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(lèi)。即A類(lèi)、AB類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)和D類(lèi)。在音頻功放領(lǐng)域中，C類(lèi)功放是用于發(fā)射電路中，不能直接采用模擬信號(hào)輸入，其余4種均可直接采用模擬音頻信號(hào)輸入，放大后將此信號(hào)用以推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。其中D類(lèi)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(hào)，而需要把模擬信號(hào)經(jīng)“脈寬調(diào)制”變換后再放大。外行曾把此種具有“開(kāi)關(guān)”方式的放大，稱為“數(shù)字放大器”，事實(shí)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(lái)模擬信號(hào)幅度。這種放大器沒(méi)有量化和PCM編碼，信號(hào)是不可恢復(fù)的。傳統(tǒng)D類(lèi)的PWM調(diào)制，信號(hào)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(hào)進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換后，通過(guò)濾波器直接轉(zhuǎn)換為音頻信號(hào)，沒(méi)有任何模擬放大的功率轉(zhuǎn)換過(guò)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(guó)外對(duì)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(guó)外提出了D類(lèi)（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(shí)現(xiàn)低位D/A功率轉(zhuǎn)換，若要實(shí)現(xiàn)16bit、44.1KHz采樣的功率放大器。隨著數(shù)字信號(hào)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(kāi)發(fā)實(shí)用化的16bit數(shù)字音頻功率放大器成為可能。

　　國(guó)內(nèi)外一些從事數(shù)字信號(hào)處理的技術(shù)人員，專門(mén)研究音頻數(shù)字編碼技術(shù)，在不損傷音頻信號(hào)質(zhì)量的情況下，盡量壓縮數(shù)據(jù)庫(kù)。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，終于將末級(jí)功放開(kāi)關(guān)頻率由沒(méi)有壓縮數(shù)據(jù)時(shí)的約2.8GHz減至小于1MHz，從而降低了對(duì)開(kāi)關(guān)功放管的要求。同時(shí)在開(kāi)關(guān)功率放大部分，采用了驅(qū)動(dòng)緩沖器和平衡電橋技術(shù)，實(shí)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(jì)了完善的防止開(kāi)關(guān)管擊穿的保護(hù)電路。

2.技術(shù)特點(diǎn)

　　國(guó)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(hào)（模擬音頻信號(hào)必須經(jīng)過(guò)內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)后才能進(jìn)行處理），在整個(gè)信號(hào)處理和功率放大過(guò)程中，全部采用數(shù)字方式，只有在功率放大后為了推動(dòng)音箱才轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)。

數(shù)字功放的主要技術(shù)特點(diǎn)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(wèn)題。

(5)    采用非線性抵消技術(shù)。{{分頁(yè)}}

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(hào)，或通過(guò)模擬音頻輸入接口接收模擬音頻信號(hào)，并通過(guò)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字音頻信號(hào)，再通過(guò)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(guò)小信號(hào)數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路送入開(kāi)關(guān)功率放大電路進(jìn)行功率放大，最后將功率脈沖信號(hào)通過(guò)濾波器，提取模擬音頻信號(hào)。

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(hào)經(jīng)過(guò)DSP編碼后，直接控制場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)。場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器用來(lái)緩沖DSP并增強(qiáng)信號(hào)，使之能驅(qū)動(dòng)大功率MOSFET開(kāi)關(guān)管。由于高電平脈沖信號(hào)只有微分分量，故需通過(guò)積分電路才能得到大功率原始音頻信息。下面用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字和物理模型來(lái)闡述數(shù)字功放的編碼過(guò)程，如圖2所示。

圖２　數(shù)字功放編碼過(guò)程示意圖

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

　　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(shí)鐘周期的倍數(shù)。

　　第一個(gè)超采樣點(diǎn)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(gè)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(gè)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(gè)脈沖單元去量度Δx₂+ΔΔx₁，同樣余數(shù)保留至下一次累計(jì)。

　　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(méi)有丟失，而是累加至相鄰超采樣點(diǎn)上。而從音頻信號(hào)的角度來(lái)說(shuō)，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(hào)并沒(méi)有產(chǎn)生失真，但曲線增加了以ΔΔx₁，ΔΔx₂……ΔΔx_N幅度上下波動(dòng)的噪聲，這種噪聲分量不大，頻率很高，用一個(gè)較簡(jiǎn)單的濾波器就可濾除，不會(huì)影響到音頻信號(hào)還原。

　　在能量放大部分，采用平衡電橋開(kāi)關(guān)技術(shù)，每通道使用四只MOSFET開(kāi)關(guān)功放管構(gòu)成平衡電橋開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)功放管處于開(kāi)關(guān)放大狀態(tài)時(shí)，輸出波形和輸入的脈沖信號(hào)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(kāi)關(guān)損耗時(shí)，效率可由下式計(jì)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(kāi)關(guān)頻率f為700KHz，變換速率I_RATE為50A/µs，翻轉(zhuǎn)恢復(fù)時(shí)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(jì)時(shí)，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(hào)轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號(hào)。巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是帶內(nèi)平坦度高，從而使得輸出音頻信號(hào)幅頻特性較好。