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数字功率放大器--音响技术的新台阶


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数字功率放大器具有模拟功率放大器不可比拟的优势，代表着音响技术数字化的新台阶。本文对D类功放的原理作了讨论，并对T类功放作了介绍。音响技术发展到今天，音响设备中大部分已实现了数字化，如作为音源的CD、DAT、MD、DVD等，数字调音台以及数字效果器、压限器、激励器等周边设备也被一些专业场所使用。而作为音响系统最后环节的功率放大器和扬声器却长期在数字化的大门外徘徊。人们对音响重放高保真度的追求是永无止境的，而模拟功率放大器经过了几十年发展，在技术上已经相当成熟，可以说已难于有新的突破。随着生活水平的提高，环保与能量的利用率也渐渐成为人们所关注的问题，正因为这样，人们再一次把目光投向数字功放。其实早在20世纪60年代末期就有人着手数字放大器的研究，为什么在这数十年以来的音响发展历程，一直不见其产品面市？究其原因，是在数字音频放大器的设计与制作过程中，最大的难题就是高速转换控制系统。因为其需要极高的精确度，但在如何解决脉冲调制放大在工作时提供持续稳定的线性响应，以及如何避免产生辐射脉冲干扰等方面难以取得突破，故一直使脉冲调制型放大器在音响应用领域停滞不前，举步维艰。如今，随着脉冲调制放大电路的技术瓶颈被逐渐解决，数字放大器的优点日渐突显，新品不断推出，也越来越受到人们的关注了。一、两种类型数字功率放大器分两种类型。第一类的数字式功率放大器便是在同一机箱内装以数字/模拟（D/A）变换器、音量控制电路以及普通的模拟功率放大器。此类“数字式”功率放大器在由CD机之类数字音源输入数字信号后，即由其数字/模拟（D/A）变换器将信号变换为模拟信号，再由模拟的功率放大器对模拟信号进行放大，这类放大器的控制采用数字电路，可进行遥控，但受D/A转换器精度所限，音质还并不完美。这类功率放大器称为数控功放或准数字功放。第二类的数字式功率放大器为真正意义上的数字式功率放大器。这种放大器直接以数字音频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。二、D类功率放大器的工作原理这类功率放大器的原理，是首先将脉冲编码调制（PCM，Pulse Code Modulation）音频数据流通过专门的等比特数字处理器（EquibitDSP）变换为脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation）的数据流。采用脉宽调制后，音频信号便成为一系列的用“0”和“1”表示的宽度可变的脉冲串，脉冲的宽度越宽，信号的幅度就越大。将这些脉宽调制的数据流去推功率放大器的常规晶体输出管。由于受到脉宽调制数据流的作用，晶体输出管将迅速地时而饱和导通工作，时而截止不工作。晶体管导通工作时间越长，信号幅度便越大，于是晶体输出管为扬声器提供的电流也时而因管子导通而有电流流过，时而因管子截止而没有电流流过，音频信息便包含在这些接通、断开的周期过程中。脉冲串在由晶体管放大后，便由LC低通滤波器进行平滑处理，从而恢复为原有的音乐波形。这时功率的放大和D/A的变换均在同一级中完成。脉宽调制型放大器的基本工作程序为：第一步，利用开关电源把交流市电整流为高压直流电以及电路需要的各种工作电压；第二步，通过高速转换开关精确控制系统，将PCM信号转换为PWM脉冲宽度调制信号，即一种高电压高频率的方波。转换开关的工作频率可以设定为数十千赫至数百千赫；方波的宽度则是随着输入信号的大小变化而改变的；第三步，这些PWM信号即高频方波最后必须通过低通滤波器把超高频滤除，仅留调制的音频信号，最后用来驱动扬声器。并由此滤波器的截止频率来决定放大器频宽响应的高频界限。此高频界限随着输出负载的不同而不同，有些为30kHz，有些则达到40kHz左右。这类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）数字音频数据（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BTL放大电路中晶体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（如图1所示）。（图片）图1 为了提高功率放大器的效率，开关驱动的两路输出电压在没有信号输入时几乎是同相（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就几乎为0。经滤波器输出到负载（扬声器）的电流波形如图2所示。由图中可以看到，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。也就是说在零信号输入时两路PWM同相，并且占空比都为50%。但是当有信号输入时，则两路PWM的占空比就会随着变化，如果有一路输出脉冲的占空比变大的话，另一路输出脉冲的占空比一定变小，也就是这两路PWM是“反宽度”的，这两路信号称为双路反宽度信号。输入信号为正时，输出的电压电流波形如图3所示。当输入信号为负时，则输出的电压电流波形如图4所示。采用“反宽度”的PWM作为D类放大器的BTL电路驱动信号其最大的好处是，抑制了零信号输入时静态损耗，进一步提高了放大器的效率。（图片）图2 （图片）图3 （图片）图4 三、D类功率放大器的优点和模拟功率放大器相比较，D类功率放大器有以下明显优势：（1）直接接收CD、DVD等数字音源输出的同轴或光纤数字音频信号，直接以数字信号进行放大，体现了与数字音源的完美结合。（2）高、中、低频无相对相移，声音清晰透明，声像定位准确。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。（3）瞬态响应好，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。（4）无过零失真。传统功放一般都存在由于对管配对及各级调整不佳产生的过零、交越失真。（5）能量转换效率极高，体积小，可靠性高。耗电量仅为同功率等级模拟放大器的三分之一。其电源使用效率高达90%以上，节约能源，也符合环保要求。而B类放大器效率仅为78%（理论值），A类功放的效率就更低。由于D类功放极高的效率，半导体器件的温升明显减小，失真率也就显著减小。（6）适合于大批量生产。产品的一致性好，生产中无需调试，只要保证元器件正确安装即可。四、D类功率放大器存在的不足（1）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。（2）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。（3）功率输出电路是用两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。（4）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分滤除，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。五、数字功率放大器的最新发展——T类功率放大器针对D类功率放大器的缺陷，美国Tripath公司发明了一种称作“Digital Power ProcessingTM（DPPTM）”的数字功率处理技术，它是T类功放的核心。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，功率和D类功放相当。它和D类功放不同的是，它不是使用脉宽调制的方法。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DPPTM数字处理用于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。此外，T类功放的动态范围更宽，频率响应平坦，群延迟小。DDPTM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（在D类功率放大器中是固定的），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1.5MHz至2.5MHz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类功率放大器那么严重。据有关媒体报道，国内的夏新电子已开始生产T类功率放大器，并已有产品面市。相信随着数字技术的进一步发展，数字功率放大器会给我们带来全新的视听享受。 6/26/2005


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