浅谈数字功率放大器

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功率放大器是音响系统中的重要单元，功能是把前置放大器送来电压、功率都比较小的电信号进行功率放大，推动音箱等负载。功放主要参数有两部分，效率和最大不失真输出功率。
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　　功率放大器是音响系统中的重要单元，功能是把前置放大器送来电压、功率都比较小的电信号进行功率放大，推动音箱等负载。功放主要参数有两部分，效率和最大不失真输出功率。

　　1功放的分类

　　一般按照末级放大电路的工作状态不同，分为五类，即A(甲)类、AB(甲乙)类、B(乙)类、C(丙)类、D(丁)类。在音频功放领域中，前四类均可直接采用模拟音频信号直接输入，经放大后推动扬声器工作。理想的功放是保真度高，同时效率也高。A类功放的保真度好，但效率很低，不到10%，通常用于高档专业音响;AB类功放的保真度略为逊色，但效率可以达到20 %-40%，主要用于汽车、家用音响以及电脑，一般的演出扩声系统也多采用这种方式。D类放大器比较特殊，只有两种状态，即通和断，所以D类功放的效率高达80%—90%，使用时只需要很小的散热器或不需要散热器，但是它的保真度和A类及AB类功放相比则大大下降，因此，它不能直接输入模拟音频信号，而是需要某种变换后再放大，通常把这样具有“开关”方式的放大方式，称为“数字放大器”，在整个信号处理和功率放大过程中，全部采用数字方式，只有在功率放大后为了推动音箱才转化为模拟信号。目前有多个公司生产数字功放，单机功率从几百瓦到几千瓦，如crown公司I.Tech系列功放;TripathTe。hnology公司提供一种保真度好、效率高的音频功率放大器，其中功率晶体管工作在开关状态(D类)，为区别于用脉宽调制原理设计的D类功率放大器，Tripath把这种音频功率放大器称作“T类”功率放大器。

　　2数字功放的发展过程

　　早在20世纪60年代中期，日本就曾研制出8 bit的数字音频功率放大器;到1983年，国外提出了D类(数字)PWM功率放大器的基本结构，但是这些功放仅能实现低位D/A功率转换，难以实现16 bit、44.1 kHz采样的功率放大器。随着数字信号处理(DSP)和音频数字压缩技术的结合、新型离散功率器件及其应用的发展，使开发实用化的16 bit数字音频功率放大器成为现实，这些技术离不开微机数字技术的发展，小型数字功放首先在笔记本电脑、有源音箱和声卡上采用，有数字功放的声卡可直接接耳机或普通小型音箱，使用极为方便。随着技术的成熟及应用领域的拓展，数字功放逐步进入了专业音响领域，2000年，ACT公司推出一款数字功放TACT Audio“黄金时代”.当前的音频数字编码技术，在不损伤音频信号质量的情况下，已可以做到将末级功放开关频率由未压缩数据时的约2.8 GHz减至小于1 MHz，大大降低了对开关功放管的要求，同时在开关功率放大部分，还采用了驱动缓冲器和平衡电桥技术，实现了在不提高工作电压的情况下仍然可以输出较大的功率，同时设计了完善的防止开关管击穿的保护电路，还加入了其他基于数字音频处理方面的参数调整功能。

　　3数字功放的工作原理

　　在这里不做理论上的推导，只把信号处理框图和流程进行说明，其核心技术在于数字信号的编解码和模数间的转换，而末级的开关管放大，非常类似广播的数字中波发射机，整机就是一个DC-DC的变换，把连续的模拟量，数字化成脉冲量，最后经过电容滤波，仍然还原成模拟量的连续电流电压音频信号。

　　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、信号输出，如图1所示。数字功放输入部分，通过模拟音频输入接口接收模拟音频信号，经内部A/D转换器得到数字音频信号，或是从光纤或数字同轴电缆接口接收数字PCM音频编码信号，然后通过专用音频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，最后将脉冲功率信号通过平滑低通滤波器，得到模拟音频放大信号，驱动音箱。

　　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。

　　4数字功放的主要优点

　　与模拟功放相比，数字功放有如下优点。

　　11由于采用无负反馈放大电路、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20 Hz~20 kHz内得到平坦的幅频特性和很好的相频特性。整个频段内无相对相移，声场定位准确。

　　2)由于无传统功放的静态电流消耗，所有能量几乎都是为音频输出储备，加之无模拟量放大、无负反馈电路的牵制，故具有更好的瞬间响应特征。

　　31无过零失真。传统功放都不可避免地存在由于对管配对及各级调整不佳等，产生的过零失真、交越失真，出现波形畸变。

　　4)从理论上讲，B类放大器效率仅为78%(理论值)，A类功放的效率更低，D类功放的效率可达100%。可靠性方面，半导体器件的温度每升高lO°C，失真率就会提高一倍，这对传统功放的使用和散热提出了较高要求，而D类功率放大器的要求很低。

　　5)由于产品的一致性好，生产中无需调试，只保证元器件正确安装即可，适于大批量生产。

　　另外多个同型号数字功放，可以实现网络化、远程控制，灵活性高、方便。

　

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　5数字功放的应用

　　一般的音响系统主要由音源、功放和音箱三部分组成。数字功放是新的一代高保真的功放系统，可以直接驳接CD唱机(或DVD)、DAT(数字录音机)、PCM(脉冲编码调制录音机)的数字输出音源，用光纤或同轴电缆直接输出到数字功放，实现了音源到功放的全数字化，体现了与数字音源的完善结合。随着DVD家庭影院、迷你音响系统、机顶盒、个人电脑、LCD电视、平板显示器和移动电话等消费类产品日新月异的发展，尤其是具备SACD、DVD Audio等一些高采样频率的新音频规格的出现，及音响系统从立体声到多声道环绕系统的进化，更加加速推进了数字功放的发展。另一方面，数字功放的价格不断下降，在家庭影院系统、大型场所、演出团体等领域越来越广泛范围都开始采用的专业或家庭Hi-Fi级功放。

　　6数字功放的主要技术指标

　　数字功放和模拟功放的作用是一样的，所用测试项基本一样。不同的是模拟功放输入的是模拟信号，而数字功放输入的是模拟信号，经内部转换成数字信号，或者来自前端数字信号，所以输入数字功放的测试信号有规定，目前数字功放输入的数字信号标准是S/PDIF格式。

　　音频功率放大器的失真用两个指标衡量：在20 Hz~20 kHz频带上的THD+N(总谐波失真加噪音)指标和IMD(互调制失真)指标。一般的数字功放，在音频频带上的THD+N为0.5%-l%，(模拟功放可以做到零点几个百分点，这应该是数字功放的一个不足);在效率方面，数字功放效率高于80%，远超普通功放。此外，数字功放的动态范围更宽，频率响应平坦，群延迟小。从各项指标参数上看，数字功率放大器达到了一个新的高度。

　　7两款数字功放简介

　　crown公司XTI系列功放，主要参数有频率响应：20 Hz~20 kHz，±0.25 dB(I W/4 Ω负载);功率1000-8 000 W; XTI系列功放设有负载短路保护、负载开路保护、误区匹配保护、电源过载(过压)保护、机器温度过热保护、链路损坏保护、输入电流过载保护、防RF射频窜音保护等各种有效的保护措施。还有保护扬声器装置的防止直流输入/输出、防止直流偏置输出，电源开/关的瞬间冲击保护等;在DSP数字信号处理部分，包括有均衡器EQ、滤波器、延时装置、次谐波合成器、输出限幅器、10个扬声器预置等。

　　意大利POWEROFT生产的DIGAM数字功放D系列，全部都是一样的1U高体积，同样还有D、K、Q(4通道)等系列，工作时发热量都极小，热损耗只有5%，效率高达95%，就是说，在以往大型场馆或大型演出中，装满两个32U机柜的功放和特别配置的散热装置，现在只需要几个U的机柜就解决了，音响系统功耗下降近2倍。

　　8结束语

　　数字功放的前景展望，可以说从最初的小型数字多媒体应用，到目前的专业数字功放，DSP处理能力和技术的不断发展，数字功放经历了不断提高的性价比，凭借节能高效、稳定可靠等特点，相信随着价格普及，也似“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”，引领音响领域步入数字化。

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