传统模拟功放那样由电位器衰减模拟信号的输入幅度,实现音量衰减.这种方式数字信号的量化比特率得不到充分利用,小音量时信噪比下降,动态范围变小.而且也不能用于数字音频直接输入系统。

　　较好的方案是采用调节电源电压的方式来衰减音量,以改变加到低通滤波器上的脉冲电压幅度来改变输出功率.这样量化比特率仍可充分利用,由于电压下降,量化噪声也随之下降,所以音量减小,但信噪比和动态范围仍能保持不变.由于功放电源的功率较大,改变电源电压不能用电阻衰减或分压方式来实现,必须从电源整流稳压部分就开始.TACT公司采用的方法是在数字稳压电源的DC-DC逆变过程中,改变占空比来改变最终输出电压.这类方案目前还只能在分立元件做功率输出部分的整机中采用,集成化数字功放IC仍用衰减模拟输入为主来调节音量。

　　从现状来看,数字功放已能商品运用在功率一般的普通用途放大器上性价比和小型、节电等方面都有长处.几瓦的小功率型集成功放芯片,控制电路和功率开关器件已一体化,使用非常方便.几十瓦以上的大功率用数字功放芯片,一般只集成控制电路部分,大功率开关器件需另外集成或自行配置,以便整机设计灵活.在H F领域中,数字功放还只能算是在探索,离商品化还有一段过程.但数字功放是功率放大后起之秀这点是不容置疑的。

与模拟功放的区别

　　一、数字功放与D类功放的区别

　　常见D类功放（PWM功放）的工作原理：PWM功放只能接受模拟音频信号，用内部三角波发生器产生的三角波和它进行比较，其结果就是一个脉宽调制信号（PWM），然后将PWM信号放大并还原成模拟音频信号。因此，PWM功放是用脉冲宽度对模拟音频幅度进行模拟的，其信息的传递过程是模拟的、非量化的、非代码性的。并且由于目前器件性能的限制，PWM功放不可能采用太高的采样频率，在性能指标上尚达不到Hi-Fi级的水平。而数字功放采用一些宽度固定的脉冲来数字地量化、编码模拟音频信号，使音频信号的还原更为真实。

　　二、数字功放和模拟功放的区别

　　数字功放由于工作方式与传统模拟功放完全不同，因此克服了模拟功放固有的一些缺点，并且具备了一些独有的特点。

　　1. 过载能力与功率储备

　　数字功放电路的过载能力远远高于模拟功放。模拟功放电路分为A类、B类或AB类功率放大电路，正常工作时功放管工作在线性区；当过载后，功放管工作在饱和区，出现谐波失真，失真程度呈指数级增加，音质迅速变坏。而数字功放在功率放大时一直处于饱和区和截止区，只要功放管不损坏，失真度不会迅速增加，如图1所示。

　　图1 全数字功放与普通功放过载失真度比较

　　由于数字功放采用开关放大电路，效率极高，可达75[%]~90[%]（模拟功放效率仅为30[%]~50[%]），在工作时基本不发热。因此它没有模拟功放的静态电流消耗，所有能量几乎都是为音频输出而储备，加之前后无模拟放大、无负反馈的牵制，故具有更好的“动力”特性，瞬态响应好，“爆棚感”极强。

　　2. 交越失真和失配失真

　　模拟B类功放在过零失真，这是由于晶体管在小电流时的非线性特性而引起的在输出波形正负交叉处的失真（小信号时晶体管会工作在截止区，无电流通过，导致输出严重失真）。而数字功放只工作在开关状态，不会产生交越失真。

　　模拟功放存在推挽对管特性不一致而造成输出波形上下不对称的失配失真，因此在设计推挽放大电路时，对功放管的要求非常严格。而数字功放对开关管的配对无特殊要求，基本上不需要严格的挑选即可使用。

　　3. 功放和扬声器的匹配

　　由于模拟功放中的功放管内阻较大，所以在匹配不同阻值的扬声器时，模拟功放电路的工作状态会受到负载（扬声器）大小的影响。而数字功放内阻不超过0.2Ω(开关管的内阻加滤波器内阻)，相对于负载（扬声器）的阻值（4~8Ω）完全可以忽略不计，因此不存在与扬声器的匹配问题。

　　4. 瞬态互调失真

　　模拟功放几乎全部采用负反馈电路，以保证其电声指标，在负反馈电路中，为了抑制寄生振荡，采用相位补偿电路，从而会产生瞬态互调失真。数字功放在功率转换上没有采用任何模拟放大反馈电路，从而避免了瞬态互调失真。

　　5. 声像定位

　　对模拟功放来说，输出信号和输入信号之间一般都存在着相位差，而且在输出功率不同时，相位失真亦不同。而数字功放采用数字信号放大，使输出信号与输入信号相位完全一致，相移为零，因此声像定位准确。

　　6. 升级换代

　　数字功放通过简单地更换开关放大模块即可获得大功率。大功率开关放大模块成本较低，在领域发展前景广阔。

　　7. 生产调试

　　模拟功放存在着各级工作点的调试问题，不利于大批量生产。而数字功放大部分为数字电路，一般不需调试即可正常工作，特别适合于大规模生产。

　　三、数字功放和“数字化”功放、“数码”功放的区别

　　所谓的“数字化”功放只是在前置级上采用数字信号处理的方式，在模拟音频信号或数字音频信号输入后，采用现有的数字音频处理集成电路，实现一些比如声场处理、数字延时、混响等功能，再通过模拟功率放大模块进行音频放大。其典型电路框图如图2所示。由图2可知，其各模块的接口都是采用模拟方式。而数字声场处理模块的大致原理框图如图3所示。

　　图2 数字化功放电路的组成框图                      图3 数字声场处理模块原理框图

　　虽然目前各集成电路厂家都推出了数字声场处理、数字卡拉OK和数字杜比解码集成电路。但是由于目前功放大都只能接收模拟音频信号，所以各集成电路的接口也大多是模拟的，这就需要反复地进行模/数、数/模转换，由此会引入量化噪声，使音质恶化。

　　全数字功放除了针对扬声器的接口以外（这是因为目前扬声器都只能接受模拟音频信号），音频信号在功放内部都是以数字信号的方式进行处理（包括功率放大）；对于模拟音频信号，必须转化成数字信号后才能进行处理。

　　在已经具备数字音频的时代推出数字功放，将可能对音响技术的发展产生重大影响。

制作原理

　　1.概述

　　一般认为，功率放大器根据其工作状态可分为5类。即A类、AB类、B类、C类和D类。在音频功放领域中，C类功放是用于发射电路中，不能直接采用模拟信号输入，其余4种均可直接采用模拟音频信号输入，放大后将此信号用以推动扬声器发声。其中D类功放比较特殊，它只有两种状态，即通、断。因此，它不能直接放大模拟音频信号，而需要把模拟信号经“脉宽调制”变换后再放大。外行曾把此种具有“开关”方式的放大，称为“数字放大器”，事实上，这种放大器还不是真正意义的数字放大器，它仅仅使用PWM调制，即用采样器的脉宽来模拟信号幅度。这种放大器没有量化和PCM编码，信号是不可恢复的。传统D类的PWM调制，信号精度完全依赖于脉宽精度，大功率下的脉宽精度远远不能满足要求。因此必须研究真正意义的数字功放，即全（纯）数字功率放大器。

　　数字功放是新一代高保真的功放系统，它将数字信号进行功率转换后，通过滤波器直接转换为音频信号，没有任何模拟放大的功率转换过程。CD唱机（或DVD机）、DAT（数字录音机）、PCM（脉冲编码调制录音机）都可作为数字音源，用光纤和同轴电缆口直接输出到数字功放。此外，数字功放也具备模拟音频输入接口，可适应现有模拟音源。

　　国外对数字音频功率放大器领域进行了二三十年的研究。在20世纪60年代中期，日本研制出8bit的数字音频功率放大器；1983年，国外提出了D类（数字）PWM功率放大器的基本结构。但是这些功放仅能实现低位D/A功率转换，若要实现16bit、44.1KHz采样的功率放大器。随着数字信号处理(DSP)和音频数字压缩技术的结合、新型离散功率器件及其应用的发展，使开发实用化的16bit数字音频功率放大器成为可能。

　　国内外一些从事数字信号处理的技术人员，专门研究音频数字编码技术，在不损伤音频信号质量的情况下，尽量压缩数据库。经过多次实验，终于将末级功放开关频率由没有压缩数据时的约2.8GHz减至小于1MHz，从而降低了对开关功放管的要求。同时在开关功率放大部分，采用了驱动缓冲器和平衡电桥技术，实现了在不提高工作电压的情况下能够输出较大的功率，并且设计了完善的防止开关管击穿的保护电路。

　　2.技术特点

　　国内外一些公司研制出的数字功放，直接从CD唱机的接口（光纤和数字同轴电缆）接受数字PCM音频信号（模拟音频信号必须经过内置的A/D转换变成数字信号后才能进行处理），在整个信号处理和功率放大过程中，全部采用数字方式，只有在功率放大后为了推动音箱才转化为模拟信号。

　　数字功放的主要技术特点为：

　　(1)　　采用两电平（0、1）多脉宽脉冲差值编码。

　　(2)　　采用平衡电桥脉冲速推技术。

　　(3)　　采用高倍率数字滤波技术。

　　(4)　　利用数字算法处理噪声问题。

　　(5)　　采用非线性抵消技术。{{分页}}

　　3. 工作原理

　　如图1所示，数字功放从光纤或数字同轴电缆接口接受数字PCM音频编码信号，或通过模拟音频输入接口接收模拟音频信号，并通过内部A/D转换器得到数字音频信号，再通过专用音频DSP芯片进行码型变换，得到所需要的音频数字编码格式，经过小信号数字驱动电路送入开关功率放大电路进行功率放大，将功率脉冲信号通过滤波器，提取模拟音频信号。

　　图１　全数字音频功放电路的组成框图

　　由图1可知，音频数字信号经过DSP编码后，直接控制场效应管开关网络的工作状态。场效应管驱动器用来缓冲DSP并增强信号，使之能驱动大功率MOSFET开关管。由于高电平脉冲信号只有微分分量，故需通过积分电路才能得到大功率原始音频信息。下面用一个简单的数字和物理模型来阐述数字功放的编码过程，如图2所示。

　　图２　数字功放编码过程示意图

　　图中表示两个相邻采样点N和N+1的采样值为AN和AN+1，中间点a1、a2、a3……为超采样点。超采样点是由数字滤波器计算产生的。通过数字滤波器后，所有采样点包括超采样点所构成的音频信号是比较平滑的。{{分页}}

　　在数字功放中，首先建立一组不同脉宽的脉冲单元，它的脉宽虽然各不相同，但其宽度始终固定的，都是系统时钟周期的倍数。

　　个超采样点a1与数值AN的差为Δx1，即a1-AN=Δx1，得到Δx1后，即用上述脉冲单元去量度它，仅用一个脉冲单元表示，余数保留至下次量度，假设余数为ΔΔx1。接着传送的第二个差值编码为a2-a1=Δx2，由于上次还保留余数ΔΔx1，所以还应加上，即当前应用一个脉冲单元去量度Δx2+ΔΔx1，同样余数保留至下一次累计。

　　由此看出，用脉冲单元表示后的余数，即低于最小量度单位的部分并没有丢失，而是累加至相邻超采样点上。而从音频信号的角度来说，曲线AN，a1，a2，a3……AN+1下方的面积和原值相等，因此音频信号并没有产生失真，但曲线增加了以ΔΔx1，ΔΔx2……ΔΔxN幅度上下波动的噪声，这种噪声分量不大，频率很高，用一个较简单的滤波器就可滤除，不会影响到音频信号还原。

　　在能量放大部分，采用平衡电桥开关技术，每通道使用四只MOSFET开关功放管构成平衡电桥开关网络。当功放管处于开关放大状态时，输出波形和输入的脉冲信号波形相同，但幅度近似于工作电压，即VOUT=VBUS，经滤波器滤波后，输出到负载上的波形峰值为VBUS。设MOSFET管内阻为rDSON，负载阻值为RLOAD，电源电压为VBUS，滤波器阻抗为Rx，则负载上均方值电流

　　IRMS=VBUS/[(2rDSON+RLOAD+Rx)]

　　所以负载上承受的功率为

　　PLOAD=I2RMSXRLOAD

　　={V2BUS/[2(2rDSON+RLOAD+Rx)2]}XRLOAD

　　η=[RLOAD/(2rDSON+RLOAD+Rx)]/[1+fX(■+▲)]

　　其中■=16VBUS/[π2XIRATEX(2rDSON+RLOAD+Rx)]

　　▲=2IRATE(t2RR/VBUS)(2rDSON+RLOAD+Rx)

　　当包含有开关损耗时，效率可由下式计算：采用RFP22N10 MOSFET功放，内阻rDSON为0.08Ω，负载RLOAD为８Ω，工作电压VBUS为40V，开关频率f为700KHz，变换速率IRATE为50A/?s，翻转恢复时间tRR为100ns，滤波器内阻Rx为0.04Ω，可算出：PLOAD=95W，η=78[%]。

　　在滤波器设计时，我们采用六阶巴特沃斯低通滤波器，用于将大功率数字脉冲信号转换为模拟音频信号。巴特沃斯滤波器的特点是带内平坦度高，从而使得输出音频信号幅频特性较好。