基于DDX技術實現高效率數字音頻功放方案

　數字音頻放大器利用晶體管快速切換的開關特性進行工作，其效率比A類、B類和AB類放大器要高，可達到90％以上。隨著數字音源與數字音頻技術的迅速發(fā)展，直接對數字音頻信號進行功率放大而不需要進行模擬轉換的數字音頻功率放大器得到了迅速發(fā)展，它具有效率很高并且能與數字音源直接對接，實現端到端的純數字音頻處理和放大等優(yōu)點。

　　直接數字放大（DDX）是一種直接把數字信號轉換成功率信號而無需數模轉換（DAC）的高效率音頻放大器技術。它的實現包括2個主要部分：第一，把數字音頻接口得到的或者A／D轉換得到的PCM數字音頻數據進行異步采樣率轉換和上采樣，然后通過先進的數字信號處理技術轉換成DDX專利的3態(tài)調制信號輸出；第二，經過DDX調制之后的數字信號控制3態(tài)驅動邏輯電路，產生相應的開關控制信號來控制半橋電路中功率管的導通與截止，經過低通濾波之后，在負載上得到放大的音頻輸出（圖1）。

　　DDX音頻放大器結構與驅動方式

　　每個半橋包括2個輸出功率管，1個是連接到正電源的高端功率管，通常采用N-MOSFET以減小尺寸和電容；另一個是連接到負電源的低端功率管，通常采用P-MOSFET。兩個半橋可以構成一個全橋，采用全橋的音頻放大器可以實現平衡輸出，易于改善放大器的輸出濾波特性，并且可以減少電磁干擾（EMI）。全橋電路負載上的電壓峰峰值接近電源電壓的2倍，因此不需要提高電源電壓就可以提高輸出功率，從而可以采用單電源供電。通過DDX調制處理之后的開關信號控制兩個半橋電路中功率管的導通與截止，使負載電流從一個半橋流入，從另一個半橋流出，為濾波器提供極性相反的脈沖信號。最基本的二階低通濾波器包含了2個電感器，兩個電容器和揚聲器。當開關信號使兩個半橋的高端功率管同時截止，而低端功率管同時導通的時候，利用濾波器回路中的這些儲能組件可以繼續(xù)為揚聲器提供負載電流，從而進一步提高了電源效率，并且降低了與調制過程相關的高頻能量，將電磁干擾減至最小。

　　由于DDX放大器可以接受來自DSP直接輸入的數字音頻編碼信號，因此不需要為每個聲道準備D/A轉換器，從而減少了中間不必要的轉換層級，音質自然得到顯著的改善，成本也隨著元部件數目的減少而下降。同時，由于是直接在數字域對音頻信號進行處理，因此可以在DDX放大器中集成各種先進的數字信號處理技術，對音頻信號進行諸如分段EQ控制、音調控制、音量控制等等處理，以及各種針對放大的模擬音頻信號的調節(jié)、控制和保護等處理。

　　DDX音頻放大器的應用設計和開發(fā)

　　下面，我們以意法半導體(STM)最新推出的一款DDX音頻放大器STA333BW為例，來具體了解DDX音頻放大器的結構和功能，以及如何利用DDX音頻放大器進行產品設計和開發(fā)。

　　STA333BW是一款2.1通道的DDX音頻放大器，供電范圍為+5V ~ +18V，可以通過I²S接口接收采樣率為32kHz ~ 192kHz的所有數字音頻格式的數據，并且在內部轉換成96kHz采樣率進行相應的數字信號處理。每個通道包含4個28位可編程EQ，獨立的音量控制和音調控制，所有的內部寄存器可以通過I²C總線進行編程和訪問。

　　芯片內置了過熱保護和短路保護等措施，并且具有先進的AM頻率抗干擾和噪聲抑制技術，確保EMI輻射不會干擾AM/FM信號的接收。先進的DDX技術為放大器提供了94dB的信噪比和動態(tài)范圍。輸出功率級包含了4個半橋，可以根據需要靈活配置成4種輸出結構，包括2通道立體聲輸出(2×20W)，2.1通道輸出(2×10W+1×20W)，單通道輸出(1×40W)和2通道立體聲輸出(2×20W)+立體聲Lineout輸出。

　　了解STA333BW的豐富功能之后，我們設計出一套評估板系統，從而可以很方便地進行DDX音頻放大器的性能評估和使用，并且為具體的產品設計提供思路和方法。這套評估板系統包括控制接口板和DDX功率板兩塊（圖2）。

　　控制接口板可以通過硬件控制和軟件控制兩種方法來使用。如果采用硬件控制方法的話，我們可以利用板上的7個按鍵或者紅外遙控進行操作。意法半導體(STM)的ST72324作為人機界面控制MCU，一方面接受來自按鍵或者紅外遙控器的指令，從而向DDX功率板發(fā)出相應的控制命令，一方面通過液晶顯示屏更新相應的狀態(tài)和參數顯示。如果采用軟件控制方法的話，必須先在計算機中安裝相應的驅動程序，然后將控制接口板的并口連接到計算機的并口上，通過運行STA333BW的控制軟件來設置相應的所有功能。STA333BW的控制軟件提供了友好的人機界面，分為Control，I/O，Register和Filter Editor四個菜單表，可以非常方便地對STA333BW的所有功能進行詳細地設置和操作。
　　硬件控制和軟件控制的本質都是通過I2C總線向STA333BW發(fā)出控制指令，從而實現各種控制功能。另外，ASAHI KASEI MICROSYSTEMS (AKM)- AK4113是一個24位立體聲數字音頻接收器，可以接收來自光纖接口和同軸接口的高保真數字編碼音頻信號，然后轉化為I²S信號；AKM - AK5358A是一個24位立體聲A/D轉換器，把立體聲模擬音頻信號轉換為I²S信號。AK4113和AK5358A可以分別接收來自數字接口和模擬接口的音頻信號源，為DDX功率板提供I²S音頻信號。

　　板上的STA333BW接收來自控制接口板的I²S音頻信號和控制信號，可以靈活地組合出前述的4種功率輸出配置，回放并且放大來自前端數字音源或者模擬音源的音頻信號。

　　結束語

　　利用DDX音頻放大器對數字音源輸出的音頻信號進行直接處理和放大，可以方便地實現高保真，高效率和低成本的音放大器，為數字音源，音頻處理和功率放大的整合提供了完整的端到端數字解決方案。