全数字音频功放

全数字音频功放

一、概述

数字功放是新一代高保真的功放系统，至今国际市场上尚无同类产品出现。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机（或DVD机）、DA T（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。另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二十年的研究。在六十年代中期，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，其末级时钟则约需2.8GHz，显然无法实现。此后，研究的焦点在于降低其时钟频率。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，开发实用化的16bit数字音频功率放大器成为可能。

但，目前开发全数字的功率放大器还存在着一些非常关键的问题有待解决：谐波失真和噪声较高；音频编码复杂，技术含量高；成本高，电路结构复杂。

天奥公司有一批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。在不损伤音频质量的情况下，尽量压缩数据率。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，使得在不提高工作电压的情况下，能够输出较大功率，并且设计了完善的防止开关管击穿的保护电路。

二、技术特点

天奥公司研制出的数字功放，直接从CD机的数字接口（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：

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 采用高倍率的数字滤波技术；

4 利用数字算法处理噪声问题；

5 采用非线性抵消技术。

三、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收数字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。

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，故通过积分电路才能得到大功率原始音频信息。现在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表示两个相邻采样点N和N＋1的样值为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。

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

是始终固定的，都是系统时钟周期的倍数。

第一个超采样点a1与前值AN的差为△X1，即a1－AN=△X1，得到△X1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△△X1。接着传送的第二个差值编码为a2－a1=△X2，由于上次还保留余数△△X1，所以还应加上，即当前应用一个脉冲单元去量度△X2＋△△X1，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△△X1，△△X2……△△XN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的还原。

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V out=VBUS，经滤波器滤波后，输出到负载上的波形峰值为VBUS。设MOSFET管的内阻为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=

所以负载上承受的功率为：

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/μs，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。巴特沃斯滤波器的设计数据可通过查表得出。

四、数字功放与模拟功放的区别

1 数字功放与PWM功放的区别。为了不与问世达半世纪的脉宽调制方式的D类功放

（PWM功放）相混淆，现简单地描述一下常见PWM功放的工作原理：PWM功放只能接收模拟音频信号，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。而本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。

2 数字功放和普通模拟功放的区别。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，出现削波失真，失真度呈指数级增加，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3所示）。

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。因此它不需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类功放都存在过零失真，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。由于模拟功放中功放管的内阻较大，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，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实现大功率。大功率开关放大模块成本较低，在专业领域发展前景广阔。

（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。

3 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芯片，实现一些比如声场处理、数字延时、混响等功能，最后在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4所示。由图4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5所示。

虽然目前各芯片厂家都推出了数字声场处理、数字卡拉OK和数字杜比解码芯片。但是由于目前功放大都只能接收模拟音频信号，所以各芯片的接口也大都是模拟的，这样就需要反复地进行模/数、数/模转换，都会引入量化噪声，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收模拟音频信号），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。

在数字音源已经具备的时代推出数字功放，对音响技术的发展产生重大影响

启示:音源已数字化了,差功放和扬声器没有数字化

在功放和扬声器没有数字化前,音响系统是比不过全模拟的系统.如LP.

未来十年里数字功放会很成熟,价格底,性能好.因为数字功放结构上比模拟的简单,电源有革命了,受其他影响因素少了,容易做好和便宜.但数字音箱10年后才会逐渐成熟,因为声音的区域大,难用一种技术全段做好.

数字功放主要受芯片发展制约.