基于DPPC2006的数字音频功放电路的设计 文献综述

数字功放 1 绪论 随着电子产品的数字化进程不断演进，音响设备(尤其是其中的关键产品功率放大器)的数字化也提上了日程.目前市场上很多功放产品都打出了“数字”的旗号，但其中有很多只是对产品进行了一些数字化处理,严格意义上只能称作数字化功放，真正的音频信号还是模拟的.数字功放是指在信号的处理过程中采用的是数字音频信号，用开关的方式放大信号。数字功放最大的特点是效率高，对电源及散热的要求大大降低。此外还有输出功率大、频响宽、体积小、信噪比高等优点[1]。 数字功放与传统模拟功放相比较有一些明显优势，通过近几年不断地技术改进和完善，已大量使用于各种功放产品中，它将是功放发展的一个方向。 主要优势体现在：    （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～20 kHz内得到平坦的幅频特性和很好的相频特性。    （2）瞬态响应好。 由于它不需要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，加之无模拟放大中负反馈的制约，故具有更好的瞬态响应速度和力度，即“动力特性”好。    （3）无过零失真。 传统功放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，而数字功放的过零点与器件参数无关。    （4）效率高、可靠性高、体积小。 数字功放的效率通常都能做到95%以上，比甲类、乙类和甲乙类模拟功放的效率都高出很多，极低的热耗不仅大大提高了产品的可靠性，同时还能将产品体积做得很小。    （5）适合于大批量工业生产。 产品的一致性好，生产中无需调试，只需保证元器件正确安装即可[2] [3] [4]。 2 数字功放的国内外发展现状和前景 目前，数字技术在人类文明中发挥着越来越重要的作用，正成为生活中必不可少的部分，已广泛应用于DVD、汽车音响、家庭影院、专业音响和背投电视等领域。 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[5] [6]。 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 。 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，现有功放仍然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[7]。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[8]。 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）[9] [10]  。 3 数字功放类型 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[11]。 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[12]。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[13] [14]。 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，也是我们要讨论它的原因所在[15]。 参考文献 [1] 张绍高.数字声频技术原理及应用.北京:国防工业出版社,2000:7-12 [2] 茅于海.漫谈D类音频放大器.www.icwin.net,2005 [3] 虎永存.D类放大器的原理和电路.实用电子文摘,1998,5:15-17 [4] 周全才,李斌.数字音频功率放大器的技术与现状.www.cnstage.com,2004. [5] 木子林.数字音频功率放大系统设计连载www.avstudy.com,2005 [6] 胡长阳.D类和E类开关模式功率放大器.北京:高等教育出版社,1985,3-5 [7] 成都天奥电子有限公司.DPPC2006 六通道全数字功放处理电路及其应用. [8] 成都天奥电子有限公司.DPPC2006技术手册 [9] 马淑华,等.单片机原理与接口技术. 北京: 北京邮电大学出版社,2005 [10]Harris Semiconductor SCHS189B.Texas Instruments Incorporated，January 1998 - Revised May 2003.www.Eeworld.com.cn,2006 [11]Contacting Cirrus Logic Support.For a complete listing of Direct Sales，Distributor,and Sales Representative contacts. .www.cirrus.com/corporate/contacts/sales.cfm,2006 [12]蔡跃明,沈永朝,吴伯修.电子科学学刊,1995,17(5):512-523 [13]王新金,李建明.基于DPPC2006的数字音频功率放大器.郑州轻工业学院学报，2005，5-20 [14]茅于海.漫谈D类音频放大器.www.icwin.net,2005 [15] 电子技术天地.功放参数指标.www.hqew.com,2006 文档已经阅读完毕，请返回上一页！