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1、数字功率放大器分析一、 引 言地球的能源正在日益衰竭，节约能源已刻不容缓。因此，时代要求我们在设计电子产品时应尽量的提高电源的利用率，数字功放具有很高的电源利用率，高达90%以上，比现在流行的B类功放高出一倍，同时，现代社会中，数字技术正飞速发展，相当多的技术正在向数字化发展，数字化可以使音频在传输的过程中的损耗达到忽略不计的程度，使音频的还原更接近原声，可以获得更好的回放效果。数字功放所使用的SPDIF、AES/EBU等格式的数字音频信号在现在绝大多数的CD、DAT上都可以找到，它在连接中，无论是双声道还是多声道，都只需一根同轴电缆或光纤线即可，连接更简单、更可靠。综上所述，数字功放效率高、
2、音质好、使用简单，十分适合未来社会的需求，因此，具有相当好的市场前景和研究开发价值。二、 数字功放与模拟功放的本质区别数字功放也称为D类功放，与模拟功放的主要差别在于功放管的工作状态。传统模拟放大器有A类、B类和AB类、C类等。一般的小信号放大都是A类功放，放大器件需要偏置，放大输出的幅度不能超出偏置范围，所以，能量转换效率很低，理论效率最高才25% 。而B类放大器件不需要偏置，靠信号本身来导通放大管，理想效率高达78.5%。但因为这样的放大，小信号时失真严重，实际电路都要略加一点偏置，形成AB类功放，这么一来效率也就随之下降，虽然高频发射电路中还有一种C类，效率可以更高，但需负偏置，音频放大
3、中一般都不用，这几种模拟放大电路的共同的特点是晶体管都有工作在线性放大区域中，它按照输入音频信号大小控制输出的大小，就像串在电源与输出间的一只可变电阻，控制输出，但同时自身也在消耗电能。D类功放的功放管工作在开关状态，理论上晶体管导通时内阻为零，两端没有电压，当然没有功率消耗；而截止时，内阻无穷大，电流又为零，也不消耗。所以作为控制元件的晶体管本身不消耗功率，电源的利用率特别高，在理想情况下，D类功放的效率达100%。但实际上，晶体管总会有很小的饱和压降而消耗部分电能。这种耗电只与晶体管的特性有关，而与信号输出的大小无关，所以特别有利于超大功率输出的场合。D类功放的效率达90%以上。三、 D类
4、功放基本原理图一是D类功放的基本结构，可分为四个部分： 占空比调制器D类放大器LC滤波器三角波振荡器图一D类功放基本结构第一部分为调制器，最简单的只需用一只运放构成比较器即可完成。把原始音频信号加上一定直流偏置后放在运放的正输入端，另通过自激振荡器生成一个三角形波加到运放的负输入端。当正端上的电位高于负端三角波电位时，比较器输出为高电平，反之则输出低电平。若音频输入信号为零、直流偏置三角波峰值的1/2，则比较器输出的高低电平持续的时间一样，输出就是一个占空比为50%的方波。当有音频信号输入时，正半周期间，比较器输出高电平的时间比低电平长，方波的占空比大于50%；负半周期间，由于还有直流偏置，所
5、以比较器正输入端的电平还是大于零，但音频信号幅度高于三角波幅度的时间却大为减少，方波占空比小于50%。这样，比较器输出的波形就是一个脉冲宽度被音频信号幅度调制后的波形，称为PWM（脉宽调制）波形。音频信息被调制到脉冲波形中。第二部分就是D类功放，这是一个脉冲控制的大电流开关放大器，把比较器输出的PWM信号变成高电压、大电流的大功率PWM信号。能够输出的最大功率由负载、电源电压和晶体管允许流过的电流来决定。第三部分需把大功率PWM波形中的声音信息还原出来。方法很简单，只需要用一个低通滤波器。但由于此时电流很大，必须使用LC低通滤波器。当占空比大于50%的脉冲到来时，C的充电时间大于放电时间，输出
6、电平上升；当占空比大于50%的脉冲到来时，C的充电时间小于放电时间，输出电平下降，正好与原音频信号的幅度变化相一致，所以原音频信号被恢复出来。第四部分为三角波自激振荡器，为了把20KHz以下的音频调制成PWM信号，三角波的频率至少要达到200KHz。如果频率过低，又要达到同样要求的THD标准，则对无源LC低通滤波器的元件要求就高，结构也复杂。而频率高时，输出波形的锯齿小，更加接近原波形，THD小，而且可以用低数值、小体积和精度要求相对差一些的电感和电容来制成滤波器，造价相应降低。但此时晶体管的开关损耗会随频率上升而上升，无源器件中的高频损耗、射频的集肤效应都会使整机效率下降。更高的调制频率还会
7、出现射频干扰，所以调制频率也不能高于1MHz。D类功放波形图见图二。音频信号音频信号调制三角波PWM图二D类功放波形图四、 全数字功放与D类功放的区别事实上，D类功放还不是真正意义上的数字功放，它仅仅使用PWM调制，即用调制器的脉宽来模拟信号的幅度。这种放大器没有量化和PCM编码，信号是不可恢复的。D类功放的PWM调制，信号精度完全依赖于脉宽精度，大功率的脉宽精度远远不能满足要求。因此必须研究真正意义上的数字功放，即全数字功放。全数字功放是新一代的功放系统，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唱机、DAT数字录音机等都可作为数字音源，用
8、光纤或同轴电缆口直接输出到数字功放。此外，数字功放也具备模拟音频输入接口，可适应现有的模拟音源。五、 TI全数字功放电路模块分析以下是使用TI全数字音频放大器调制器件（TAS50xx）进行的由脉码调制（PCM）向脉宽调制（PWM）的转化方法以及使用TI H-桥输出级系列（TAS51xx）进行信号放大的方法。如图三所示，PCMPWMPWMTAS50xxPCM-PWM转换TAS51xx输出级TAS51xx输出级串行数字音频数据二阶LC滤波器二阶LC滤波器图三 TI全数字攻放模块图全数字音频放大器芯片组包含有一个TAS50xx PCM-PWM的调制器和两个TAS51xx PWM放大器。这项专利技术的
9、核心是PCM信号到PWM信号的转化。在扬声器输出连接的最后一个滤波器之前，音频信号是数字的。系统没有如何的模拟信号放大，PWM信号通过一个无源低通滤波器直接推动扬声器。这样的全数字信号链路可以将高质量的音频信号直接传输到扬声器而没有模拟放大的失真。TAS50xx调制器的功能是执行PCM-PWM信号的转化，也是TI的核心技术。即将数字音频（24位PCM）信号输入到调制器器件，其内部有一个数字插值滤波器用于将音频信号以数字功放内部采样频率352.8KHz或384KHz的2、4或8倍（取决于采样率）上采样；然后等位（Equibit）的调制器将上面的采样信号转化为相同切换频率的PWM信号，PCM到PW
10、M的转化是非线性的，TAS50xx调制器采用繁杂的有专利的修正算法来改善整体系统的性能；然后，每个通道的PWM信号输入到TAS51xx功率输出级，PWM信号的电平被移位调整，再输出至两组通过H桥连接的N沟道DMOS功率场效应管。最后，每个TAS51xx输出的PWM信号通过无源低通滤波器（通常是二阶的）输入相应的扬声器。六、 数字功放与模拟功放相比具有的优势1. 过载能力强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，出现谐波失真，失真程度呈指数级增加，音质迅速变坏。而数字功放在功率放大时一直处
11、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，2. 无交越失真和失配失真模拟B类功放存在过零失真，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无要求由于模拟功放中的功放管内阻较大，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（
12、扬声器）大小的影响。而数字功放内阻不超过0.2(开关管的内阻加滤波器内阻)，相对于负载（扬声器）的阻值（48）完全可以忽略不计，因此不存在与扬声器的匹配问题。4. 无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，从而避免了瞬态互调失真。七、 结束语国外在数字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位数字功放已成为可能。在数字音源已经大量普及的时代，数字功放将在不久的将来能够渐渐取代现有的模拟功放。
