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�(shù)字功�
閱讀�11791時間�2010-11-22 15:30:06

  �(shù)�功放采用早已存在的D�放大�電路,D類放大器的電路采�場效�(yīng)�H-橋式鏈接。電路場效應(yīng)輸出的脈沖波�(jīng)過恢�(fù)得到原來的正弦波,驅(qū)�揚聲��(chǎn)生聲��

原理

  �(shù)字功放的功放管工作在開關(guān)狀�(tài),理論狀�(tài)晶體管導(dǎo)通時�(nèi)阻為�,兩端沒有電壓,�(dāng)然沒有功率消�;而截止時,�(nèi)阻無窮大,電流又為�,也不消�.所以作為控制元件的晶體管本身不消耗功�,電源的利用率就特別高�

  �1是數(shù)字D類功放的工作原理框圖.D類功放處理的是經(jīng)脈寬�(diào)�(PWM)的音頻數(shù)字信�,聲音信息埋藏在脈沖的占空比或脈沖密度中�

數(shù)字D類功放的工作原理框圖

  圖示是音頻信號的一種PWM�(diào)制方�,最為直觀;較多采用的是以脈沖密度來表示信號大小�,脈沖密度大的地方,表示電壓�;稀的地�,電壓就低.雙向信號可用其它方式�(diào)�,如占空比50[%],即脈沖寬度與間隔寬度1:1,表示信號幅值為�;占空比大�50[%] ,幅度為正,這時�(shù)值越�,正幅度越�;占空比小�50[%],幅度為負(fù),越小越負(fù).因為這種信號并不需要與外接�(shè)備直接相�,也就不需要格式完全統(tǒng)一,各廠可按自行研發(fā)的方案調(diào)��

  音頻PWM編碼可以從兩種途徑獲得,一是對模擬音頻信號�(jìn)行模�(shù)變換直接生成PWM�(shù)字音�.二是對其它編碼的�(shù)字音�,如CD的PCM編碼,通過�(shù)字信號處理技�(shù)變換成PWM�.獲得后用此信號去控制大電流的開關(guān)型功率MOSFET由功率管輸出一個大能量的PWM�.輸出電壓的大小由電源電壓高低決定,輸出的電流由�(fù)載揚聲器的阻抗和電路形式?jīng)Q�.功率管工作在開關(guān)狀�(tài),只要開關(guān)特性好,線性要求幾乎沒�,制造成本比音響對管�,工業(yè)控制上這類MOSFET已用得很普遍,取材方便。由于開�(guān)管導(dǎo)通時的飽和壓降和截止時的漏電流也會損失一些電�,但總效率仍有百分之九十幾,為各類放大電路效率之��

  開關(guān)晶體輸出的是脈寬�(diào)制波�,要成為可聽的模擬音頻信號,還需�(jīng)過一路帶寬為20KHz的低通濾波器,濾去脈沖波形中的高頻成分,見圖3,一般說來功放的輸出電壓對選取電容的耐壓不成問題,只是電感允許電流要設(shè)計正��

  �(shù)字功放由于效率高,管子的耗損�,功放的散熱結(jié)�(gòu)可以做得非常小巧簡單,整個電路可以做得很�.所�,首先在筆記本電腦、有源音箱和聲卡上采�.帶有�(shù)字功放的聲卡可直接接通普通音�,這樣使用就方便得�.隨著技�(shù)的發(fā)�,�(shù)字功放也�(jìn)入音響領(lǐng)�,TACT公司2000年推出的一款數(shù)字功放TACT Audio"黃金時代",令發(fā)燒音響界改變�(fā)�(jié)�(shù)字功放的成見,國內(nèi)成都天奧公司更早就推出了用于家庭影院的數(shù)字多聲道功放,深圳的三諾公司也在研�(fā)�(shù)字功放的有源音箱。國外多家芯片公司已推出帶各種功能的�(shù)字功放IC器件,為整機生�(chǎn)廠更新產(chǎn)品提供了便利條件.一場功放革命正在悄然興起�

  從圖1可以看出�(shù)字功放的另一�(yōu)點是可以直接放大�(shù)字音頻信�.CD和DVD碟片上輸出的音頻信號是數(shù)字化�,�(xiàn)在播放機解碼后要�(jīng)過數(shù)模變�,變成模擬音頻后再送出.而采用數(shù)字功放后,就可把解碼后的PCM�(shù)字音頻信號直接�(jìn)入數(shù)字信號處理電路處理成PWM碼�(jìn)行放�.省去了播放機中的�(shù)模變換和�(shù)字功放中的模�(shù)變換二個較貴重部分,不但音質(zhì)受損�,成本也可降低�

  利用�(shù)字功放技�(shù)生產(chǎn)整機�,音量�(diào)節(jié)方案會成為機種檔次的分界�.簡單方案就像傳統(tǒng)模擬功放那樣由電位器衰減模擬信號的輸入幅�,實現(xiàn)音量衰減.這種方式�(shù)字信號的量化比特率得不到充分利用,小音量時信噪比下�,動態(tài)范圍變小.而且也不能用于數(shù)字音頻直接輸入系�(tǒng)�

  較好的方案是采用�(diào)節(jié)電源電壓的方式來衰減音量,以改變加到低通濾波器上的脈沖電壓幅度來改變輸出功�.這樣量化比特率仍可充分利�,由于電壓下降,量化噪聲也隨之下�,所以音量減�,但信噪比和動�(tài)范圍仍能保持不變.由于功放電源的功率較�,改變電源電壓不能用電阻衰減或分壓方式來實�(xiàn),必須從電源整流穩(wěn)壓部分就開始.TACT公司采用的方法是在數(shù)字穩(wěn)壓電源的DC-DC逆變過程�,改變占空比來改變最終輸出電�.這類方案目前還只能在分立元件做功率輸出部分的整機中采�,集成化數(shù)字功放IC仍用衰減模擬輸入為主來調(diào)節(jié)音量�

  從現(xiàn)狀來看,�(shù)字功放已能商品運用在功率一般的普通用途放大器上性價比和小型、節(jié)電等方面都有長處.幾瓦的小功率型集成功放芯�,控制電路和功率開�(guān)器件已一體化,使用非常方便.幾十瓦以上的大功率用�(shù)字功放芯�,一般只集成控制電路部分,大功率開�(guān)器件需另外集成或自行配�,以便整機�(shè)計靈�.在H F�(lǐng)域中,�(shù)字功放還只能算是在探�,離商品化還有一段過�.但數(shù)字功放是功率放大后起之秀這點是不容置疑的�

與模擬功放的區(qū)�

  一、數(shù)字功放與D類功放的區(qū)�

  常見D類功放(PWM功放)的工作原理:PWM功放只能接受模擬音頻信號,用�(nèi)部三角波�(fā)生器�(chǎn)生的三角波和它�(jìn)行比�,其�(jié)果就是一個脈寬調(diào)制信號(PWM),然后將PWM信號放大并還原成模擬音頻信號。因此,PWM功放是用脈沖寬度對模擬音頻幅度�(jìn)行模擬的,其信息的傳遞過程是模擬的、非量化�、非代碼性的。并且由于目前器件性能的限�,PWM功放不可能采用太高的采樣頻率,在性能指標(biāo)上尚�(dá)不到Hi-Fi級的水平。而數(shù)字功放采用一些寬度固定的脈沖來數(shù)字地量化、編碼模擬音頻信�,使音頻信號的還原更為真實�

  �、數(shù)字功放和模擬功放的區(qū)�

  �(shù)字功放由于工作方式與傳統(tǒng)模擬功放完全不同,因此克服了模擬功放固有的一些缺�,并且具備了一些獨有的特點�

  1. 過載能力與功率儲�

  �(shù)字功放電路的過載能力�(yuǎn)�(yuǎn)高于模擬功放。模擬功放電路分為A�、B類或AB類功率放大電�,正常工作時功放管工作在線性區(qū);當(dāng)過載后,功放管工作在飽和區(qū),出�(xiàn)諧波失真,失真程度呈指數(shù)級增�,音�(zhì)迅速變�。而數(shù)字功放在功率放大時一直處于飽和區(qū)和截止區(qū),只要功放管不損�,失真度不會迅速增�,如�1所��

全數(shù)字功放與普通功放過載失真度比較

  �1 全數(shù)字功放與普通功放過載失真度比較

  由于�(shù)字功放采用開�(guān)放大電路,效率極�,可�(dá)75[%]~90[%](模擬功放效率僅�30[%]~50[%]�,在工作時基本不�(fā)熱。因此它沒有模擬功放的靜�(tài)電流消�,所有能量幾乎都是為音頻輸出而儲�,加之前后無模擬放大、無�(fù)反饋的牽�,故具有更好的“動力”特�,瞬�(tài)響應(yīng)�,“爆棚感”極��

  2. 交越失真和失配失�

  模擬B類功放在過零失真,這是由于晶體管在小電流時的非線性特性而引起的在輸出波形正�(fù)交叉處的失真(小信號時晶體管會工作在截止區(qū),無電流通過,導(dǎo)致輸出嚴(yán)重失真)。而數(shù)字功放只工作在開�(guān)狀�(tài),不會產(chǎn)生交越失真�

  模擬功放存在推挽對管特性不一致而造成輸出波形上下不對稱的失配失真,因此在�(shè)計推挽放大電路時,對功放管的要求非常�(yán)格。而數(shù)字功放對開關(guān)管的配對無特殊要�,基本上不需要嚴(yán)格的挑選即可使用�

  3. 功放和揚聲器的匹�

  由于模擬功放中的功放管內(nèi)阻較�,所以在匹配不同阻值的揚聲器時,模擬功放電路的工作狀�(tài)會受到負(fù)載(揚聲器)大小的影�。而數(shù)字功放內(nèi)阻不超過0.2Ω(開關(guān)管的�(nèi)阻加濾波器內(nèi)�),相對于�(fù)載(揚聲器)的阻值(4~8Ω)完全可以忽略不�,因此不存在與揚聲器的匹配問題�

  4. 瞬態(tài)互調(diào)失真

  模擬功放幾乎全部采用�(fù)反饋電路,以保證其電聲指�(biāo),在�(fù)反饋電路�,為了抑制寄生振�,采用相位補償電�,從而會�(chǎn)生瞬�(tài)互調(diào)失真。數(shù)字功放在功率�(zhuǎn)換上沒有采用任何模擬放大反饋電路,從而避免了瞬態(tài)互調(diào)失真�

  5. 聲像定位

  對模擬功放來�,輸出信號和輸入信號之間一般都存在著相位差,而且在輸出功率不同時,相位失真亦不同。而數(shù)字功放采用數(shù)字信號放�,使輸出信號與輸入信號相位完全一致,相移為零,因此聲像定位準(zhǔn)��

  6. 升級換代

  �(shù)字功放通過簡單地更換開�(guān)放大模塊即可獲得大功率。大功率開關(guān)放大模塊成本較低,在�(lǐng)域發(fā)展前景廣��

  7. 生產(chǎn)�(diào)�

  模擬功放存在著各級工作點的調(diào)試問�,不利于大批量生�(chǎn)。而數(shù)字功放大部分為數(shù)字電路,一般不需�(diào)試即可正常工�,特別適合于大規(guī)模生�(chǎn)�

  �、數(shù)字功放和“數(shù)字化”功�、“數(shù)碼”功放的區(qū)�

  所謂的“數(shù)字化”功放只是在前置級上采用�(shù)字信號處理的方式,在模擬音頻信號或數(shù)字音頻信號輸入后,采用現(xiàn)有的�(shù)字音頻處理集成電�,實�(xiàn)一些比如聲場處�、數(shù)字延�、混響等功能,再通過模擬功率放大模塊�(jìn)行音頻放�。其典型電路框圖如圖2所示。由�2可知,其各模塊的接口都是采用模擬方式。而數(shù)字聲場處理模塊的大致原理框圖如圖3所示�

數(shù)字化功放電路的組成框圖

  �2 �(shù)字化功放電路的組成框�                      �3 �(shù)字聲場處理模塊原理框�

  雖然目前各集成電路廠家都推出了數(shù)字聲場處�、數(shù)字卡拉OK和數(shù)字杜比解碼集成電�。但是由于目前功放大都只能接收模擬音頻信號,所以各集成電路的接口也大多是模擬的,這就需要反�(fù)地�(jìn)行模/�(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)�,由此會引入量化噪聲,使音質(zhì)惡化�

  全數(shù)字功放除了針對揚聲器的接口以外(這是因為目前揚聲器都只能接受模擬音頻信號),音頻信號在功放內(nèi)部都是以�(shù)字信號的方式�(jìn)行處理(包括功率放大�;對于模擬音頻信號,必須�(zhuǎn)化成�(shù)字信號后才能�(jìn)行處��

  在已�(jīng)具備�(shù)字音頻的時代推出�(shù)字功�,將可能對音響技�(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重大影��

制作原理

  1.概述

  一般認(rèn)�,功率放大器根據(jù)其工作狀�(tài)可分�5�。即A類、AB�、B�、C類和D類。在音頻功放�(lǐng)域中,C類功放是用于�(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�,放大后將此信號用以推動揚聲器發(fā)聲。其中D類功放比較特�,它只有兩種狀�(tài),即�、斷。因此,它不能直接放大模擬音頻信�,而需要把模擬信號�(jīng)“脈寬調(diào)制”變換后再放�。外行曾把此種具有“開�(guān)”方式的放大,稱為“數(shù)字放大器”,事實�,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�(diào)�,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)�。傳�(tǒng)D類的PWM�(diào)制,信號精度完全依賴于脈寬精�,大功率下的脈寬精度�(yuǎn)�(yuǎn)不能滿足要求。因此必須研究真正意義的�(shù)字功�,即全(純)�(shù)字功率放大器�

  �(shù)字功放是新一代高保真的功放系�(tǒng),它將數(shù)字信號�(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�(zhuǎn)換過程。CD唱機(或DVD機)、DAT(數(shù)字錄音機�、PCM(脈沖編碼調(diào)制錄音機)都可作為數(shù)字音�,用光纖和同軸電纜口直接輸出到數(shù)字功�。此外,�(shù)字功放也具備模擬音頻輸入接口,可適應(yīng)�(xiàn)有模擬音源�

  國外對數(shù)字音頻功率放大器�(lǐng)域�(jìn)行了二三十年的研�。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(�(shù)字)PWM功率放大器的基本�(jié)�(gòu)。但是這些功放僅能實現(xiàn)低位D/A功率�(zhuǎn)�,若要實�(xiàn)16bit�44.1KHz采樣的功率放大器。隨著數(shù)字信號處�(DSP)和音頻數(shù)字壓縮技�(shù)的結(jié)�、新型離散功率器件及其應(yīng)用的�(fā)�,使開發(fā)實用化的16bit�(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�(shù)人員,專門研究音頻�(shù)字編碼技�(shù),在不損傷音頻信號質(zhì)量的情況�,盡量壓縮數(shù)�(jù)�。經(jīng)過多次實�,終于將末級功放開關(guān)頻率由沒有壓縮數(shù)�(jù)時的�2.8GHz減至小于1MHz,從而降低了對開�(guān)功放管的要求。同時在開關(guān)功率放大部分,采用了�(qū)動緩沖器和平衡電橋技�(shù),實�(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�(guān)管擊穿的保護(hù)電路�

  2.技�(shù)特點

  國內(nèi)外一些公司研制出的數(shù)字功�,直接從CD唱機的接口(光纖和數(shù)字同軸電纜)接受�(shù)字PCM音頻信號(模擬音頻信號必須經(jīng)過內(nèi)置的A/D�(zhuǎn)換變成數(shù)字信號后才能�(jìn)行處理),在整個信號處理和功率放大過程�,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�

  �(shù)字功放的主要技�(shù)特點為:

  (1)  采用兩電平(0�1)多脈寬脈沖差值編��

  (2)  采用平衡電橋脈沖速推技�(shù)�

  (3)  采用高倍率�(shù)字濾波技�(shù)�

  (4)  利用�(shù)字算法處理噪聲問��

  (5)  采用非線性抵消技�(shù)。{{分頁}}

  3. 工作原理

  如圖1所示,�(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�(nèi)部A/D�(zhuǎn)換器得到�(shù)字音頻信�,再通過專用音頻DSP芯片�(jìn)行碼型變�,得到所需要的音頻�(shù)字編碼格�,經(jīng)過小信號�(shù)字驅(qū)動電路送入開關(guān)功率放大電路�(jìn)行功率放�,將功率脈沖信號通過濾波器,提取模擬音頻信號�

全數(shù)字音頻功放電路的組成框圖

  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�,直接控制場效應(yīng)管開�(guān)�(wǎng)�(luò)的工作狀�(tài)。場效應(yīng)管驅(qū)動器用來緩沖DSP并增強信�,使之能�(qū)動大功率MOSFET開關(guān)�。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�。下面用一個簡單的�(shù)字和物理模型來闡述數(shù)字功放的編碼過程,如�2所��

數(shù)字功放編碼過程示意圖

  圖2 �(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AN和AN+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�(chǎn)生的。通過�(shù)字濾波器�,所有采樣點包括超采樣點所�(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�,都是系�(tǒng)時鐘周期的倍數(shù)�

  個超采樣點a1與數(shù)值A(chǔ)N的差為Δx1,即a1-AN=Δx1,得到Δx1�,即用上述脈沖單元去量度�,僅用一個脈沖單元表�,余�(shù)保留至下次量�,假�(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�(yīng)加上,即�(dāng)前應(yīng)用一個脈沖單元去量度Δx2+ΔΔx1,同樣余�(shù)保留至下一次累��

  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�,而是累加至相鄰超采樣點上。而從音頻信號的角度來�,曲線AN,a1,a2,a3……AN+1下方的面積和原值相�,因此音頻信號并沒有�(chǎn)生失真,但曲線增加了以ΔΔx1,ΔΔx2……ΔΔxN幅度上下波動的噪�,這種噪聲分量不大,頻率很�,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�,采用平衡電橋開�(guān)技�(shù),每通道使用四只MOSFET開關(guān)功放管構(gòu)成平衡電橋開�(guān)�(wǎng)�(luò)。當(dāng)功放管處于開�(guān)放大狀�(tài)�,輸出波形和輸入的脈沖信號波形相�,但幅度近似于工作電�,即VOUT=VBUS,經(jīng)濾波器濾波后,輸出到�(fù)載上的波形峰值為VBUS。設(shè)MOSFET管內(nèi)阻為rDSON,負(fù)載阻值為RLOAD,電源電壓為VBUS,濾波器阻抗為Rx,則�(fù)載上均方值電�

  IRMS=VBUS/[(2rDSON+RLOAD+Rx)]

  所以負(fù)載上承受的功率為

  PLOAD=I2RMSXRLOAD

  ={V2BUS/[2(2rDSON+RLOAD+Rx)2]}XRLOAD

  η=[RLOAD/(2rDSON+RLOAD+Rx)]/[1+fX(�+�)]

  其中�=16VBUS/[π2XIRATEX(2rDSON+RLOAD+Rx)]

  �=2IRATE(t2RR/VBUS)(2rDSON+RLOAD+Rx)

  �(dāng)包含有開�(guān)損耗時,效率可由下式計算:采用RFP22N10 MOSFET功放,內(nèi)阻rDSON�0.08Ω,負(fù)載RLOAD為8Ω,工作電壓VBUS�40V,開�(guān)頻率f�700KHz,變換速率IRATE�50A/?s,翻�(zhuǎn)恢復(fù)時間tRR�100ns,濾波器�(nèi)阻Rx�0.04Ω,可算出:PLOAD=95W,�=78[%]�

  在濾波器�(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��

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