一般來說,數(shù)字語音播放系統(tǒng)包含兩個主要過程:將數(shù)字語音數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬語音信號,這個過程通常利用高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)來實現(xiàn);第二個環(huán)節(jié)是利用模擬功率放大器對模擬信號進(jìn)行放大,這一般通過A類、B類和AB類放大器進(jìn)行。隨著便攜式產(chǎn)品對產(chǎn)品外形、電池使用壽命和散熱等要求的不斷提高,數(shù)字放大器應(yīng)運而生,這種放大器直接從數(shù)字語音數(shù)據(jù)實現(xiàn)功率放大而不需要進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換,這類放大器通常稱作數(shù)字功率放大器或者D類放大器。
1. 音頻功率放大器工作原理
在手機、DVD播放機、筆記本電腦及游戲機等便攜式設(shè)備中集成音頻,設(shè)計人員一方面需要將MP3及視頻流等越來越多的特性集成到上述終端設(shè)備中,另一方面又必須保持或(甚至)減少整體功率預(yù)算。
(1)A類放大器
A類放大器的主要特點是:放大器的工作點Q設(shè)定在負(fù)載線的中點附近,晶體管在輸入信號的整個周期內(nèi)均導(dǎo)通。放大器可單管工作,也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲線的線性范圍內(nèi),所以瞬態(tài)失真和交替失真較小。電路簡單,調(diào)試方便。但效率較低,晶體管功耗大,功率的理論最大值僅有25%,且有較大的非線性失真。由于效率比較低現(xiàn)在設(shè)計基本上不在再使用。
(2)B類放大器
B類放大器的主要特點是:放大器的靜態(tài)點在(VCC,0)處,當(dāng)沒有信號輸入時,輸出端幾乎不消耗功率。在Vi的正半周期內(nèi),Q1導(dǎo)通Q2截止,輸出端正半周正弦波;同理,當(dāng)Vi為負(fù)半波正弦波,所以必須用兩管推挽工作。其特點是效率較高(78%),但是因放大器有一段工作在非線性區(qū)域內(nèi),故其缺點是“交替失真”較大。即當(dāng)信號在-0.V~0.6V之間時,Q1、Q2都無法導(dǎo)通而引起的。所以這類放大器也逐漸被設(shè)計師摒棄。
(3)AB類放大器
既然A類效率比較低,而B類卻是波形稍差,同時用上2個B類放大電路,將兩者所剩的完整半波合并,達(dá)到與A類相同的全波效果,此即是所謂的AB類放大,且效率高于A類,若要同樣實現(xiàn)一個輸出放大達(dá)25W的系統(tǒng),A類系統(tǒng)需要100W,AB類只要約66W,散熱片的體積也可以因此減小。
可見,AB類放大器晶體管的導(dǎo)通時間稍大于半周期,可以避免交替失真。另外,AB類放大器的有效功率也較高,其晶體管的功耗也較小。
(4)D類放大器
D類(數(shù)字音頻功率)放大器是一種將輸入模擬音頻信號或PCM數(shù)字信息變換成PWM(脈沖亮度調(diào)制)或PDM(脈沖密度調(diào)制)的脈沖信號,然后用PWM或PDM的脈沖信號去控制大功率開關(guān)器件通/斷音頻功率放大器,也稱為開關(guān)放大器,具有效率高的突出優(yōu)點。
數(shù)字音頻功率放大器也看上去是一個1比特的功率數(shù)模變換器。放大器由輸入信號處理電路、開關(guān)信號形成電路、大功率開關(guān)電路(半橋式和全橋式)和低通濾波器(LC)等四部分組成:
· D類放大或數(shù)字式放大器,是利用極高頻率的轉(zhuǎn)換開關(guān)電路來放大音頻信號的。
· 具有很高的效率,通常能夠達(dá)到85%以上。
· 體積小,可以比模擬的放大電路節(jié)省很大的空間。
· 低失真,頻率響應(yīng)曲線好。
· 外圍元器件少,便于設(shè)計調(diào)試。
PDM信號與PWM信號相比,沒有固定的工作頻率,其將輸入的音頻信號調(diào)制成一組脈沖寬度相同但是頻率不同的PDM信號,有效的改善了PWM帶來的EMI問題。目前市場上產(chǎn)品還不是很多。
PWM(Pulse Width Modulation)中A類、B類和AB類放大器是模擬放大器,D類放大器是數(shù)字放大器。B類和AB類推挽放大器比A類放大器效率高、失真較小,功放晶體管功耗較小,散熱好,但B類放大器在晶體管導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)換過程中會因其開關(guān)特性不佳或因電路參數(shù)選擇不當(dāng)而產(chǎn)生交替失真。而D類放大器具有效率高低失真,頻率響應(yīng)曲線好,外圍元器件少優(yōu)點。AB類放大器和D類放大器是目前音頻功率放大器的基本電路形式。
2. D類與AB類的比較
在現(xiàn)有的幾類基本功放中,AB類功率放大器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種音頻產(chǎn)品,包括手機、MP3播放器和PMP系統(tǒng)中?紤]到AB類功率放大器能夠提供高品質(zhì)的信號放大性能,因此非常適合耳機和一些小功率喇叭的應(yīng)用。但是由于更多、更新的便攜式產(chǎn)品對多媒體功能有著更高的要求,立體聲音頻、3D環(huán)繞音效以及大音量輸出已逐漸成為新一代便攜式多媒體產(chǎn)品必不可少的功能。更小的外形設(shè)計、使用更薄的電池、較低的效率成為AB類功率放大器的致命弱點。
D類放大器具有遠(yuǎn)高于AB類放大器的效率,可給音頻設(shè)計人員提供兩大好處:首先,對于便攜式及電池供電應(yīng)用來說,采用D類放大器可延長電池使用時間,因為由放大器發(fā)熱而浪費的功率更少。此外,由于放大器散熱更少,因此與AB類放大器相比,采用D類放大器時的熱設(shè)計將變得更加簡單。