數字功放制作原理

1.概述

　　一般認為，功率放大器根據其工作狀態(tài)可分為5類(lèi)。即A類(lèi)、AB類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)和D類(lèi)。在音頻功放領(lǐng)域中，C類(lèi)功放是用于發(fā)射電路中，不能直接采用模擬信號輸入，其余4種均可直接采用模擬音頻信號輸入，放大后將此信號用以推動(dòng)揚聲器發(fā)聲。其中D類(lèi)功放比較特殊，它只有兩種狀態(tài)，即通、斷。因此，它不能直接放大模擬音頻信號，而需要把模擬信號經(jīng)“脈寬調制”變換后再放大。外行曾把此種具有“開(kāi)關(guān)”方式的放大，稱(chēng)為“數字放大器”，事實(shí)上，這種放大器還不是真正意義的數字放大器，它僅僅使用PWM調制，即用采樣器的脈寬來(lái)模擬信號幅度。這種放大器沒(méi)有量化和PCM編碼，信號是不可恢復的。傳統D類(lèi)的PWM調制，信號精度完全依賴(lài)于脈寬精度，大功率下的脈寬精度遠遠不能滿(mǎn)足要求。因此必須研究真正意義的數字功放，即全（純）數字功率放大器。

　　數字功放是新一代高保真的功放系統，它將數字信號進(jìn)行功率轉換后，通過(guò)濾波器直接轉換為音頻信號，沒(méi)有任何模擬放大的功率轉換過(guò)程。CD唱機（或DVD機）、DAT（數字錄音機）、PCM（脈沖編碼調制錄音機）都可作為數字音源，用光纖和同軸電纜口直接輸出到數字功放。此外，數字功放也具備模擬音頻輸入接口，可適應現有模擬音源。

　　國外對數字音頻功率放大器領(lǐng)域進(jìn)行了二三十年的研究。在20世紀60年代中期，日本研制出8bit的數字音頻功率放大器；1983年，國外提出了D類(lèi)（數字）PWM功率放大器的基本結構。但是這些功放僅能實(shí)現低位D/A功率轉換，若要實(shí)現16bit、44.1KHz采樣的功率放大器。隨著(zhù)數字信號處理(DSP)和音頻數字壓縮技術(shù)的結合、新型離散功率器件及其應用的發(fā)展，使開(kāi)發(fā)實(shí)用化的16bit數字音頻功率放大器成為可能。

　　國內外一些從事數字信號處理的技術(shù)人員，專(zhuān)門(mén)研究音頻數字編碼技術(shù)，在不損傷音頻信號質(zhì)量的情況下，盡量壓縮數據庫。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗，終于將末級功放開(kāi)關(guān)頻率由沒(méi)有壓縮數據時(shí)的約2.8GHz減至小于1MHz，從而降低了對開(kāi)關(guān)功放管的要求。同時(shí)在開(kāi)關(guān)功率放大部分，采用了驅動(dòng)緩沖器和平衡電橋技術(shù)，實(shí)現了在不提高工作電壓的情況下能夠輸出較大的功率，并且設計了完善的防止開(kāi)關(guān)管擊穿的保護電路。

2.技術(shù)特點(diǎn)

　　國內外一些公司研制出的數字功放，直接從CD唱機的接口（光纖和數字同軸電纜）接受數字PCM音頻信號（模擬音頻信號必須經(jīng)過(guò)內置的A/D轉換變成數字信號后才能進(jìn)行處理），在整個(gè)信號處理和功率放大過(guò)程中，全部采用數字方式，只有在功率放大后為了推動(dòng)音箱才轉化為模擬信號。

數字功放的主要技術(shù)特點(diǎn)為：

(1)    采用兩電平（0、1）多脈寬脈沖差值編碼。

(2)    采用平衡電橋脈沖速推技術(shù)。

(3)    采用高倍率數字濾波技術(shù)。

(4)    利用數字算法處理噪聲問(wèn)題。

(5)    采用非線(xiàn)性抵消技術(shù)。{{分頁(yè)}}

3. 工作原理

　　如圖1所示，數字功放從光纖或數字同軸電纜接口接受數字PCM音頻編碼信號，或通過(guò)模擬音頻輸入接口接收模擬音頻信號，并通過(guò)內部A/D轉換器得到數字音頻信號，再通過(guò)專(zhuān)用音頻DSP芯片進(jìn)行碼型變換，得到所需要的音頻數字編碼格式，經(jīng)過(guò)小信號數字驅動(dòng)電路送入開(kāi)關(guān)功率放大電路進(jìn)行功率放大，最后將功率脈沖信號通過(guò)濾波器，提取模擬音頻信號。

圖１　全數字音頻功放電路的組成框圖

　　由圖1可知，音頻數字信號經(jīng)過(guò)DSP編碼后，直接控制場(chǎng)效應管開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )的工作狀態(tài)。場(chǎng)效應管驅動(dòng)器用來(lái)緩沖DSP并增強信號，使之能驅動(dòng)大功率MOSFET開(kāi)關(guān)管。由于高電平脈沖信號只有微分分量，故需通過(guò)積分電路才能得到大功率原始音頻信息。下面用一個(gè)簡(jiǎn)單的數字和物理模型來(lái)闡述數字功放的編碼過(guò)程，如圖2所示。

圖２　數字功放編碼過(guò)程示意圖

　　圖中表示兩個(gè)相鄰采樣點(diǎn)N和N+1的采樣值為A_N和A_N+1，中間點(diǎn)a₁、a₂、a₃……為超采樣點(diǎn)。超采樣點(diǎn)是由數字濾波器計算產(chǎn)生的。通過(guò)數字濾波器后，所有采樣點(diǎn)包括超采樣點(diǎn)所構成的音頻信號是比較平滑的。{{分頁(yè)}}

　　在數字功放中，首先建立一組不同脈寬的脈沖單元，它的脈寬雖然各不相同，但其寬度始終固定的，都是系統時(shí)鐘周期的倍數。

　　第一個(gè)超采樣點(diǎn)a₁與數值A_N的差為Δx₁，即a₁-A_N=Δx₁，得到Δx₁后，即用上述脈沖單元去量度它，僅用一個(gè)脈沖單元表示，余數保留至下次量度，假設余數為ΔΔx₁。接著(zhù)傳送的第二個(gè)差值編碼為a₂-a₁=Δx₂，由于上次還保留余數ΔΔx₁，所以還應加上，即當前應用一個(gè)脈沖單元去量度Δx₂+ΔΔx₁，同樣余數保留至下一次累計。

　　由此看出，用脈沖單元表示后的余數，即低于最小量度單位的部分并沒(méi)有丟失，而是累加至相鄰超采樣點(diǎn)上。而從音頻信號的角度來(lái)說(shuō)，曲線(xiàn)A_N，a₁，a₂，a₃……A_N+1下方的面積和原值相等，因此音頻信號并沒(méi)有產(chǎn)生失真，但曲線(xiàn)增加了以ΔΔx₁，ΔΔx₂……ΔΔx_N幅度上下波動(dòng)的噪聲，這種噪聲分量不大，頻率很高，用一個(gè)較簡(jiǎn)單的濾波器就可濾除，不會(huì )影響到音頻信號還原。

　　在能量放大部分，采用平衡電橋開(kāi)關(guān)技術(shù)，每通道使用四只MOSFET開(kāi)關(guān)功放管構成平衡電橋開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )。當功放管處于開(kāi)關(guān)放大狀態(tài)時(shí)，輸出波形和輸入的脈沖信號波形相同，但幅度近似于工作電壓，即V_OUT=V_BUS，經(jīng)濾波器濾波后，輸出到負載上的波形峰值為V_BUS。設MOSFET管內阻為r_DSON，負載阻值為R_LOAD，電源電壓為V_BUS，濾波器阻抗為R_x，則負載上均方值電流

I_RMS=V_BUS/[(2r_DSON+R_LOAD+R_x)]

　　所以負載上承受的功率為

PLOAD=I²_RMSXR_LOAD

                                 ={V²_BUS/[2(2r_DSON+R_LOAD+R_x)²]}XR_LOAD

                               η=[R_LOAD/(2r_DSON+R_LOAD+R_x)]/[1+fX(■+▲)]

                     其中■=16V_BUS/[π²XI_RATEX(2r_DSON+R_LOAD+R_x)] 

     ▲=2I_RATE(t²RR/V_BUS)(2r_DSON+R_LOAD+R_x)

　　當包含有開(kāi)關(guān)損耗時(shí)，效率可由下式計算：采用RFP22N10 MOSFET功放，內阻r_DSON為0.08Ω，負載R_LOAD為８Ω，工作電壓V_BUS為40V，開(kāi)關(guān)頻率f為700KHz，變換速率I_RATE為50A/µs，翻轉恢復時(shí)間t_RR為100ns，濾波器內阻R_x為0.04Ω，可算出：P_LOAD=95W，η=78%。

　　在濾波器設計時(shí)，我們采用六階巴特沃斯低通濾波器，用于將大功率數字脈沖信號轉換為模擬音頻信號。巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是帶內平坦度高，從而使得輸出音頻信號幅頻特性較好。