[基本常识]什么是数字功放-数字功放的简介与原理

莫一烈

数字功放简介
　　数字功放采用早已存在的D类放大器电路，D类放大器的电路采用场效应管H-桥式链接。电路场效应输出的脉冲波经过恢复得到原来的正弦波，驱动扬声器产生声音。


数字功放原理
     数字功放的功放管工作在开关状态,理论状态晶体管导通时内阻为零,两端没有电压,当然没有功率消耗;而截止时,内阻无穷大,电流又为零,也不消耗.所以作为控制元件的晶体管本身不消耗功率,电源的利用率就特别高.
    图1是数字D类功放的工作原理框图.D类功放处理的是经脉宽调制(PWM)的音频数字信号,声音信息埋藏在脉冲的占空比或脉冲密度中.

    图示是音频信号的一种PWM调制方法,最为直观;较多采用的是以脉冲密度来表示信号大小的,脉冲密度大的地方,表示电压高;稀的地方,电压就低.双向信号可用其它方式调制,如占空比50%,即脉冲宽度与间隔宽度1:1,表示信号幅值为零;占空比大于50% ,幅度为正,这时数值越大,正幅度越高;占空比小于50%,幅度为负,越小越负.因为这种信号并不需要与外接设备直接相连,也就不需要格式完全统一,各厂可按自行研发的最佳方案调制.




    音频PWM编码可以从两种途径获得,一是对模拟音频信号进行模数变换直接生成PWM数字音频.二是对其它编码的数字音频,如CD的PCM编码,通过数字信号处理技术变换成PWM码.获得后用此信号去控制大电流的开关型功率MOSFET由功率管输出一个大能量的PWM码.输出电压的大小由电源电压高低决定,输出的电流由负载扬声器的阻抗和电路形式决定.功率管工作在开关状态,只要开关特性好,线性要求几乎没有,制造成本比音响对管低,工业控制上这类MOSFET已用得很普遍,取材方便.由于开关管导通时的饱和压降和截止时的漏电流也会损失一些电能,但总效率仍有百分之九十几,为各类放大电路效率之冠.
　　开关晶体输出的是脉宽调制波形,要成为可听的模拟音频信号,还需经过一路带宽为20KHz的低通滤波器,滤去脉冲波形中的高频成分,见图3,一般说来功放的输出电压对选取电容的耐压不成问题,只是电感最大允许电流要设计正确.




    数字功放由于效率高,管子的耗损小,功放的散热结构可以做得非常小巧简单,整个电路可以做得很小.所以,首先在笔记本电脑、有源音箱和声卡上采用.带有数字功放的声卡可直接接通普通音箱,这样使用就方便得多.随着技术的发展,数字功放也进入音响领域,TACT公司2000年推出的一款数字功放TACT Audio"黄金时代",令发烧音响界改变发结数字功放的成见,国内成都天奥公司更早就推出了用于家庭影院的数字多声道功放,深圳的三诺公司也在研发数字功放的有源音箱.国外多家芯片公司已推出带各种功能的数字功放IC器件,为整机生产厂更新产品提供了便利条件.一场功放革命正在悄然兴起.
    从图1可以看出数字功放的另一优点是可以直接放大数字音频信号.CD和DVD碟片上输出的音频信号是数字化的,现在播放机解码后要经过数模变换,变成模拟音频后再送出.而采用数字功放后,就可把解码后的PCM数字音频信号直接进入数字信号处理电路处理成PWM码进行放大.省去了播放机中的数模变换和数字功放中的模数变换二个较贵重部分,不但音质受损少,成本也可降低.
    利用数字功放技术生产整机时,音量调节方案会成为机种档次的分界线.简单方案就像传统模拟功放那样由电位器衰减模拟信号的输入幅度,实现音量衰减.这种方式数字信号的量化比特率得不到充分利用,小音量时信噪比下降,动态范围变小.而且也不能用于数字音频直接输入系统.
    较好的方案是采用调节电源电压的方式来衰减音量,以改变加到低通滤波器上的脉冲电压幅度来改变输出功率.这样量化比特率仍可充分利用,由于电压下降,量化噪声也随之下降,所以音量减小,但信噪比和动态范围仍能保持不变.由于功放电源的功率较大,改变电源电压不能用电阻衰减或分压方式来实现,必须从电源整流稳压部分就开始.TACT公司采用的方法是在数字稳压电源的DC-DC逆变过程中,改变占空比来改变最终输出电压.这类方案目前还只能在分立元件做功率输出部分的整机中采用,集成化数字功放IC仍用衰减模拟输入为主来调节音量.
    从现状来看,数字功放已能商品运用在功率一般的普通用途放大器上性价比和小型、节电等方面都有长处.几瓦的小功率型集成功放芯片,控制电路和功率开关器件已一体化,使用非常方便.几十瓦以上的大功率用数字功放芯片,一般只集成控制电路部分,大功率开关器件需另外集成或自行配置,以便整机设计灵活.在H F领域中,数字功放还只能算是在探索,离商品化还有一段过程.但数字功放是功率放大后起之秀这点是不容置疑的.