【图文】数字功放_百度文库
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数字功放与模拟功放的区别
一、数字功放与D类功放的区别
　　常见D类功放（PWM功放）的工作原理：PWM功放只能接受模拟音频信号，用内部三角波发生器产生的三角波和它进行比较，其结果就是一个脉宽调制信号（PWM），然后将PWM信号放大并还原成模拟音频信号。因此，PWM功放是用脉冲宽度对模拟音频幅度进行模拟的，其信息的传递过程是模拟的、非量化的、非代码性的。并且由于目前器件性能的限制，PWM功放不可能采用太高的采样频率，在性能指标上尚达不到Hi-Fi级的水平。而数字功放采用一些宽度固定的脉冲来数字地量化、编码模拟音频信号，使音频信号的还原更为真实。
二、数字功放和模拟功放的区别
　　数字功放由于工作方式与传统模拟功放完全不同，因此克服了模拟功放固有的一些缺点，并且具备了一些独有的特点。
1. 过载能力与功率储备
　　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，如图1所示。
图1 全数字功放与普通功放过载失真度比较
　　由于数字功放采用开关放大电路，效率极高，可达75%~90%（模拟功放效率仅为30%~50%），在工作时基本不发热。因此它没有模拟功放的静态电流消耗，所有能量几乎都是为音频输出而储备，加之前后无模拟放大、无负反馈的牵制，故具有更好的“动力”特性，瞬态响应好，“爆棚感”极强。
2. 交越失真和失配失真
　　模拟B类功放在过零失真，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
　　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（扬声器）大小的影响。而数字功放内阻不超过0.2Ω(开关管的内阻加滤波器内阻)，相对于负载（扬声器）的阻值（4~8Ω）完全可以忽略不计，因此不存在与扬声器的匹配问题。
4. 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。
5. 声像定位
　　对模拟功放来说，输出信号和输入信号之间一般都存在着相位差，而且在输出功率不同时，相位失真亦不同。而数字功放采用数字信号放大，使输出信号与输入信号相位完全一致，相移为零，因此声像定位准确。
6. 升级换代
　　数字功放通过简单地更换开关放大模块即可获得大功率。大功率开关放大模块成本较低，在专业领域发展前景广阔。
7. 生产调试
　　模拟功放存在着各级工作点的调试问题，不利于大批量生产。而数字功放大部分为数字电路，一般不需调试即可正常工作，特别适合于大规模生产。
三、数字功放和“数字化”功放、“数码”功放的区别
　　所谓的“数字化”功放只是在前置级上采用数字信号处理的方式，在模拟音频信号或数字音频信号输入后，采用现有的数字音频处理集成电路，实现一些比如声场处理、数字延时、混响等功能，最后再通过模拟功率放大模块进行音频放大。其典型电路框图如图2所示。由图2可知，其各模块的接口都是采用模拟方式。而数字声场处理模块的大致原理框图如图3所示。
虽然目前各集成电路厂家都推出了数字声场处理、数字卡拉OK和数字杜比解码集成电路。但是由于目前功放大都只能接收模拟音频信号，所以各集成电路的接口也大多是模拟的，这就需要反复地进行模/数、数/模转换，由此会引入量化噪声，使音质恶化。
　　全数字功放除了针对扬声器的接口以外（这是因为目前扬声器都只能接受模拟音频信号），音频信号在功放内部都是以数字信号的方式进行处理（包括功率放大）；对于模拟音频信号，必须转化成数字信号后才能进行处理。
　　在已经具备数字音频的时代推出数字功放，将可能对音响技术的发展产生重大影响。
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数字功率放大器
前言现代高保真立体声系统都采用数字信号音源：诸如激光唱片（CD）、数字录音带（DAT）、数字音频广播（DAB）等。数字语音和乐音信号通常是脉冲编码调制的,具有12位,16位或更高的分辨率,取样频率分别为32KHz（DAB）;44.1KHz（CD）;或48KHz（DAT）。对这些数字信号,传统的方法是将它送到D/A变换器变换成模拟信号,经低通滤波后再送至模拟功率放大器来驱动系统的扬声器。数字信号在存储、传输和处理方面的优点是众所周知的,数字系统的
前言现代高保真立体声系统都采用数字信号音源：诸如激光唱片（CD）、数字录音带（DAT）、数字音频广播（DAB）等。数字语音和乐音信号通常是脉冲编码调制的,具有12位,16位或更高的分辨率,取样频率分别为32KHz（DAB）;44.1KHz（CD）;或48KHz（DAT）。对这些数字信号,传统的方法是将它送到D/A变换器变换成模拟信号,经低通滤波后再送至模拟功率放大器来驱动系统的扬声器。数字信号在存储、传输和处理方面的优点是众所周知的,数字系统的保真度、可靠性和经济性大大超过了模拟系统。因此,在信号链最后一环,即功率放大级,采用数字技术也是顺理成章的。一个显而易见的数字功放方案可以采用脉宽调制（PWM）技术,其简化的方框图如图1所示。一个低功率音频信号（该信号可以是模拟的也可以是数字的）,送入脉宽调制器,它产生一个二进制PWM波形,对它进行功率放大,放大后的PWM信号再加到PWM解调器（通常是一个低通滤波器）,最终得到一个功率音频信号。这类功率放大器也称为D类放大器。PWM放大器最重要特性是简化了功率放大过程。就二进脉冲信号放大而言,功率放大过程简化为高功率DC电压源和由低功率PWM信号控制的开关电路,如图2所示。图中LC低通滤波器取代了PWM解调器;电阻RL是负载电阻,就是扬声器。在实际电路中,开关用两个快速功率MOSFET构成,为了避免在准静态工作时负载上产生直流偏移,可以采用桥式结构。与A/AB/B类放大器相比,D类放大器最大的优点是其理想效率可达100%。对开关工作的晶体管,开启时开关上的电压为0;关闭时开关中的电流为0,因其功耗接近于0。这样,D类放大器能提供体积小,成本低的高功率放大器。此外,D类放大器不存在交叉畸变,交叉畸变在B类放大器中最为明显。模拟PWM与数字PWM脉宽调制的对象可以是模拟信号,也可以是数字PCM信号。两者的调制过程是相同的,输出的脉冲列也是类似的,但两者变换后的频谱是有本质上差别的,这也直接导致信号处理的差异,下面对这两种信号作简单的分析。脉冲下降边自然PWM（NPWM）是一种经典的PWM电路,它由锯齿电压发生器和电压比较器构成,如图3。对模拟输入信号,锯齿波的固定频率应大于输入信号最高可能的频率,它直接确定了PWM信号的脉冲速率。输入信号和输出波形的定时关系示于图4（G）。为了深入了解音频信号在PWM后的性质,通常采用频谱分析法。对单频正弦波信号,下降边NPWM频谱由输入频率,载波和它的各次谐波,输入信号与载波及各次谐波的和频和差频组成。它的特点是,输入频率没有谐波,但输入与载波的调制积会向输入频率方向回落,这一点是非常重要的。为了不使调制积影响音频基带,载波频率应大大高于输入信号的最高可能频率。在实际PWM设计中,音频基带覆盖了DC至20KHz的整个频带,PWM载波通常在200KHz至300KHz之间。与上述模拟PWM相似,我们也可以直接将均匀取样PCM信号变换为数字PWM信号,然后进行功率放大。PCM至PWM变换称为数字PWM。数字PWM不同于PCM信号用D/A变换器变换成模拟信号,再用上面已介绍的方法将模拟信号变换成PWM信号。一个数字PWM是将幅度取样脉冲直接变换成与取样幅度成正比的脉冲列。倘若仍采用下降低NPWM电路,通常称为均匀取样PWM（UPWM）,其取样定时图如图4（b）所示。它的频谱同样包含输入频率,载波和各次谐波,以及两者的调制积。但存在一个明显的区别,即它的基频带中含有输入频率的谐波,且其幅度随调制率和载波频率而增加。数字PWM线性化技术频谱分析表明,均匀取样PCM信号直接变换成PWM数据会导致音频基带中的高次谐波成分,造成失真,无法在高保真系统中应用。因此,在PCM数据送入PCM至PWM变换器之前应先进行预处理,以补偿其非线性。在各种线性化方案中,伪NPWM法和动态滤波法尤为常见。下面扼要介绍这两种方案的出发点和基本工作原理。伪NPWM（PNPWM）法是在均匀取样PCM数据上来摹仿模拟NPWM过程。上面分析表明,模拟NPWM信号在基带内是不存在谐波成分的,而数字UPWM信号却存在谐波成分,试比较图5上两者的取样波形,锯齿波与均匀取样PCM信号的交叉点和锯齿波与原始模拟信号的交叉点确实存在着差别。这意味着,为了补偿非线性,必须在特定PWM脉冲时间间隔内重构模拟信号。全构模拟输入波形的正确分析表达式应是由无数个成比例和时延的正弦函数组成,取样锯齿波则可描述为一个一阶方程,于是重构模拟信号与锯齿波的交叉点需求解这两个相应的联立方程。当然,一种更为实用的方法是用n阶多项式来近似模拟输入波形,每个间隔内的多项式可利用n+1个PCM数据间隔两边的边界条件来重构。近似多项式的阶数越高,其误差越小。为了避免使用高阶方程分析解法,可采用诸如Newton-Raphson等数值算法。PNPWM法是在基带中更正谐波成分的十分有效手段,但NPWM固有的调制积的和频与差频会落入基带这一基本事实是无法消除的,因而PNPWM仍需采用高载波频率,至少是4倍于音频取样速率。第二种方案是动态滤波法。为了更好理解这一方法,首先应对数字PWM固有的非线性作更深入的分析,着眼点是对PCM和PWM两种脉冲信号进行比较,这两种信号都是脉冲列,都用低通滤波器解调,前者没有非线性,后者却存在非线性,这说明两种脉冲信号存在着内在的差异。矩形脉冲的Fourier变换为:f(t)=rect( t/T)&&&& F(t)=Tsin(tT)参见图6,十分显然,PCM脉冲的宽度是恒定的,其传输函数也是恒定的,只是幅度在按比例变化;而PWM却不同,它在每个时间间隔内的宽度是不同的,具有各自相对于幅度比和频率比的Fourier变换,或者说传输函数是随时间变化的,因而PWM系统可以看成是带时变传输函数的PCM系统。为了线性化PWM系统,需用均衡滤波器来补偿与取样有关的变化。这种随取样而改变的滤波器称为动态滤波器,它最终使总传输函数至少在基带内是恒定的。在实际使用时,例如每个取样具有自己的4阶FIR均衡滤波器,它的幅度响应近似为PWM取样频谱的倒数,从而使两者乘积在基带内恒定。需要注意的是,每个特定的4阶FIR滤波器存在色散效应,即会影响取样前、后2个取样的响应,改变它们相对应的均衡滤波器输出。此外,取样基均衡法还依赖于确定迭代过程的收敛性。最后还要指出,根据模拟的结果,动态滤波法也要适度的过采样,4倍过取样会取得良好的结果。几种实用数字功放集成电路数字功放是一种新型器件,IC厂商自然不会放过这一商机,相继推出了各具特色的数字功放产品。下面简要地介绍一些有代表性的器件。TA2022是Tripath生产的模拟输入立体声集成化调制器和输出级。它的与众不同之处在于,其调制器采用扩频开关模式,而不是固定的频率,因此公司称为“T类”放大器。该器件在±25电源电压下,每个通道在8Ω负载上可输出25W功率,空闲损耗功率测得为3.4W。TA2022在25W时具有0.015%THD;60W时上升为0.1%。它封装在SSIP-32塑料封装中,需外加散热器。Cirrus Logic CS4421）是一个D类控制器,它与一对IR公司的IRCS8001桥式驱动器配合使用。4421O可有3路串行数字音频输入,内置多路开关和主接口,采用TSSOT-24封装。IRCS8001桥式驱动器采用SOIC-16封装,每个驱动4个IRC8101 MOSFET全桥结构,或2个IRC8102 MOSFET半桥结构,在8Ω扬声器上获得50W功率。放大器THD在1KH z,1W时为0.01%;满功率时为0.1 % 该放大器组合能获得良好的立体声效果。直接数字放大（DDX）是Apoget Technolog研发的,由STMicroelectronics特许生产的专用集成电路。该器件结合了Apogee 次微米CMOS技术和ST双极—CMOS—DMOS（BCD）技术,混合工艺有可能将CMOS器件和功率DMOS器件制作在同一芯片上。DDX的阻尼三态PWM方案还进一步提高了效率。典型DDX放大器的效率比D类放大器高20%,是AB类放大类的300%。芯片内控制处理功能执行基本DDX调制以及其它环绕声、音调和音量控制的DSP基信号处理功能。目前商品化器件包括STA304A控制器和两种功放;STA500（2×30W）和STA505（2×50W）。STA304A可将2个IIS或S/PDIF格式串行数字输入变换为5通道驱动功放的数字信号,嵌入式软件则添加诸如均衡化等其它功能。由于芯片效率极高,STA500组装在Power S036内,兼备表面帖装和功率容量的优点。TI公司的真正数字功放（TDAA）由TAS5010& PCM-PWM调制器和TAS5100数字功放组成。该系统接受串行PCM数字音频流并变换成3.3V PWM音频流,然后放大成大信号PWM,再经解调后驱动扬声器。TAS5010是基于Equibit技术创新的、高性能、经济实用的24位立体声PCM-PWM调制器。该器件有多种串行输入格式选择：包括左对齐、右对齐、IIS或DSP数据格式,并与AES标准取样速率完全兼容,还可提供去加重功能。5010内部还有一个数字内插滤波器,将音频数据以2倍、4倍或8倍（取决于取样速率）上取样至352.8KHz或384KHz,这个速率就是TDAA内部取样速率。Equibit调制器则将上取样信号变换为同频率PWM信号,调制器采用完善的专利校正算法来补偿非线性,提高系统的整体性能。TAS5100是单通道PWM功率音频器件,它由集成栅驱动器、4个匹配的又电气上隔离的增强型N沟功率DMOS晶体管组成,内置保护电路和故障告知电路。由上述二个器件组成的TDAA系统的动态范围大于93dB;TDH小于0.08%（1KHz、6Ω负载、1W~30W RMS）;在8Ω负载上的功率效率大于90%。数字功放实用化技巧尽管D类放大器有很多优点,但它自身也存在一些固有的问题,在实际使用时要正确应对。请不要忘记这一基本事实,即D0在放大器是脉冲工作的,对电源质量更为敏感。电源在提供快速变化的电流时不应产生振铃波形或使电压变化。这就要求贮能电容具有极低的有效串联电阻（esr ）,因为任何寄生电阻或电感都会阻止存贮电荷快速转移。在电解电容上并联一个小型低esr电容也是无济于事的,因为输出功率是在短时间内突然转移的,所有并联电容都要求有极低的esr。采用开关电源可能是解决问题最有效的方法。这类电源通常工作在较高频率,且带有快速的内置负载,无需后接线性电压稳压器,高频率有助于减少贮能电容,不仅如此,开关电源的效率比线性电源高,能降低冷却的要求。D类放大器另一个常见的问题是电磁干扰（EMI）。所有连接在输出级的PCD铜走线和电缆都携带着高频大电流,其作用犹如一个天线。减少EMI最简便的方法是让这些连接尽可能地短,有条件的话,电源和输出级应安置在同一PCB上。扬都声器更不好处理。倘若系统设置了内置扬声器,短扬声器电缆是克服EMI的有效手段,还能降低成本。如果扬声器是外置的,电缆长度已超出了设计者所能控制的范围,输出级设置低通滤波器是必不可少的。低通滤波器会带来又一个权衡考虑,低截止频率不仅抑制EMI,也会衰减音频带的高端成分,高阶滤波器能满足上述要求,但成本过高又让人接受不了,特别是滤波器电感,它要有高品质铁芯才不致于电磁饱合。数字扬声器均衡器提供一种解决方案。当它程控为三重音提升时,有可能采用低截止频率的低阶可重构滤波器,且仍能在音频范围保持平坦的频率响应。对384KHz速率的PWM信号,为了防止三重音衰减,滤波器截止频率约需45KHz。对EQ三重音提升,截止频率可低至30KHz。EMI则可降低7dB。东华编写脉宽调制器&&& 数字功放& 脉宽解调器& 负载图1、D类放大器基本方框图Vin脉宽调制器& 开/关控制图2、D类放大器工作模式图3、经典PWM调制器图4、（a）下降边NPWM取样定时图图4、b）下降边UPWM取样定时图图5、NPWM与UPWM锯齿波上交叉点图6、矩形脉冲Fourier变换图
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1&&数字功放的发展前景
随着人民生活水平的提高，许多人特别是音响发烧友们对音频功率放大器能否完美不失真的还原声音的要求近乎于苛刻。模拟的功率放大器经过了几十年发展，在这方面的技术已经相当成熟，可以说是达到了登峰造极的地步。环保与能量的利用率已渐渐成为人们所关注的问题，正因为这样，广大消费者对功放的效率要求越来越高。但是模拟功率放大器在这方面几乎达到了极限。另外模拟磁带播放机如录音机逐步被淘汰，数字光碟播放机如CD、VCD、DVD等已占据主流。针对这一现实数字功放应运而生。音响中用的功率放大器，常用的是A类或者AB类功放，近年来，利用脉宽调制原理设计的D类功放也进入音响领域。
功率放大器通常根据其工作状态分为五类。即A类、AB类、B类、C类、D类。在音频功放领域中，前四类均可直接采用模拟音频信号直接输入，放大后将此信号用以推动扬声器发声。D类放大器比较特殊，它只有两种状态，不是通就是断。因此，它不能直接输入模拟音频信号，而是需要某种变换后再放大。人们把此种具有&开关&方式的放大，称为&数字放大器&。
国外在数字音频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D类（数字）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位数字音频功放成为可能。一个音响系统必须具备音源、功放和音箱三大部分。音源部分目前已数字化了，如CD、VCD、DVD、DAB和数字电视等。但 的功放和音箱仍然是模拟统治的天下。在人们进入数字化、信息化的开发过程中自然想到了功放的数字化这一问题。
模拟功放始终无法解决效率、成本、音质这三者。
国外这几家公司研制的数字功放价格均在一万美元以上，远远超过了普通大众的承受能力，因此，从世界水平来看，现有功放仍停留在模拟放大的水平上，而数字功放技术尚未大规模商业应用。
国内市场也开始出现AV数码功放，但所谓的数字功放实质上仅仅是指音频处理部分采用了数字处理，其功率放大器 则仍然采用模拟放大，这与真正意义的数字功放相差甚远。
音响产品的数字化是必然趋势。由于数字功放有很多优点，如体积小、功率大、 高、与数字音源的无缝结合、能有效降低信号间传递干扰、实现高保真等。在数字音源已经大量普及的时代，数字功放将会取代现有的模拟功放。 二、数字功放的特点
数字功放在功能模块上可分为：信号输入、信号处理、功率放大、输出部分。
若从信号输入到整个功率转换均是在数字方式下进行，没有模拟音频信号出现，则称为全数字功放（或纯数字功放）。
数字功放与模拟功放相比有如下一些明显优势：
•（1）整个频段内无相对相移，声场定位准确
由于采用无负反馈的放大电路、数字滤波器等处理技术，可以将输出滤波器的截止频率设计得较高，从而保证在20Hz-20kHz内得到平坦的幅频特性和很好的相频特性。
•（2）瞬态相应好，即&动态特性&好
由于它不需传统功放的静态电流消耗，所有能量几乎都是为音频输出而储备，加之无模拟放大、无负反馈的牵制，故具有更好的&动力&特征。
•（3）无过零失真
传统功放都在由于对管配对及各级调整不佳产生的过铃、交越失真。
•（4）效率高、可靠性高、体积小
理论上D类功放的效率可达100%，而B类放大器效率仅为78%（理论值），A类功放的效率就非常低。可靠性知识告诉我们：半导体器件的温度每升高10C，失真率就提高一倍。
（5）•适合于大批量生产
产品的一致性好，生产中无需调试，只保证元器件正确安装即可。
天奥DPA功放TA-D990的主要指标：
频响：20-20000Hz（≤±0.5dB）；
信噪比≥100dB；
失真度：≤0.05%-0.15%。
D类功放中的功率晶体管工作在开关状态，又称作数字功放。A类功放的保真度好，但效率甚低，不到10 %，用於高档的专业音响；AB类功放的保真度略为逊色，但效率可以达到20 %至40 %，主要用於汽车、家庭音响以及电脑上；D类功放的效率高达80 %至90 %以上，使用时不需要散热器，或者只需要一只很小的散热器，但是它的保真度和A类及AB类功放相比则大为逊色。理想的功放是保真度高，同时效率也高。Tripath Technology公司提供一种保真度好、效率高的音频功率放大器，其中的功率晶体管也是工作在关关状态，即D类，为了区别於用脉宽调制原理设计的D类功率放大器，Tripath把这种音频功率放大器称作T类功率放大器。
& & 用脉调宽制技术的D类功率放大器之所以音质差，原因在於：输出功率晶体管并不是纯粹的开关，也不是匹配得很好，会带来畸变；晶体管在接通和关闭的过程中，接地点的电位会出现波动，从而增大噪音；功率输出电路是用两只（或者四只）功率晶体管接成的桥路，一只功率晶体管导通，另外一只关闭，这之间存在死区；功率输出电路和扬声器之间用一只输出低通滤波器把音频以外的成份滤除，让音频信号进入扬声器，但不可能彻底滤除脉宽调制的载波，这也是造成失真的一个因素。
& & T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D类功放相同，功率晶体管也是工作在开关状态，效率和D类功放相当。它和D类功放不同的是，它不是使用脉冲调宽的方法。Tripath公司发明了一种称作&Digital Power Processing (tm) (DPP(tm))&的数字功率处理技术，它是T类功放的核心。它把通信技术中处理小信号的适应算法及预测算法用到这里。输入的音频信号和进入扬声器的电流经过DPP(tm)数字处理後用於控制功率晶体管的导通关闭，因而不存在脉宽调制D类功放的那些缺陷。音频功率放大器的失真用两个指标衡量：一个是THD+N（总谐波失真加噪音）指标，另一个是IMD（互调制失真）指标。如果在20 Hz至20 kHz频带上的THD+N指标低於0.2 %，IMD指标低於0.4%，就算是低畸变的了。TA1101是输出10瓦的双声道T类功率放大器，它在音频频带上的THD+N为0.02 %，IMD指标为0.04 %，效率高於80 %。此外，T类功放的动态范围更宽，响率响应平坦，群延迟小。DDP(tm)的出现，把数字时代的功率放大器推到一个新的高度。
& & 在T类功率放大器中，功率晶体管的切换频率不是固定的（D类功率放大器中调宽脉冲的频率是固定的），无用分量的功率谱不是像D类功率放大器那样是集中在载频两侧狭窄的频带内，而是散布在很宽的频带上，例如从1.5 MHz至2.5 MHz的频带上，它的波形和扩谱技术的波形相似，因此，功率密度并不高，从而降低了对输出低通滤波器的要求，同时它产生的EMI也不像D类功率放大器那麽严重。虽说D类功放和T类功放所处理的是音频信号，但会产生EMI，这是因为这两种功放中的功率晶体管的切换频率比音频信号的最高频率高很多。在A类或者AB音频功放则不存在这种问题。所以，使用D类功放和T类功放的设计师需要有一点RF设计的知识，并针对EMI下点功夫，例如，合理布置输出低通滤波器的元件，使自已设计的产品符合电磁兼容性的要求。
　　Tripath Technology在1995年成立於美国加州San Jose，它的技术专长是数字信处理技术以及设计混合信号处理和功率集成电路。黄燕彬介绍说，联杰元器件有限公司代理Tripath的T类功放集成电路，并且提供利用T类功放集成电路加上输出低滤波器等做成的功放电路板。这种音质好、效率高、可以输出数十瓦至一百多瓦功率的T类音频功放电路板，上衣口袋都装得下，主要用於多体电脑、手提电脑、家用音响、家庭影院、轻便音响、汽车音响等。
传统的数字语音回放系统包含两个主要过程：1、数字语音数据到模拟语音信号的变换（利用高精度数模转换器DAC）实现；2利用模拟功率放大器进行模拟信号放大，如A类、B类和AB类放大器。从1980年代早期，许多研究者致力于开发不同类型的数字放大器，这种放大器直接从数字语音数据实现功率放大而不需要进行模拟转换，这样的放大器通常称作数字功率放大器或者D类放大器。它具有两大优点：效率很高；模拟信号转换为数字信号输入，能够很好的与数字音源播放机对接。
数字功率放大器的实现包括两个主要部分：第一，把数字光碟播放机从光碟上读下来或者电脑CPU从ROM里读出来的脉冲编码调制(PCM)数字语音数据（通过数字接口），或者模拟信号经A/D后的数字音频信号等等转化成对应的脉宽编码调制(PWM)数字语音数据。第二，把PWM信号作为开关控制信号来控制PWM-H桥转换器中开关管的导通与不导通的时间比，经过低通滤波后使得音频信号在负载上放大输出。
2&&数字功放的讨论&&
目前的模拟功放按放大器的工作状态可分为：A类放大器、B类推挽放大器、AB类推挽放大器等形式。下面简单介绍一下这些线性功率放大器的主要特点。
& & A类放大器的主要特点是：晶体管在输入信号的整个周期内均导通。可单管工作，也可以推挽工作。瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25％，且有较大的非线性失真。
& & B类推挽放大器的主要特点是：晶体管在输入信号的半周期内导通，必须用两管推挽工作。存在交越失真，交替失真较大。效率较高，晶体管功耗较小，功率理论最大值可达78.5％。可以抵消偶次谐波失真。
& & AB类推挽放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大。可以抵消偶次谐波失真。效率较高，晶体管功耗较小。理论上也可达到78.5％的功率最大值，但实际上功率的最大值在70％左右可能受到输出级拓扑和输出级斜线的影响，在典型的听音条件下（全功率的30％左右），功放的效率为35％左右。
& & 相对于A类放大器来说，AB和B类推挽放大器具有效率较高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热问题容易解决等优点，是目前音频功率放大器的基本电路形式。用晶体管制作的AB类放大器和B类放大器在工作状态选择不当时易产生交越失真。此外，由于推挽级中的晶体管有部分时间处于截止状态，在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真(或叫转换失真)。交替失真会产生脉冲尖峰，它包含有许多高次谐波，从而产生瞬态互调失真。用传统的正弦波谐波失真测试方法不能反映晶体管放大器的瞬态互调失真的大小。
& & 这几类模拟放大电路的共同特点是晶体管都工作在线性放大区域，它按照输入音频信号的大小控制输出的大小，就像串在电源和输出间的一个可变电阻，在控制输出的同时自身也在消耗电能，因此，模拟功放不可避免的存在着效率低下的特点。上面给出的A类、B类、AB类的效率值是在放大器处于最大功率输出时的理论值，实际上能够做到这个理论值的一半已经算不错了。而且在正常的听音过程中不可能使功放时时都有最大功率输出，这样在放音时它们的效率就更低了。
我们知道，功放管除了工作在线性放大状态外，还可以工作在开关状态。数字D类功放的功放管就是工作在开关状态，在理想情况下，功放管导通时内阻为零，两端没有电压，因此没有功率损耗；而截止时，内阻无穷大，电流又为零，也没有功率损耗。典型的数字功放是D类功放，它在实际的工作中的功率消耗主要由两部分构成：转换损耗和I2R损耗。
当开关式放大器输出在接通和断开之间切换，或断开和接通之间切换时通过线性区域而消耗功率。在D类功放中开关管绝大多数采用的是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET管），它的开关导通电阻较小一般远远小于1Ω，所以I2R损耗相对来说还是很小的。当达到最大额定功率时，D类放大器的效率在80％到90％的范围内。在典型的听音条件下，效率也可达到65％到80％左右，约为AB类放大器的两倍以上。
正因为数字D类功放具有效率高的突出优点，所以它正成为音响研究的热点，也是我们在这里要讨论它的原因所在。
3&&数字音频功率放大器的实现方法
　 下面是一个高档数字音频功率放大器的原理结构图，从图中我们可以看出，该系统的核心部分是DSP，其作用是把多种不同格式的音源（包括来自各种数字接口的PCM数字音源和模拟语音信号经A/D后的数字语音信号）转化为PWM信号。
对于一个数字D类功率放大器来说PWM信号是后级驱动所必需的。在绝大多数数字D类功放中采用都是BTL的驱动形式，但是对于BTL驱动所需的两路信号的选取却有多种方案。主要有以下几种方案：
①、传统方案：采取两路输出脉冲相位相反的方式，无信号输入时，BTL输出的电压电流波形如图3示。由图可以看到，采用这种方案零输入时的BTL输出的电压是垒加变大的，即使经过滤波后在零输入时的负载电流还是比较大，在滤波器设计不好时，则流过负载的电流就更大。可见采用这种方案零输入时的负载电流较大，导致负载上的损耗大，降低了放大器效率。另外由于这一方案对滤波器的要求比较严格，而好的滤波器的设计较为困难，所以一定程度上不利于整体的实现。
M调制方案：每路输出电压仍从0至VDD，但是在0信号输入时，两路的输出电压几乎是同相（由于很难做到同相，所以总会存在一定的相移），这时加在滤波器上的电压为就几乎为0。经滤波器输出到负载（扬声器）的电流波形如图示。由图可以看到，由于两路同相输出，加载到滤波器的电压近似为0，此时负载电流极小，从而静态功耗很小。& &
该模块在MAX+PLUSII编译成功后，模块对TLC549控制端I/O CLOCK和/CS的时序仿真结果，对比串行A/D TLC549的工作时序图-13，以上仿真结果与该串行A/D的工作时序相符合，表明该模块设计符合要求。
模拟语音信号的输入与A/D部分电路，在电路中，10K电阻和2.5V稳压管串接得到一个2.5V的直流电压从运放NE5532的同相端输入，其目的是为了给输入的音频信号增加一个2.5V的直流分量，因为TLC549的信号输入必须为正电压。另外之所以用2.5V是为了在零信号输入时串行A/D采样到的值为，因为2.5V为VR＋（5V）的一半。前面说过在CPLD内部的数字比较器模块中，0所代表的并行数据是，这就是为什么这样做的原因。其中TLC549的I/OCLK、DATAOUT、/CS端分别与图―14中的I/O CLOCK、串行数据输入、/CS控制端连接。
（4） PCM到并行二进制代码转换模块的功能是要完成把CD格式的PCM转换为非压缩的其值代表模拟信号大小的二进制代码。首先我们来看一下CD盘上的物理格式，帧是CD盘上存放声音数据的基本单元，每98帧组成一节。通常一首歌曲安排在一条光道上，而每一条光道由许多节组成。
每一帧数据由三个字的同步码、一个字节的控制/显示、12字节的左声道声音数据、四字节的Q校验码、12字节的右声道声音数据、四字节的P校验码组成。同步码具体的码字为，CD盘上声音采样频率为44.1kHz，注意CD数据位是双字节的，因此每秒钟的声音数据率就为：
　　　& && && && &44.1×1000×2×(16÷8)=176400B/s
以上只是CD盘上数据的物理格式，那么从CD机数字接口出来的数据格式是如何的，笔者暂时还没有在有关文献中查到。如果在知道CD机数字接口的数据格式，对于“PCM到并行二进制代码转换模块”的设计就不成问题了。由于暂时还不知道这一格式，所以这一模块设计暂时省略，以后有待进一步完善。
4.2&&后级电路的设计
　在本系统中采用的CPLD芯片是Altera公司的EPM7128SLC84-15，它的工作电压为5V，所以它输出的双路反宽度PWM的高电平也是5V。笔者在实验过程中发现，EPM7128SLC84-15在工作时的静态电流高达几十个毫安，能耗较大不利于功率放大器的效率的提高。由于这一损耗基本上是固定损耗，固采用CPLD芯片为核心的数字功放不适宜在小功率的场合使用，所以我们尽量提高本功率放大器的输出功率，以提高效率。
后级开关控制与无源滤波电路Q1和Q2、Q3和Q4为两对开关对管，其中N管为IRF540，P管为IRF9540它们的最大工作电压可上到百伏以上。L1、L2、C组成无源低通滤波器，经低通滤波后，音频信号从扬声器输出。在要求不太严格的场合，该低通滤波器可以省略，因为扬声器本身是一个感性负载，也具有低通滤波的能力，这时我们把利用负载本身进行滤波的滤波器称为负载滤波器。由于开关对管的开关电容较大所以加大电容退耦。
应当注意，在负载和输入信号不变的情况下，电源电压越大则输出功率越大,其输出功率近似值求为：
POUT=(VCC×加在滤波器两端的PWM占空比)2 /RL
所以增大输出功率的最好的办法是增大VCC。
开关对管中的P管和N管是增强型金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET管）。从转移特性曲线图可以看出，要使两个管子都导通在开关状态并且只有一个处于导通需要满足一定的条件，也就是PWM信号的高电平应当接近VCC，因为如果PWM的高电平低过VCC一定值时，则PWM处于高电压时N管开关导通了，但是对于P管来主｜VGS｜的值仍然较大，这时P管也会处于导通状态，这样就达不到设计要求。所以要求起开关控制作用PWM信号其高电平应当为VCC或接近VCC。前面说了为了获得较大功率输出，VCC应当先取较大的值，而从CPLD出来的双路反宽度PWM幅值仅为5V，所以要进行电平转换。PWM(幅值为5V)是来自CPLD的输出端，其幅值为5V，经过一个集电极开路的缓冲器74HC07和1K的电阻，将PWM信号幅值变为VCC，再经过两级缓冲从而获得幅值为VCC并具有一定开关驱动能力的PWM信号。PWM(幅值为VCC)直接驱动后级，它与图-18的输入端相接。(电平转换电路有两路，由于两路相同所以在这里只给出一路的电路)。
另外CPLD的系统时钟为66.66MHz，双路PWM信号频率约为260KHz，A/D采样率为20.833Hz。电路工作所需的电源由外部提供，其中有74HC07、TLC549和EPM7128SLC84-15所需的5V电源以及运算放大器、后级驱动所需的12V电源。
负载(扬声器)内阻为8欧姆，模拟输入为CD机出来的音频信号时。 听音效果表明，在未加输出滤波器时，也能回复CD的音频信号，但噪声比线性功放大。　
本文对全数字音频功率放大器的设计与实现进行了研究与探讨。本文在全数字音频功率放大器的设计中采用了CPLD实现将PCM数字语音数据转换成PWM信号，并在D类放大器的实现上采用了改进的PWM方案，实现的D类放大器具有效率高、滤波器设计简化等特点。
系统的测试与优化有待进一步的进行，包括提高D类功率放大器的效率以及减小失真，有关数字音源的数字接口格式也要进一步研究，以实现实用的真正意义的全数字音频功率放大器。
下图、由输入电压放大、脉宽调制、负反馈、功放和ＬＣ低通滤波器电路组成。ＨＩＰ４０８０Ａ芯片为小型２０脚双列直插式ＩＣ芯片，其输入有两个端子，即ＩＮ＋⑥脚和ＩＮ－⑦脚，分别输入音频信号和基准三角波，内部脉宽调制后，分两路去驱动４只大功率场效应三极管Ｔｒ１～Ｔｒ４，经功率放大后的音频脉冲送至巴特奥兹型ＬＣ低通滤波器，实现Ｄ／Ａ转换，以推动扬声器。
& & 音频信号由ＲＣＡ插座输入，经１μＦ电容隔直后，送至ＣＡ５４７０芯片中一组进行电压放大，然后再送至另一组②脚，与负反馈信号综合后，由①脚输出送至ＨＩＰ４０８０Ａ的ＩＮ－端。ＩＮ＋端输入的是由三级门电路ＣＤ４０６９组成的标准基准三角波，１０ｋΩ电位器起三角波幅值的微调作用。ＨＩＰ４０８０Ａ将这两个输入信号进行脉宽调制成脉冲波，即让脉冲波的宽度受音频信号波幅度调制，称为ＰＷＭ信号。调制原理为：当三角波幅大于音频波幅部分时，变换电路输出为“０”；而三角波幅小于音频波幅时，变换电路输出为“１”，这样就将输入的音频信号变为宽度随音频信号波幅变化的ＰＷＭ波。经脉宽调制后的音频脉冲由两路驱动器输出，Ａ路包括ＡＬＳ、ＡＬＯ、ＡＨＳ、ＡＨＯ，Ｂ路包括ＢＬＳ、ＢＬＯ、ＢＨＳ、ＢＨＯ。去推动４只功率管Ｔｒ１～Ｔｒ４，４只管互相独立交替工作，即Ｔｒ１、Ｔｒ４导通时，Ｔｒ２、Ｔｒ３截止，反之亦然。为防止管子短路贯通，在ＨＩＰ４０８０Ａ⑧和⑨脚装有管子导通延迟调节电阻２００ｋΩ，相应延时为９０～１００ｎｓ。放大后的脉冲音频电流，经４级巴特奥兹低通滤波器，滤去高频，完成Ｄ／Ａ转换后，送到扬声器发声。
& & 为降低失真和防止过电流，还加有相应的负反馈和保护电路。负反馈在电路结构上稍有特殊，反馈信号取自滤波器之前。其原因是由于低通滤波器的滤波作用会形成较大的相位延迟，在某些频率上容易造成相位改变使放大器工作不稳定，甚至造成自激。反馈信号经ＣＡ５４７０中一组比较放大后，由其⑧脚输出。过电流保护电路由两路二极管ＵＦ４０６２和电容组成。
& & 目前的Ｈｉ－Ｆｉ音响和家庭影院系统中，输出声道多至２～６个，每声道功率达２０～８０Ｗ，按以前甲类、乙类和甲乙类功放效率３０％计算，电源直流功率需达３００多瓦，而采用Ｄ类放大器效率可提高到８０％以上，直流功率仅１２５瓦。
TA的每日心情慵懒 10:01签到天数: 20 天[LV.4]偶尔看看III
好是好，但会不会影响听力呢
该用户从未签到
这个是发展趋势，但目前就D类的听感而言，传统放大器还是有一定的优势。
该用户从未签到
学习了&&谢谢楼主！！！！
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