數(shù)字功放制作原理

1.概述

　　一般認(rèn)為，功率放大器根據(jù)其工作狀態(tài)可分為5類。即A類、AB類、B類、C類和D類。在音頻功放領(lǐng)域中，C類功放是用于發(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揚(yáng)聲器發(fā)聲。其中D類功放比較特殊，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(diào)制”變換后再放大。外行曾把此種具有“開關(guān)”方式的放大，稱為“數(shù)字放大器”，事實上，這種放大器還不是真正意義的數(shù)字放大器，它僅僅使用PWM調(diào)制，即用采樣器的脈寬來模擬信號幅度。這種放大器沒有量化和PCM編碼，信號是不可恢復(fù)的。傳統(tǒng)D類的PWM調(diào)制，信號精度完全依賴于脈寬精度，大功率下的脈寬精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。因此必須研究真正意義的數(shù)字功放，即全（純）數(shù)字功率放大器。

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

　　國外對數(shù)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(jì)60年代中期，日本研制出8bit的數(shù)字音頻功率放大器；1983年，國外提出了D類（數(shù)字）PWM功率放大器的基本結(jié)構(gòu)。但是這些功放僅能實現(xiàn)低位D/A功率轉(zhuǎn)換，若要實現(xiàn)16bit、44.1KHz采樣的功率放大器。隨著數(shù)字信號處理(DSP)和音頻數(shù)字壓縮技術(shù)的結(jié)合、新型離散功率器件及其應(yīng)用的發(fā)展，使開發(fā)實用化的16bit數(shù)字音頻功率放大器成為可能。

　　國內(nèi)外一些從事數(shù)字信號處理的技術(shù)人員，專門研究音頻數(shù)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(shù)據(jù)庫。經(jīng)過多次實驗，終于將末級功放開關(guān)頻率由沒有壓縮數(shù)據(jù)時的約2.8GHz減至小于1MHz，從而降低了對開關(guān)功放管的要求。同時在開關(guān)功率放大部分，采用了驅(qū)動緩沖器和平衡電橋技術(shù)，實現(xiàn)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(shè)計了完善的防止開關(guān)管擊穿的保護(hù)電路。

2.技術(shù)特點

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

數(shù)字功放的主要技術(shù)特點為：

(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(shù)字濾波技術(shù)。

(4)    利用數(shù)字算法處理噪聲問題。

(5)    采用非線性抵消技術(shù)。{{分頁}}

3. 工作原理

　　如圖1所示，數(shù)字功放從光纖或數(shù)字同軸電纜接口接受數(shù)字PCM音頻編碼信號，或通過模擬音頻輸入接口接收模擬音頻信號，并通過內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字音頻信號，再通過專用音頻DSP芯片進(jìn)行碼型變換，得到所需要的音頻數(shù)字編碼格式，經(jīng)過小信號數(shù)字驅(qū)動電路送入開關(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濾波器，提取模擬音頻信號。

圖１　全數(shù)字音頻功放電路的組成框圖

　　由圖1可知，音頻數(shù)字信號經(jīng)過DSP編碼后，直接控制場效應(yīng)管開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)。場效應(yīng)管驅(qū)動器用來緩沖DSP并增強(qiáng)信號，使之能驅(qū)動大功率MOSFET開關(guān)管。由于高電平脈沖信號只有微分分量，故需通過積分電路才能得到大功率原始音頻信息。下面用一個簡單的數(shù)字和物理模型來闡述數(shù)字功放的編碼過程，如圖2所示。

圖２　數(shù)字功放編碼過程示意圖

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

　　在數(shù)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(tǒng)時鐘周期的倍數(shù)。

　　第一個超采樣點a₁與數(shù)值A(chǔ)_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，僅用一個脈沖單元表示，余數(shù)保留至下次量度，假設(shè)余數(shù)為ΔΔx₁。接著傳送的第二個差值編碼為a₂-a₁=Δx₂，由于上次還保留余數(shù)ΔΔx₁，所以還應(yīng)加上，即當(dāng)前應(yīng)用一個脈沖單元去量度Δx₂+ΔΔx₁，同樣余數(shù)保留至下一次累計。

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

　　在能量放大部分，采用平衡電橋開關(guān)技術(shù)，每通道使用四只MOSFET開關(guān)功放管構(gòu)成平衡電橋開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)功放管處于開關(guān)放大狀態(tài)時，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(fù)載上的波形峰值為V_BUS。設(shè)MOSFET管內(nèi)阻為r_DSON，負(fù)載阻值為R_LOAD，電源電壓為V_BUS，濾波器阻抗為R_x，則負(fù)載上均方值電流

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

　　所以負(fù)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(dāng)包含有開關(guān)損耗時，效率可由下式計算：采用RFP22N10 MOSFET功放，內(nèi)阻r_DSON為0.08Ω，負(fù)載R_LOAD為８Ω，工作電壓V_BUS為40V，開關(guān)頻率f為700KHz，變換速率I_RATE為50A/µs，翻轉(zhuǎn)恢復(fù)時間t_RR為100ns，濾波器內(nèi)阻R_x為0.04Ω，可算出：P_LOAD=95W，η=78%。

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