对数字功率放大器的讨论

对数字功率放大器的讨论.txt31岩石下的小草教我们坚强，峭壁上的野百合教我们执著，山顶上的松树教我们拼搏风雨，严寒中的腊梅教我们笑迎冰雪。对数字功率放大器的讨论

1 数字功放的发展前景

随着人民生活水平的提高，许多人特别是音响发烧友们对音频功率放大器能否完美不失真的还原声音的要求近乎于苛刻。模拟的功率放大器经过了几十年发展，在这方面的技术已经相当成熟，可以说是达到了登峰造极的地步。环保与能量的利用率已渐渐成为人们所关注的问题，正因为这样，广大消费者对功放的效率要求越来越高。但是模拟功率放大器在这方面几乎达到了极限。另外模拟磁带播放机如录音机逐步被淘汰，数字光碟播放机如CD、VCD、DVD 等已占据主流。针对这一现实数字功放应运而生。音响中用的功率放大器，常用的是A类或者AB类功放，近年来，利用脉宽调制原理设计的D类功放也进入音响领域。

功率放大器通常根据其工作状态分为五类。即A类、AB类、B类、C类、D类。在音频功放领域中，前四类均可直接采用模拟音频信号直接输入，放大后将此信号用以推动扬声器发声。D 类放大器比较特殊，它只有两种状态，不是通就是断。因此，它不能直接输入模拟音频信号，而是需要某种变换后再放大。人们把此种具有"开关"方式的放大，称为"数字放大器"。

国外在数字音频功率放大器领域进行了二、三十年的研究，六十年代中期，日本研制出8bit 数字音频功率放大器。1983年，M.B.Sandler等学者提出D类（数字）PCM功率放大器的基本结构。主要是围绕如何将PCM信号转化为PWM信号。把信号的幅度信号用不同的脉冲宽度来表示。此后，研究的焦点是降低其时钟频率，提高音质。随着数字信号处理（DSP）技术和新型功率器件及应用的发展，开发实用化的16位数字音频功放成为可能。一个音响系统必须具备音源、功放和音箱三大部分。音源部分目前已数字化了，如CD、VCD、DVD、DAB和数字电视等。但的功放和音箱仍然是模拟统治的天下。在人们进入数字化、信息化的开发过程中自然想到了功放的数字化这一问题。

模拟功放始终无法解决效率、成本、音质这三者。

国外这几家公司研制的数字功放价格均在一万美元以上，远远超过了普通大众的承受能力，因此，从世界水平来看，现有功放仍停留在模拟放大的水平上，而数字功放技术尚未大规模商业应用。

国内市场也开始出现AV数码功放，但所谓的数字功放实质上仅仅是指音频处理部分采用了数字处理，其功率放大器则仍然采用模拟放大，这与真正意义的数字功放相差甚远。

音响产品的数字化是必然趋势。由于数字功放有很多优点，如体积小、功率大、高、与数字音源的无缝结合、能有效降低信号间传递干扰、实现高保真等。在数字音源已经大量普及的时代，数字功放将会取代现有的模拟功放。

>>>数字功放的特点

数字功放在功能模块上可分为：信号输入、信号处理、功率放大、输出部分。

若从信号输入到整个功率转换均是在数字方式下进行，没有模拟音频信号出现，则称为全数字功放（或纯数字功放）。

数字功放与模拟功放相比有如下一些明显优势：

·（1）整个频段内无相对相移，声场定位准确

由于采用无负反馈的放大电路、数字滤波器等处理技术，可以将输出滤波器的截止频率设计得较高，从而保证在20Hz-20kHz内得到平坦的幅频特性和很好的相频特性。

·（2）瞬态相应好，即"动态特性"好

由于它不需传统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，加之无模拟放大、无负反馈的牵制，故具有更好的"动力"特征。

·（3）无过零失真

传统功放都在由于对管配对及各级调整不佳产生的过铃、交越失真。

·（4）效率高、可靠性高、体积小

理论上D类功放的效率可达100%，而B类放大器效率仅为78%（理论值），A类功放的效率就非常低。可靠性知识告诉我们：半导体器件的温度每升高10C，失真率就提高一倍。

（5）·适合于大批量生产

产品的一致性好，生产中无需调试，只保证元器件正确安装即可。

天奥DPA功放TA-D990的主要指标：

频响：20-20000Hz（≤±0.5dB）；

信噪比≥100dB；

失真度：≤0.05%-0.15%。

D类功放中的功率晶体管工作在开关状态，又称作数字功放。A类功放的保真度好，但效率甚低，不到10 %，用於高档的专业音响；AB类功放的保真度略为逊色，但效率可以达到20 %至40 %，主要用於汽车、家庭音响以及电脑上；D类功放的效率高达80 %至90 %以上，使用时不需要散热器，或者只需要一只很小的散热器，但是它的保真度和A类及AB类功放相比则大为逊色。理想的功放是保真度高，同时效率也高。Tripath Technology公司提供一种保真度好、效率高的音频功率放大器，其中的功率晶体管也是工作在关关状态，即D类，为了区别於用脉宽调制原理设计的D类功率放大器，Tripath把这种音频功率放大器称作T类功率放大器。

用脉调宽制技术的D类功率放大器之所以音质差，原因在於：输出功率晶体管并不是纯粹的开关，也不是匹配得很好，会带来畸变；晶体管在接通和关闭的过程中，接地点的电位会出现波动，从而增大噪音；功率输出电路是用两只（或者四只）功率晶体管接成的桥路，一只功率晶体管导通，另外一只关闭，这之间存在死区；功率输出电路和扬声器之间用一只输出低通滤波器把音频以外的成份滤除，让音频信号进入扬声器，但不可能彻底滤除脉宽调制的载波，这也是造成失真的一个因素。

T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D类功放相同，功率晶体管也是工作在开关状态，效率和D类功放相当。它和D类功放不同的是，它不是使用脉冲调宽的方法。Tripath 公司发明了一种称作"Digital Power Processing (tm) (DPP(tm))"的数字功率处理技术，它是T类功放的核心。它把通信技术中处理小信号的适应算法及预测算法用到这里。输入的音频信号和进入扬声器的电流经过DPP(tm)数字处理後用於控制功率晶体管的导通关闭，因而

不存在脉宽调制D类功放的那些缺陷。音频功率放大器的失真用两个指标衡量：一个是THD+N （总谐波失真加噪音）指标，另一个是IMD（互调制失真）指标。如果在20 Hz至20 kHz频带上的THD+N指标低於0.2 %，IMD指标低於0.4%，就算是低畸变的了。TA1101是输出10瓦的双声道T类功率放大器，它在音频频带上的THD+N为0.02 %，IMD指标为0.04 %，效率高於80 %。此外，T类功放的动态范围更宽，响率响应平坦，群延迟小。DDP(tm)的出现，把数字时代的功率放大器推到一个新的高度。

在T类功率放大器中，功率晶体管的切换频率不是固定的（D类功率放大器中调宽脉冲的频率是固定的），无用分量的功率谱不是像D类功率放大器那样是集中在载频两侧狭窄的频带内，而是散布在很宽的频带上，例如从1.5 MHz至2.5 MHz的频带上，它的波形和扩谱技术的波形相似，因此，功率密度并不高，从而降低了对输出低通滤波器的要求，同时它产生的EMI也不像D类功率放大器那麽严重。虽说D类功放和T类功放所处理的是音频信号，但会产生EMI，这是因为这两种功放中的功率晶体管的切换频率比音频信号的最高频率高很多。在A类或者AB音频功放则不存在这种问题。所以，使用D类功放和T类功放的设计师需要有一点RF设计的知识，并针对EMI下点功夫，例如，合理布置输出低通滤波器的元件，使自已设计的产品符合电磁兼容性的要求。

Tripath Technology在1995年成立於美国加州San Jose，它的技术专长是数字信处理技术以及设计混合信号处理和功率集成电路。黄燕彬介绍说，联杰元器件有限公司代理Tripath的T类功放集成电路，并且提供利用T类功放集成电路加上输出低滤波器等做成的功放电路板。这种音质好、效率高、可以输出数十瓦至一百多瓦功率的T类音频功放电路板，上衣口袋都装得下，主要用於多体电脑、手提电脑、家用音响、家庭影院、轻便音响、汽车音响等。

传统的数字语音回放系统包含两个主要过程：1、数字语音数据到模拟语音信号的变换（利用高精度数模转换器DAC）实现；2利用模拟功率放大器进行模拟信号放大，如A类、B类和AB 类放大器。从1980年代早期，许多研究者致力于开发不同类型的数字放大器，这种放大器直接从数字语音数据实现功率放大而不需要进行模拟转换，这样的放大器通常称作数字功率放大器或者D类放大器。它具有两大优点：效率很高；模拟信号转换为数字信号输入，能够很好的与数字音源播放机对接。

数字功率放大器的实现包括两个主要部分：第一，把数字光碟播放机从光碟上读下来或者电脑CPU从ROM里读出来的脉冲编码调制(PCM)数字语音数据（通过数字接口），或者模拟信号经A/D后的数字音频信号等等转化成对应的脉宽编码调制(PWM)数字语音数据。第二，把PWM 信号作为开关控制信号来控制PWM-H桥转换器中开关管的导通与不导通的时间比，经过低通滤波后使得音频信号在负载上放大输出。

2 数字功放的讨论

目前的模拟功放按放大器的工作状态可分为：A类放大器、B类推挽放大器、AB类推挽放大器等形式。下面简单介绍一下这些线性功率放大器的主要特点。

A类放大器的主要特点是：晶体管在输入信号的整个周期内均导通。可单管工作，也可以推挽工作。瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25％，且有较大的非线性失真。

B类推挽放大器的主要特点是：晶体管在输入信号的半周期内导通，必须用两管推挽工作。存在交越失真，交替失真较大。效率较高，晶体管功耗较小，功率理论最大值可达78.5％。可以抵消偶次谐波失真。

AB类推挽放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大。可以抵消偶次谐波失真。效率较高，晶体管功耗较小。理论上也可达到78.5％的功率最大值，但实际上功率的最大值在70％左右可能受到输出级拓扑和输出级斜线的影响，在典型的听音条件下（全功率的30％左右），功放的效率为35％左右。

相对于A类放大器来说，AB和B类推挽放大器具有效率较高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热问题容易解决等优点，是目前音频功率放大器的基本电路形式。用晶体管制作的AB类放大器和B类放大器在工作状态选择不当时易产生交越失真。此外，由于推挽级中的晶体管有部分时间处于截止状态，在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真(或叫转换失真)。交替失真会产生脉冲尖峰，它包含有许多高次谐波，从而产生瞬态互调失真。用传统的正弦波谐波失真测试方法不能反映晶体管放大器的瞬态互调失真的大小。

这几类模拟放大电路的共同特点是晶体管都工作在线性放大区域，它按照输入音频信号的大小控制输出的大小，就像串在电源和输出间的一个可变电阻，在控制输出的同时自身也在消耗电能，因此，模拟功放不可避免的存在着效率低下的特点。上面给出的A类、B类、AB类的效率值是在放大器处于最大功率输出时的理论值，实际上能够做到这个理论值的一半已经算不错了。而且在正常的听音过程中不可能使功放时时都有最大功率输出，这样在放音时它们的效率就更低了。

我们知道，功放管除了工作在线性放大状态外，还可以工作在开关状态。数字D类功放的功放管就是工作在开关状态，在理想情况下，功放管导通时内阻为零，两端没有电压，因此没有功率损耗；而截止时，内阻无穷大，电流又为零，也没有功率损耗。典型的数字功放是D 类功放，它在实际的工作中的功率消耗主要由两部分构成：转换损耗和I2R损耗。

当开关式放大器输出在接通和断开之间切换，或断开和接通之间切换时通过线性区域而消耗功率。在D类功放中开关管绝大多数采用的是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET管），它的开关导通电阻较小一般远远小于1Ω，所以I2R损耗相对来说还是很小的。当达到最大额定功率时，D类放大器的效率在80％到90％的范围内。在典型的听音条件下，效率也可达到65％到80％左右，约为AB类放大器的两倍以上。

正因为数字D类功放具有效率高的突出优点，所以它正成为音响研究的热点，也是我们在这里要讨论它的原因所在。

3 数字音频功率放大器的实现方法

下面是一个高档数字音频功率放大器的原理结构图，从图中我们可以看出，该系统的核心部分是DSP，其作用是把多种不同格式的音源（包括来自各种数字接口的PCM数字音源和模拟语音信号经A/D后的数字语音信号）转化为PWM信号。

对于一个数字D类功率放大器来说PWM信号是后级驱动所必需的。在绝大多数数字D类功放中采用都是BTL的驱动形式，但是对于BTL驱动所需的两路信号的选取却有多种方案。主要有以下几种方案：

①、传统方案：采取两路输出脉冲相位相反的方式，无信号输入时，BTL输出的电压电流波形如图3示。由图可以看到，采用这种方案零输入时的BTL输出的电压是垒加变大的，即使经过滤波后在零输入时的负载电流还是比较大，在滤波器设计不好时，则流过负载的电流就更大。可见采用这种方案零输入时的负载电流较大，导致负载上的损耗大，降低了放大器效率。另外由于这一方案对滤波器的要求比较严格，而好的滤波器的设计较为困难，所以一定程度上不利于整体的实现。

M调制方案：每路输出电压仍从0至VDD，但是在0信号输入时，两路的输出电压几乎是同相（由于很难做到同相，所以总会存在一定的相移），这时加在滤波器上的电压为就几乎为0。经滤波器输出到负载（扬声器）的电流波形如图示。由图可以看到，由于两路同相输出，加载到滤波器的电压近似为0，此时负载电流极小，从而静态功耗很小。

该模块在MAX+PLUSII编译成功后，模块对TLC549控制端I/O CLOCK和/CS的时序仿真结果，对比串行A/D TLC549的工作时序图-13，以上仿真结果与该串行A/D的工作时序相符合，表明该模块设计符合要求。

模拟语音信号的输入与A/D部分电路，在电路中，10K电阻和2.5V稳压管串接得到一个2.5V 的直流电压从运放NE5532的同相端输入，其目的是为了给输入的音频信号增加一个2.5V的直流分量，因为TLC549的信号输入必须为正电压。另外之所以用2.5V是为了在零信号输入时串行A/D采样到的值为10000000，因为2.5V为VR＋（5V）的一半。前面说过在CPLD内部的数字比较器模块中，0所代表的并行数据是10000000，这就是为什么这样做的原因。其中TLC549的I/OCLK、DATAOUT、/CS端分别与图―14中的I/O CLOCK、串行数据输入、/CS控制端连接。

（4） PCM到并行二进制代码转换模块的功能是要完成把CD格式的PCM转换为非压缩的其值代表模拟信号大小的二进制代码。首先我们来看一下CD盘上的物理格式，帧是CD盘上存放声音数据的基本单元，每98帧组成一节。通常一首歌曲安排在一条光道上，而每一条光道由许多节组成。

每一帧数据由三个字的同步码、一个字节的控制/显示、12字节的左声道声音数据、四字节的Q校验码、12字节的右声道声音数据、四字节的P校验码组成。同步码具体的码字为100000000001000000000010，CD盘上声音采样频率为44.1kHz，注意CD数据位是双字节的，因此每秒钟的声音数据率就为：

44.1×1000×2×(16÷8)=176400B/s

以上只是CD盘上数据的物理格式，那么从CD机数字接口出来的数据格式是如何的，笔者暂时还没有在有关文献中查到。如果在知道CD机数字接口的数据格式，对于“PCM到并行二进制代码转换模块”的设计就不成问题了。由于暂时还不知道这一格式，所以这一模块设计暂

时省略，以后有待进一步完善。

--------后级电路的设计

在本系统中采用的CPLD芯片是Altera公司的EPM7128SLC84-15，它的工作电压为5V，所以它输出的双路反宽度PWM的高电平也是5V。笔者在实验过程中发现，EPM7128SLC84-15在工作时的静态电流高达几十个毫安，能耗较大不利于功率放大器的效率的提高。由于这一损耗基本上是固定损耗，固采用CPLD芯片为核心的数字功放不适宜在小功率的场合使用，所以我们尽量提高本功率放大器的输出功率，以提高效率。

后级开关控制与无源滤波电路Q1和Q2、Q3和Q4为两对开关对管，其中N管为IRF540，P 管为IRF9540它们的最大工作电压可上到百伏以上。L1、L2、C组成无源低通滤波器，经低通滤波后，音频信号从扬声器输出。在要求不太严格的场合，该低通滤波器可以省略，因为扬声器本身是一个感性负载，也具有低通滤波的能力，这时我们把利用负载本身进行滤波的滤波器称为负载滤波器。由于开关对管的开关电容较大所以加大电容退耦。

应当注意，在负载和输入信号不变的情况下，电源电压越大则输出功率越大,其输出功率近似值求为：

POUT=(VCC×加在滤波器两端的PWM占空比)2 /RL

所以增大输出功率的最好的办法是增大VCC。

开关对管中的P管和N管是增强型金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET管）。从转移特性曲线图可以看出，要使两个管子都导通在开关状态并且只有一个处于导通需要满足一定的条件，也就是PWM信号的高电平应当接近VCC，因为如果PWM的高电平低过VCC一定值时，则PWM处于高电压时N管开关导通了，但是对于P管来主｜VGS｜的值仍然较大，这时P管也会处于导通状态，这样就达不到设计要求。所以要求起开关控制作用PWM信号其高电平应当为VCC或接近VCC。前面说了为了获得较大功率输出，VCC应当先取较大的值，而从CPLD出来的双路反宽度PWM幅值仅为5V，所以要进行电平转换。PWM(幅值为5V)是来自CPLD的输出端，其幅值为5V，经过一个集电极开路的缓冲器74HC07和1K的电阻，将PWM信号幅值变为VCC，再经过两级缓冲从而获得幅值为VCC并具有一定开关驱动能力的PWM信号。PWM(幅值为VCC)直接驱动后级，它与图-18的输入端相接。(电平转换电路有两路，由于两路相同所以在这里只给出一路的电路)。

另外CPLD的系统时钟为66.66MHz，双路PWM信号频率约为260KHz，A/D采样率为20.833Hz。电路工作所需的电源由外部提供，其中有74HC07、TLC549和EPM7128SLC84-15所需的5V电源以及运算放大器、后级驱动所需的12V电源。

负载(扬声器)内阻为8欧姆，模拟输入为CD机出来的音频信号时。听音效果表明，在未加输出滤波器时，也能回复CD的音频信号，但噪声比线性功放大。

本文对全数字音频功率放大器的设计与实现进行了研究与探讨。本文在全数字音频功率放大器的设计中采用了CPLD实现将PCM数字语音数据转换成PWM信号，并在D类放大器的实现上

采用了改进的PWM方案，实现的D类放大器具有效率高、滤波器设计简化等特点。

系统的测试与优化有待进一步的进行，包括提高D类功率放大器的效率以及减小失真，有关数字音源的数字接口格式也要进一步研究，以实现实用的真正意义的全数字音频功率放大器。

下图、由输入电压放大、脉宽调制、负反馈、功放和ＬＣ低通滤波器电路组成。ＨＩＰ４０８０Ａ芯片为小型２０脚双列直插式ＩＣ芯片，其输入有两个端子，即ＩＮ＋⑥脚和ＩＮ－⑦脚，分别输入音频信号和基准三角波，内部脉宽调制后，分两路去驱动４只大功率场效应三极管Ｔｒ１～Ｔｒ４，经功率放大后的音频脉冲送至巴特奥兹型ＬＣ低通滤波器，实现Ｄ／Ａ转换，以推动扬声器。

音频信号由ＲＣＡ插座输入，经１μＦ电容隔直后，送至ＣＡ５４７０芯片中一组进行电压放大，然后再送至另一组②脚，与负反馈信号综合后，由①脚输出送至ＨＩＰ４０８０Ａ的ＩＮ－端。ＩＮ＋端输入的是由三级门电路ＣＤ４０６９组成的标准基准三角波，１０ｋΩ电位器起三角波幅值的微调作用。ＨＩＰ４０８０Ａ将这两个输入信号进行脉宽调制成脉冲波，即让脉冲波的宽度受音频信号波幅度调制，称为ＰＷＭ信号。调制原理为：当三角波幅大于音频波幅部分时，变换电路输出为“０”；而三角波幅小于音频波幅时，变换电路输出为“１”，这样就将输入的音频信号变为宽度随音频信号波幅变化的ＰＷＭ波。经脉宽调制后的音频脉冲由两路驱动器输出，Ａ路包括ＡＬＳ、ＡＬＯ、ＡＨＳ、ＡＨＯ，Ｂ路包括ＢＬＳ、ＢＬＯ、ＢＨＳ、ＢＨＯ。去推动４只功率管Ｔｒ１～Ｔｒ４，４只管互相独立交替工作，即Ｔｒ１、Ｔｒ４导通时，Ｔｒ２、Ｔｒ３截止，反之亦然。为防止管子短路贯通，在ＨＩＰ４０８０Ａ⑧和⑨脚装有管子导通延迟调节电阻２００ｋΩ，相应延时为９０～１００ｎｓ。放大后的脉冲音频电流，经４级巴特奥兹低通滤波器，滤去高频，完成Ｄ／Ａ转换后，送到扬声器发声。

为降低失真和防止过电流，还加有相应的负反馈和保护电路。负反馈在电路结构上稍有特殊，反馈信号取自滤波器之前。其原因是由于低通滤波器的滤波作用会形成较大的相位延迟，在某些频率上容易造成相位改变使放大器工作不稳定，甚至造成自激。反馈信号经ＣＡ５４７０中一组比较放大后，由其⑧脚输出。过电流保护电路由两路二极管ＵＦ４０６２和电容组成。

目前的Ｈｉ－Ｆｉ音响和家庭影院系统中，输出声道多至２～６个，每声道功率达２０～８０Ｗ，按以前甲类、乙类和甲乙类功放效率３０％计算，电源直流功率需达３００多瓦，而采用Ｄ类放大器效率可提高到８０％以上，直流功率仅１２５瓦。