数字功放数字功放概述∙·数字功放简介∙·数字功放原理∙·数字功放制作方法∙·数字功放中音质和载波频率...数字功放的应用∙·DDX的数字功放解决方案∙·基于德仪音频的高保真数字功放数字功放简介数字功放采用早已存在的D类放大器电路，D类放大器的电路采用场效应管H-桥式链接。

电路场效应输出的脉冲波经过恢复得到原来的正弦波，驱动扬声器产生声音。

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最佳方案调制.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,只是电感最大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.数字功放制作方法在音频的领域中功率放大器一般可以分为5类,就是A类、AB类、B类、C类和D类,一般C类功放在发射电路中,不能直接性采用模拟信号输入,而其他的四种可以直接输出模拟信号,放大之后信号用来推动扬声器发出声音.D类是比较特殊的一种功放,它以通、断两种状态存在.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,最后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.第一个超采样点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]}XRLOADη=[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/us,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.数字功放中音质和载波频率的关系数字功放一直以来被许多人认为低音很不错,但是高音刺耳.在我们开发这个产品的过程当中,其实也发现了这个问题.我们回到数字功放的原理: 音频信号(20~20K)经过一个PWM的调制,然后通过一个开关功率放大电路,把PWM 信号放大,最后通过滤波器,把PWM信号滤除掉,这样就剩下一个大功率的音频信号可以直接推动喇叭了.这个调制过程是数字功放的关键.一般现在流行的几个数字功放的方案的PWM频率都是工作在300K~500K范围,有些低音跑甚至工作在100K以下的频率.工作频率越高,越难选择开关管,开关的速度如果变慢了,容易发热,想减轻发热,就需要把死区调大,死区调大了,就导致失真变大.这个是一个两难的选择.于是选用极端快速的开关管,是数字功放第一要务.数字功放的采样频率,直接决定了音质,这个是我们在开发数字功放的过程中发现的一个重要现象.举个简单的例子,应该可以很好理解这个原理.假设PWM的开关频率为300K(300~450K是现在市面上的数字功放的最常见的频率),1: 如果输入一个20HZ的低频信号进入,那么等于把一个20HZ的低频信号周期分割为15000个采样点,这个采样点足够在输出的时候完美表达一个正玄波的波形,低音可以得到很好的表现.2: 如果输入一个1K的中频信号,那么他就产生300K/1K , 也就是一个周期300个采样点,这个还是可以接受的,但是已经开始恶化了.3: 如果输入一个20K的中频信号,那么只产生300K/20K ,也就是一个周期15个采样点, 已经不能完整表达一个正玄波了,个人认为,这就是高音恶化难听的主要原因,我们再来看看,到底多高的频率能高好的表达音频信号.下面是一个表:PWM 20 250 500 1K 2K 5K 10K 15K 20K100K5000 400 200 100 50 20 10 7 5300K150001200 600 300 150 60 30 20 15500K 2500020001000 500 250 100 50 33 25600K 30000 2400 1200 600 300 120 60 40 301000K 50000 4000 20001000 500 200 100 67 502000K 100000 8000 4000 20001000 400 200 133 100从上表,可以看出,如果PWM的频率是100K输入一个20K的音频信号,他只能把20K的一个周期分辨出5个信号,这显然不行,100K最高可以比较好的表达1K的信号(有100个采样点),所以工作在100K的数字功放只能是作为低音炮(20~250HZ).一个300K的数字功放也只能比较完美的表达5K(有60个采样点)的高音.一个600K的数字功放,可以比较好的表达10K的音频当工作频率达到1~2M的时候,才能真正的把高音的失真减低,减低并不等于完美:)能追求更高的频率是每个数字功放设计师的梦想,但是必须基于更先进的器件(更高的工作频率的功率管).采样频率越低,高频波形的折线化越严重,为什么有些低频率(400K)的数字功放失真怎么那么低呢.这个主要是出现在失真的测量方法上,普通的失真测量是输入1K信号,输出后测量1K信号产生的谐波(2K 3K,4K ,5K等),2K 4K 比较高,那是偶次失真(电子管常见的失真),3K5K比较高是奇次失真(晶体管电路常见的失真),也就是说实际上标称的失真只是代表1KHZ的失真,而不能代表其他信号频率的失真.于是就会产生了标称失真很低,但是实际的听感不舒服了.大家可以回头去看看上面哪个表,300K以上的数字功放对1KHZ的表达是比较完美的了.从这个角度,也证明了平时大家的感觉,为什么数字功放高音总是不舒服.关键的问题还是基频不够高.从另一个角度,我们再探讨一下基频和音频信号的关系.----关于滤波器.数字功放,基本都有滤波器(小功率的现在发展到没滤波器了),这个滤波器的作用主要是把PWM的基频滤除,一个陡峭的滤波器是非常难以设计的.双方的频率越靠近,想用简单的滤波器把两个不同频率的信号分离越困难.所以说,频率越高滤波器越容易处理.当然频率高滤波器使用的材料是有很大区别的.很多300~500K的数字功放只使用一个两阶滤波器.这个是远远不够的,很多数字功放输出都有0.3~1V的静态电压,我测试过两家提供的半成品板,有家甚至达到了3V的高频电压输出,这个是非常恐怖的事情.这个输出电压是高频电压,频率就是PWM的基频,虽然理论上这个信号是听不见的,但是他会严重干扰高音喇叭的工作.我初期设计过600K的CLASS-D 必须使用4阶以上的滤波器才能有效减低这个输出电压.DDX的数字功放解决方案前言随着现在数字音源和数字音频的快速发展,在对数字音频信号直接放大的数字音频放大器也得到了飞速的发展.它有效率的与数字音源对接,实现了端到端的纯数字音频处理和放大的优点.这种DDX音频放大器可以接受来自DSP直接输入的数字音频编码信号,采用专利的DDX信号处理技术来控制高效的功率器件,不需要为每个声道准备D/A转换器,从而减少了中间不必要的转换层级,音质得到显着的改善,成本也随着零部件数目的减少而下降,从而把高音质、低功耗和低制造成本带到人气很旺的高速增长的应用领域,如平板电视机、无线产品和个人音响系统.DDX音频放大器的基本结构DDX音频放大器包括2个主要部分:第一部分是采用专利DDX技术的调制器,它把数字音频接口得到的或者A/D 转换得到的PCM数字音频数据转换成三态调制信号输出;第二部分是功率输出级,它包括三态驱动逻辑电路和全桥电路.经过三态调制的脉冲信号控制全桥电路中晶体管的导通与截止,在负载的两端产生极性相反的脉冲信号,脉冲的频率成份包含还原的音频信号和与调制过程相关的高频分量,因此通常需要在输出级和扬声器之间插入一个低通滤波器,避免高频分量直接驱动扬声器,从而在扬声器上得到还原并且放大的音频输出(如图1所示).图1 DDX基本功能块图DDX音频放大器驱动方式和调制方式DDX音频放大器的输出级采用全桥电路,它包含两个半桥输出级.每个半桥电路包括两个输出晶体管,一个是连接到正电源的高端功率管,另一个是连接到负电源的低端功率管.全桥电路可以由单电源供电,在相同的电源电压下,全桥电路的输出信号摆幅是半桥电路的两倍,理论上可以提供的最大输出功率是其四倍.传统的D类放大器采用差分工作方式,开关信号控制两个半桥电路中功率管的导通与截止,半桥A的输出极性必须与半桥B的输出极性相反,使负载电流从一个半桥流入,从另一个半桥流出,为滤波器提供极性相反的脉冲信号,因此只存在正态和负态这两种差分工作状态.图2 DDX驱动状态DDX音频放大器的调制器采用DDX专利的三态调制技术,增加了一个共模工作状态,即两个半桥输出的极性相同(都为低),从而使滤波器的两端被连接到地.这个共模状态称为阴尼态,和差分工作状态配合产生DDX三态调制,如图2所示.阴尼态用于表示低功率水平,代替两态方案中在正态和负态之间的开关.当音频信号处于低功率水平的时候,传统的两态方案仍然使输出晶体管处于开关状态,输出正负抵消的无用信号给滤波器和扬声器,这样不但增加了的开关损耗和能量开销,降低了音频放大器的效率和信噪比,而且不断地处于开关状态不可避免地产生EMI.DDX三态调制方案利用阴尼态表示低功率水平,正态和负态用于对扬声器提供大功率.在相同测试条件下,DDX 三态调制方案比采用两态调制方案的传统D类放大器产生的高频载波分量低16dB,在低功率水平时的放大器效率提高了20%.DDX三态调制方案的独有特性也改善了电源抑制比(PSRR),因为在低功率水平时,滤波器的差分动作非常小,阴尼态使扬声器的两端接地,从而使电源的噪声不被听见.许多D类放大器采用PWM输出至器件输入的负反馈环路以改善器件的线性,通过控制环路对输出进行校正,以减少失真问题和电源问题.闭环设计的优势是以可能出现的稳定性问题为代价的,这也是所有反馈系统共同面临的问题.而DDX音频放大器采用数字开环的设计,即使在驱动低阻抗扬声器的时候也不会产生放大器的稳定性问题.同时,利用先进的数字信号处理技术(DSP),对预期的输出级误差进行预补偿或者校正,也可以改善放大器的线性输出特性.并且可以在数字域对每个通道音频信号独立地编程,进行诸如分段EQ控制,低音/高音控制和音量控制等处理,而这些都可以通过I2C数字接口对内部寄存器进行编程来实现,不仅方便了用户的开发和使用,而且为用户增加了附加价值.DDX音频放大器种类DDX音频放大器芯片主要分成两类,一类是完全独立的设计,即DDX控制芯片和音频功率放大器芯片是分开的,最多能处理八个音频通道,最大输出功率为单通道350W;另一类是单芯片设计,即集成了DDX控制和音频功率放大器功能,同时拥有2.1通道的DDX控制和音频放大器,输出总功率为40W至160W.用户可以根据产品开发的实际需要进行灵活地选择和搭配组合.参考设计方案-平板电视专用音箱下面我们以意法半导体(STM)最新推出的一款DDX音频放大器STA328为例,来具体了解DDX音频放大器的结构和功能,以及如何利用DDX音频放大器进行产品设计和开发.该解决方案的主要特征:*音频放大器的输出为2.0通道(2×80W)或者2.1通道(2×40W+1×80W);*32条预设音频EQ曲线;*四选一HDMI选择开关控制器;*接收模拟立体声音频信号;*接收光纤和同轴接口的真数字编码音频信号(立体声PCM);*红外线遥控.随着平板电视设计变得更薄,扬声器变得更小,机箱声学特性越来越不理想,修正音频信号变得十分重要.我们为平板电视设计的这种2.1通道专用音箱,就是充分利用了DDX单芯片的高集成度,结合从声源到扬声器的纯数字流处理能力,为平板电视提供低成本、高效能、高音质的外置音响系统.这套专用音箱参考方案的电路结构如图3所示.图3 平板电视专用音箱参考方案的电路结构示意图这套音箱可以通过红外线遥控进行操作,意法半导体(STM)- ST72324作为人机界面控制MCU,接受来自红外遥控器的指令,向DDX音频放大器STA328发出相应的控制命令.另外,ASAHI KASEI MICROSYSTEMS (AKM)- AK4113是一个24位立体声数字音频接收器,可以接收来自光纤接口和同轴接口的高保真数字编码音频信号,然后转化为PCM音频信号,通过I2S总线输出,可以支持高达216KHz的采样率;AKM - AK5358A是一个高性价比的24位立体声A/D转换器,把立体声模拟音频信号转换为PCM音频信号,通过I2S总线输出.AK4113和AK5358A可以分别接收来自数字接口和模拟接口的音频信号源,为DDX音频放大器STA328提供PCM数字音频信号.设置STA328的输出级为2.1通道(2×40W+1×80W),搭配相应的音箱,还原并且放大来自前端数字音源或者模拟音源的音频信号.由于是针对平板电视这样的显示播放平台,当面临多个高清内容源的输入选择时,大多数平板电视的HDMI接口在使用上就会显得不方便,因此我们加入了英特矽尔(Intersil)-ISL54100.它是一个四选一HDMI选择开关控制器,不仅可以切换各路数字视频和音频信号,而且具有重新整理功能,通过一个内置的锁相环进行重新同步调整和均衡,可有效恢复因线材物理上的问题造成的信号衰变,能将高清信号传输距离延长15米.结语利用DDX音频放大器对数字音源输出的音频信号进行直接处理和放大,可以方便地实现高保真,高效率和低成本的音频放大器,为数字音源,音频处理和功率放大的整合提供了完整的端到端数字解决方案.基于德仪音频的高保真数字功放1 引言音响成为了现代社会中必不可少的物件之一,同时研究音响也已经进入了数字化,只要整个音响系统的心脏-功放,它仍然还在数字化的门外.随着日益现代化的同时,在这里聚集了很大的音响市场,众多知名半导体制造商都将目光聚集在此,研究数字功放. 这里简要介绍数字功放原理与结构,并给出基于TI系列音频IC的高保真数字功放的设计思路与方法.。