数字功放简介

3. 工作原理

如图1所示,数字功放从光纤或数字同轴电缆接口接受数字PCM音频编码信号,或通过模拟音频输入接口接收模拟音频信号,并通过内部A/D转换器得到数字音频信号,再通过专用音频DSP芯片进行码型变换,得到所需要的音频数字编码格式,经过小信号数字驱动电路送入开关功率放大电路进行功率放大,最后将功率脉冲信号通过滤波器,提取模拟音频信号.

图1 全数字音频功放电路的组成框图

由图1可知,音频数字信号经过DSP编码后,直接控制场效应管开关网络的工作状态.场效应管驱动器用来缓冲DSP并增强信号,使之能驱动大功率MOSFET开关管.由于高电平脉冲信号只有微分分量,故需通过积分电路才能得到大功率原始音频信息.下面用一个简单的数字和物理模型来阐述数字功放的编码过程,如图2所示.

图2 数字功放编码过程示意图

图中表示两个相邻采样点N和N+1的采样值为AN和AN+1,中间点a1、a2、a3……为超采样点.超采样点是由数字滤波器计算产生的.通过数字滤波器后,所有采样点包括超采样点所构成的音频信号是比较平滑的.{{分页}}

在数字功放中,首先建立一组不同脉宽的脉冲单元,它的脉宽虽然各不相同,但其宽度始终固定的,都是系统时钟周期的倍数.

第一个超采样点a1与数值AN的差为Δx1,即a1-AN=Δx1,得到Δx1后,即用上述脉冲单元去量度它,仅用一个脉冲单元表示,余数保留至下次量度,假设余数为ΔΔx1.接着传送的第二个差值编码为a2-a1=Δx2,由于上次还保留余数ΔΔx1,所以还应加上,即当前应用一个脉冲单元去量度Δx2+ΔΔx1,同样余数保留至下一次累计.

由此看出,用脉冲单元表示后的余数,即低于最小量度单位的部分并没有丢失,而是累加至相邻超采样点上.而从音频信号的角度来说,曲线AN,a1,a2,a3……AN+1下方的面积和原值相等,因此音频信号并没有产生失真,但曲线增加了以ΔΔx1,ΔΔx2……ΔΔxN幅度上下波动的噪声,这种噪声分量不大,频率很高,用一个较简单的滤波器就可滤除,不会影响到音频信号还原.

在能量放大部分,采用平衡电桥开关技术,每通道使用四只MOSFET开关功放管构成平衡电桥开关网络.当功放管处于开关放大状态时,输出波形和输入的脉冲信号波形相同,但幅度近似于工作电压,即VOUT=VBUS,经滤波器滤波后,输出到负载上的波形峰值为VBUS.设MOSFET管内阻为rDSON,负载阻值为RLOAD,电源电压为VBUS,滤波器阻抗为Rx,则负载上均方值电流

IRMS=VBUS/[(2rDSON+RLOAD+Rx)] 所以负载上承受的功率为 PLOAD=I2RMSXRLOAD

={V2BUS/[2(2rDSON+RLOAD+Rx)2]}XRLOAD η=[RLOAD/(2rDSON+RLOAD+Rx)]/[1+fX(■+▲)] 其中■=16VBUS/[π2XIRATEX(2rDSON+RLOAD+Rx)] ▲=2IRATE(t2RR/VBUS)(2rDSON+RLOAD+Rx)

当包含有开关损耗时,效率可由下式计算:采用RFP22N10 MOSFET功放,内阻rDSON为0.08Ω,负载RLOAD为8Ω,工作电压VBUS为40V,开关频率f为700KHz,变换速率IRATE为50A/us,翻转恢复时间tRR为100ns,滤波器内阻Rx为0.04Ω,可算出:PLOAD=95W,η=78%.

在滤波器设计时,我们采用六阶巴特沃斯低通滤波器,用于将大功率数字脉冲信号转换为模拟音频信号.巴特沃斯滤波器的特点是带内平坦度高,从而使得输出音频信号幅频特性较好.

数字功放中音质和载波频率的关系

数字功放一直以来被许多人认为低音很不错,但是高音刺耳.在我们开发这个产品的过程当中,其实也发现了这个问题.

我们回到数字功放的原理: 音频信号(20~20K)经过一个PWM的调制,然后通过一个开关功率放大电路,把PWM信号放大,最后通过滤波器,把PWM信号滤除掉,这样就剩下一个大功率的音频信号可以直接推动喇叭了.这个调制过程是数字功放的关键.

一般现在流行的几个数字功放的方案的PWM频率都是工作在300K~500K范围,有些低音跑甚至工作在100K以下的频率.工作频率越高,越难选择开关管,开关的速度如果变慢了,容易发热,想减轻发热,就需要把死区调大,死区调大了,就导致失真变大.这个是一个两难的选择.于是选用极端快速的开关管,是数字功放第一要务. 数字功放的采样频率,直接决定了音质,这个是我们在开发数字功放的过程中发现的 一个重要现象.举个简单的例子,应该可以很好理解这个原理.

假设PWM的开关频率为300K(300~450K是现在市面上的数字功放的最常见的频率),1: 如果输入一个20HZ的低频信号进入,那么等于把一个20HZ的低频信号周期分割为15000个采样点,这个采样点足够在输出的时候完美表达一个正玄波的波形,低音可以得到很好的表现.

2: 如果输入一个1K的中频信号,那么他就产生300K/1K , 也就是一个周期300个采样点,这个还是可以接受的,但是已经开始恶化了.

3: 如果输入一个20K的中频信号,那么只产生300K/20K ,也就是一个周期15个采样点, 已经不能完整表达一个正玄波了,个人认为,这就是高音恶化难听的主要原因,我们再来看看,到底多高的频率能高好的表达音频信号. 下面是一个表:

PWM 20 250 500 1K 2K 5K 10K 15K 20K 100K 5000 400 200 100 50 20 10 7 5 300K 15000 1200 600 300 150 60 30 20 15 500K 25000 2000 1000 500 250 100 50 33 25 600K 30000 2400 1200 600 300 120 60 40 30 1000K 50000 4000 2000 1000 500 200 100 67 50 2000K 100000 8000 4000 2000 1000 400 200 133 100

从上表,可以看出,如果PWM的频率是100K 输入一个20K的音频信号,他只能把20K的一个周期分辨出5个信号,这显然不行,100K最高可以比较好的表达1K的信号(有100个采样点),所以工作在100K的数字功放只能是作为低音炮(20~250HZ).一个300K的数字功放也只能比较完美的表达5K(有60个采样点)的高音.一个600K的数字功放 ,可以比较好的表达10K的音频

当工作频率达到1~2M的时候,才能真正的把高音的失真减低,减低并不等于完美:)能追求更高的频率是每个数字功放设计师的梦想,但是必须基于更先进的器件(更高的工作频率的功率管).

采样频率越低,高频波形的折线化越严重,为什么有些低频率(400K)的数字功放失真怎么那么低呢.这个主要是出现在失真的测量方法上,普通的失真测量是输入1K信号,输出后测量1K信号产生的谐波(2K 3K,4K ,5K等),2K 4K 比较高,那是偶次失真(电子管常见的失真),3K5K比较高是奇次失真(晶体管电路常见的失真),也就是说实际上标称的失真只是代表1KHZ的失真,而不能代表其他信号频率的失真.于是就会产生了标称失真很低,但是实际的听感不舒服了.大家可以回头去看看上面哪个表,300K以上的数字功放对1KHZ的表达是比较完美的了.从这个角度,也证明了平时大家的感觉,为什么数字功放高音总是不舒服.关键的问题还是基频不够高.从另一个角度,我们再探讨一下基频和音频信号的关系. ----关于滤波器.

数字功放,基本都有滤波器(小功率的现在发展到没滤波器了),这个滤波器的作用主要是把PWM的基频滤除,一个陡峭的滤波器是非常难以设计的.双方的频率越靠近,想用简单的滤波器把两个不同频率的信号分离越困难.所以说,频率越高滤波器越容易处理.当然频率高滤波器使用的材料是有很大区别的.很多300~500K的数字功放只使用一个两阶滤波器.这个是远远不够的,很多数字功放输出都有0.3~1V的静态电压,我测试过两家提供的半成品板,有家甚至达到了3V的高频电压输出,这个是非常恐怖的事情.这个输出电压是高频电压,频率就是PWM的基频,虽然理论上这个信号是听不见的,但是他会严重干扰高音喇叭的工作.我初期设计过600K的CLASS-D 必须使用4阶以上的滤波器才能有效减低这个输出电压.

DDX的数字功放解决方案

前言

随着现在数字音源和数字音频的快速发展,在对数字音频信号直接放大的数字音频放大器也得到了飞速的发展.它有效率的与数字音源对接,实现了端到端的纯数字音频处理和放大的优点.这种DDX音频放大器可以接受来自DSP直接输入的数字音频编码信号,采用专利的DDX信号处理技术来控制高效的功率器件,不需要为每个声道准备D/A转换器,从而减少了中间不必要的转换层级,音质得到显着的改善,成本也随着零部件数目的减少而下降,从而把高音质、低功耗和低制造成本带到人气很旺的高速增长的应用领域,如平板电视机、无线产品和个人音响系统. DDX音频放大器的基本结构

DDX音频放大器包括2个主要部分:第一部分是采用专利DDX技术的调制器,它把数字音频接口得到的或者A/D转换得到的PCM数字音频数据转换成三态调制信号输出;第二部分是功率输出级,它包括三态驱动逻辑电路和全桥电路.经过三态调制的脉冲信号控制全桥电路中晶体管的导通与截止,在负载的两端产生极性相反的脉冲信号,脉冲的频率成份包含还原的音频信号和与调制过程相关的高频分量,因此通常需要在输出级和扬声器之间插入一个低通滤波器,避免高频分量直接驱动扬声器,从而在扬声器上得到还原并且放大的音频输出(如图1所示).