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數(shù)字功放的發(fā)展前景
2006/8/8 9:27:43    ZHANG

隨著人民生活水平的提高,許多人特別是音響發(fā)燒友們對(duì)音頻功率放大器能否完美不失真的還原聲音的要求近乎于苛刻。模擬的功率放大器經(jīng)過(guò)了幾十年發(fā)展,在這方面的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,可以說(shuō)是達(dá)到了登峰造極的地步。環(huán)保與能量的利用率已漸漸成為人們所關(guān)注的問(wèn)題,正因?yàn)檫@樣,廣大消費(fèi)者對(duì)功放的效率要求越來(lái)越高。但是模擬功率放大器在這方面幾乎達(dá)到了極限。另外模擬磁帶播放機(jī)如錄音機(jī)逐步被淘汰,數(shù)字光碟播放機(jī)如CD、VCD、DVD等已占據(jù)主流。針對(duì)這一現(xiàn)實(shí)數(shù)字功放應(yīng)運(yùn)而生。音響中用的功率放大器,常用的是A類或者AB類功放,近年來(lái),利用脈寬調(diào)制原理設(shè)計(jì)的D類功放也進(jìn)入音響領(lǐng)域。

功率放大器通常根據(jù)其工作狀態(tài)分為五類。即A類、AB類、B類、C類、D類。在音頻功放領(lǐng)域中,前四類均可直接采用模擬音頻信號(hào)直接輸入,放大后將此信號(hào)用以推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。D類放大器比較特殊,它只有兩種狀態(tài),不是通就是斷。因此,它不能直接輸入模擬音頻信號(hào),而是需要某種變換后再放大。人們把此種具有"開(kāi)關(guān)"方式的放大,稱為"數(shù)字放大器"。

國(guó)外在數(shù)字音頻功率放大器領(lǐng)域進(jìn)行了二、三十年的研究,六十年代中期,日本研制出8bit數(shù)字音頻功率放大器。1983年,M.B.Sandler等學(xué)者提出D類(數(shù)字)PCM功率放大器的基本結(jié)構(gòu)。主要是圍繞如何將PCM信號(hào)轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)。把信號(hào)的幅度信號(hào)用不同的脈沖寬度來(lái)表示。此后,研究的焦點(diǎn)是降低其時(shí)鐘頻率,提高音質(zhì)。隨著數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)和新型功率器件及應(yīng)用的發(fā)展,開(kāi)發(fā)實(shí)用化的16位數(shù)字音頻功放成為可能。一個(gè)音響系統(tǒng)必須具備音源、功放和音箱三大部分。音源部分目前已數(shù)字化了,如CD、VCD、DVD、DAB和數(shù)字電視等。但 的功放和音箱仍然是模擬統(tǒng)治的天下。在人們進(jìn)入數(shù)字化、信息化的開(kāi)發(fā)過(guò)程中自然想到了功放的數(shù)字化這一問(wèn)題。

模擬功放始終無(wú)法解決效率、成本、音質(zhì)這三者。

國(guó)外這幾家公司研制的數(shù)字功放價(jià)格均在一萬(wàn)美元以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了普通大眾的承受能力,因此,從世界水平來(lái)看,現(xiàn)有功放仍停留在模擬放大的水平上,而數(shù)字功放技術(shù)尚未大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也開(kāi)始出現(xiàn)AV數(shù)碼功放,但所謂的數(shù)字功放實(shí)質(zhì)上僅僅是指音頻處理部分采用了數(shù)字處理,其功率放大器 則仍然采用模擬放大,這與真正意義的數(shù)字功放相差甚遠(yuǎn)。

音響產(chǎn)品的數(shù)字化是必然趨勢(shì)。由于數(shù)字功放有很多優(yōu)點(diǎn),如體積小、功率大、 高、與數(shù)字音源的無(wú)縫結(jié)合、能有效降低信號(hào)間傳遞干擾、實(shí)現(xiàn)高保真等。在數(shù)字音源已經(jīng)大量普及的時(shí)代,數(shù)字功放將會(huì)取代現(xiàn)有的模擬功放。 二、數(shù)字功放的特點(diǎn)
數(shù)字功放在功能模塊上可分為:信號(hào)輸入、信號(hào)處理、功率放大、輸出部分。

若從信號(hào)輸入到整個(gè)功率轉(zhuǎn)換均是在數(shù)字方式下進(jìn)行,沒(méi)有模擬音頻信號(hào)出現(xiàn),則稱為全數(shù)字功放(或純數(shù)字功放)。


數(shù)字功放與模擬功放相比有如下一些明顯優(yōu)勢(shì):
·(1)整個(gè)頻段內(nèi)無(wú)相對(duì)相移,聲場(chǎng)定位準(zhǔn)確
由于采用無(wú)負(fù)反饋的放大電路、數(shù)字濾波器等處理技術(shù),可以將輸出濾波器的截止頻率設(shè)計(jì)得較高,從而保證在20Hz-20kHz內(nèi)得到平坦的幅頻特性和很好的相頻特性。

·(2)瞬態(tài)相應(yīng)好,即"動(dòng)態(tài)特性"好
由于它不需傳統(tǒng)功放的靜態(tài)電流消耗,所有能量幾乎都是為音頻輸出而儲(chǔ)備,加之無(wú)模擬放大、無(wú)負(fù)反饋的牽制,故具有更好的"動(dòng)力"特征。

·(3)無(wú)過(guò)零失真
傳統(tǒng)功放都在由于對(duì)管配對(duì)及各級(jí)調(diào)整不佳產(chǎn)生的過(guò)鈴、交越失真。

·(4)效率高、可靠性高、體積小
理論上D類功放的效率可達(dá)100%,而B(niǎo)類放大器效率僅為78%(理論值),A類功放的效率就非常低?煽啃灾R(shí)告訴我們:半導(dǎo)體器件的溫度每升高10C,失真率就提高一倍。

(5)·適合于大批量生產(chǎn)
產(chǎn)品的一致性好,生產(chǎn)中無(wú)需調(diào)試,只保證元器件正確安裝即可。
天奧DPA功放TA-D990的主要指標(biāo):
頻響:20-20000Hz(≤±0.5dB);
信噪比≥100dB;
失真度:≤0.05%-0.15%。

D類功放中的功率晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),又稱作數(shù)字功放。A類功放的保真度好,但效率甚低,不到10 %,用於高檔的專業(yè)音響;AB類功放的保真度略為遜色,但效率可以達(dá)到20 %至40 %,主要用於汽車(chē)、家庭音響以及電腦上;D類功放的效率高達(dá)80 %至90 %以上,使用時(shí)不需要散熱器,或者只需要一只很小的散熱器,但是它的保真度和A類及AB類功放相比則大為遜色。理想的功放是保真度高,同時(shí)效率也高。Tripath Technology公司提供一種保真度好、效率高的音頻功率放大器,其中的功率晶體管也是工作在關(guān)關(guān)狀態(tài),即D類,為了區(qū)別於用脈寬調(diào)制原理設(shè)計(jì)的D類功率放大器,Tripath把這種音頻功率放大器稱作T類功率放大器。
    用脈調(diào)寬制技術(shù)的D類功率放大器之所以音質(zhì)差,原因在於:輸出功率晶體管并不是純粹的開(kāi)關(guān),也不是匹配得很好,會(huì)帶來(lái)畸變;晶體管在接通和關(guān)閉的過(guò)程中,接地點(diǎn)的電位會(huì)出現(xiàn)波動(dòng),從而增大噪音;功率輸出電路是用兩只(或者四只)功率晶體管接成的橋路,一只功率晶體管導(dǎo)通,另外一只關(guān)閉,這之間存在死區(qū);功率輸出電路和揚(yáng)聲器之間用一只輸出低通濾波器把音頻以外的成份濾除,讓音頻信號(hào)進(jìn)入揚(yáng)聲器,但不可能徹底濾除脈寬調(diào)制的載波,這也是造成失真的一個(gè)因素。
    T類功率放大器的功率輸出電路和脈寬調(diào)制D類功放相同,功率晶體管也是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),效率和D類功放相當(dāng)。它和D類功放不同的是,它不是使用脈沖調(diào)寬的方法。Tripath公司發(fā)明了一種稱作"Digital Power Processing (tm) (DPP(tm))"的數(shù)字功率處理技術(shù),它是T類功放的核心。它把通信技術(shù)中處理小信號(hào)的適應(yīng)算法及預(yù)測(cè)算法用到這里。輸入的音頻信號(hào)和進(jìn)入揚(yáng)聲器的電流經(jīng)過(guò)DPP(tm)數(shù)字處理後用於控制功率晶體管的導(dǎo)通關(guān)閉,因而不存在脈寬調(diào)制D類功放的那些缺陷。音頻功率放大器的失真用兩個(gè)指標(biāo)衡量:一個(gè)是THD+N(總諧波失真加噪音)指標(biāo),另一個(gè)是IMD(互調(diào)制失真)指標(biāo)。如果在20 Hz至20 kHz頻帶上的THD+N指標(biāo)低於0.2 %,IMD指標(biāo)低於0.4%,就算是低畸變的了。TA1101是輸出10瓦的雙聲道T類功率放大器,它在音頻頻帶上的THD+N為0.02 %,IMD指標(biāo)為0.04 %,效率高於80 %。此外,T類功放的動(dòng)態(tài)范圍更寬,響率響應(yīng)平坦,群延遲小。DDP(tm)的出現(xiàn),把數(shù)字時(shí)代的功率放大器推到一個(gè)新的高度。
    在T類功率放大器中,功率晶體管的切換頻率不是固定的(D類功率放大器中調(diào)寬脈沖的頻率是固定的),無(wú)用分量的功率譜不是像D類功率放大器那樣是集中在載頻兩側(cè)狹窄的頻帶內(nèi),而是散布在很寬的頻帶上,例如從1.5 MHz至2.5 MHz的頻帶上,它的波形和擴(kuò)譜技術(shù)的波形相似,因此,功率密度并不高,從而降低了對(duì)輸出低通濾波器的要求,同時(shí)它產(chǎn)生的EMI也不像D類功率放大器那麼嚴(yán)重。雖說(shuō)D類功放和T類功放所處理的是音頻信號(hào),但會(huì)產(chǎn)生EMI,這是因?yàn)檫@兩種功放中的功率晶體管的切換頻率比音頻信號(hào)的最高頻率高很多。在A類或者AB音頻功放則不存在這種問(wèn)題。所以,使用D類功放和T類功放的設(shè)計(jì)師需要有一點(diǎn)RF設(shè)計(jì)的知識(shí),并針對(duì)EMI下點(diǎn)功夫,例如,合理布置輸出低通濾波器的元件,使自已設(shè)計(jì)的產(chǎn)品符合電磁兼容性的要求。
  Tripath Technology在1995年成立於美國(guó)加州San Jose,它的技術(shù)專長(zhǎng)是數(shù)字信處理技術(shù)以及設(shè)計(jì)混合信號(hào)處理和功率集成電路。黃燕彬介紹說(shuō),聯(lián)杰元器件有限公司代理Tripath的T類功放集成電路,并且提供利用T類功放集成電路加上輸出低濾波器等做成的功放電路板。這種音質(zhì)好、效率高、可以輸出數(shù)十瓦至一百多瓦功率的T類音頻功放電路板,上衣口袋都裝得下,主要用於多體電腦、手提電腦、家用音響、家庭影院、輕便音響、汽車(chē)音響等。

傳統(tǒng)的數(shù)字語(yǔ)音回放系統(tǒng)包含兩個(gè)主要過(guò)程:1、數(shù)字語(yǔ)音數(shù)據(jù)到模擬語(yǔ)音信號(hào)的變換(利用高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC)實(shí)現(xiàn);2利用模擬功率放大器進(jìn)行模擬信號(hào)放大,如A類、B類和AB類放大器。從1980年代早期,許多研究者致力于開(kāi)發(fā)不同類型的數(shù)字放大器,這種放大器直接從數(shù)字語(yǔ)音數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)功率放大而不需要進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換,這樣的放大器通常稱作數(shù)字功率放大器或者D類放大器。它具有兩大優(yōu)點(diǎn):效率很高;模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入,能夠很好的與數(shù)字音源播放機(jī)對(duì)接。

數(shù)字功率放大器的實(shí)現(xiàn)包括兩個(gè)主要部分:第一,把數(shù)字光碟播放機(jī)從光碟上讀下來(lái)或者電腦CPU從ROM里讀出來(lái)的脈沖編碼調(diào)制(PCM)數(shù)字語(yǔ)音數(shù)據(jù)(通過(guò)數(shù)字接口),或者模擬信號(hào)經(jīng)A/D后的數(shù)字音頻信號(hào)等等轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的脈寬編碼調(diào)制(PWM)數(shù)字語(yǔ)音數(shù)據(jù)。第二,把PWM信號(hào)作為開(kāi)關(guān)控制信號(hào)來(lái)控制PWM-H橋轉(zhuǎn)換器中開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與不導(dǎo)通的時(shí)間比,經(jīng)過(guò)低通濾波后使得音頻信號(hào)在負(fù)載上放大輸出。

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