數字功放即脈沖調制的D類功放,與模擬功放的主要差別在于前者功放管處于開關工作狀態。在數字功放出現以前,音頻功率放大器最常用的為AB類功放,AB類功放保留了B類功放效率高的優點,同時由于使用小偏置電流而能實現較小的交越失真,在重放正弦波時理想效率高于70%。因為實際重放的聲信號有很大的動態范圍,如AM收音、磁帶能達到50dB,FM收音、CD遠超過此值,從而導致模擬音頻功放實際效率很低,功放級需要較大的散熱片,限制了其在對散熱及效率較高要求場合的使用。下圖為AB類功放在重放正弦波時的最大效率,其中輸出0dB為開始削波時的功率。

模擬功放輸出級的功放管工作在線性放大區域中,它按照輸入音頻信號大小控制輸出的大小,就像串在電源與輸出間的一只可變電阻,控制輸出,但同時自身也在消耗電能。數字功放的功放管工作在開關狀態,當其飽和導通時兩端壓降很小,當然功耗也小;而截止時,漏電流極小,幾乎不消耗功率。所以數字功放電源的利用率就特別高。
下圖為A類、B 類和 D類放大器輸出級的功率效率比較。
其中:POWER EFFICIENCY功率效率;
NORMALIZED LOAD POWER歸一化負載功率;
CLASS D AD199x MEASURED為AD199x D類放大器測量值;
CLASS B IDEAL為B類放大器理想值;
CLASS A IDEAL為A類放大器理想值。

輸出功率和效率的差異在中等功率水平處很大。這對于音頻很重要,因為大音量音樂的長期平均功率水平要比達到P max的瞬時峰值水平低很多(為其1/5到1/20,取決于音樂類型)。對于音頻功放,若認為PLOAD = 0.1 PLOADmax是一個合理的平均功率水平,按照這個功率水平評估D類功放輸出級的功耗是B類功放輸出級的1/9,是A類功放輸出級的1/107。
調制技術
如下圖所示,其一為脈寬調制技術,即將音頻信號轉換為PWM數字音頻信號,PWM信號的占空比與原音頻信號的瞬時值相關,占空比50%表示音頻信號瞬時值為0;另一種脈沖調制技術被稱為脈沖密度調制技術(PDM),脈沖密度大的地方,表示電壓高;稀的地方,電壓就低。
音頻PWM編碼可以從兩種途徑獲得,一是對模擬音頻信號進行模數變換直接生成PWM數字音頻。二是對其它編碼的數字音頻,如CD的PCM編碼,通過數字信號處理技術變換成PWM碼。
數字功放的音量調節方法常用的有兩種。簡單方法就像傳統模擬功放那樣由電位器衰減模擬信號的輸入幅度,實現音量衰減。這種方式數字信號的量化比特率得不到充分利用,小音量時信噪比下降,動態范圍變小。而且也不能用于數字音頻直接輸入系統。另一種方法是采用調節直流電源電壓的方式來調節音量,以改變加到低通濾波器上的脈沖電壓幅度來改變輸出功率。這樣量化比特率仍可充分利用,由于電壓下降,量化噪聲也隨之下降,所以音量減小,但信噪比和動態范圍仍能保持不變。改變電源電壓的高效方法使用DC-DC逆變器,通過改變占空比來改變輸出電壓。
開關晶體輸出的是脈寬調制波形,在20kHz頻率以上有很寬的頻譜,為保護揚聲器、保障功放重放有用信號的效率及EMI的需要,在功放的輸出端需加如下圖所示的20kHz低通濾波器以將開關脈沖信號還原為原始音頻信號。電路中電感損耗應盡可能小,最大允許電流要選用正確,使其在最大電流時電感磁芯不能處于磁飽和狀態,以保障功放的輸出阻抗、諧波失真、高頻雜訊性能。

從上圖可以看出數字功放輸出端濾波電路阻帶衰減緩慢,因在20kHz以上不在人耳的可聽范圍,故不會影響其使用,但在測量信噪比、諧波失真等指標時20kHz以上信號將嚴重影響測量結果,所以在測量時必須在音頻分析儀前加高階低通濾波器。
在數字功放輸出端沒有濾波電路時,音頻分析儀前必須使用無源低通濾波器,當數字功放輸出端有濾波電路時,可以使用有源濾波器。
我司的D類功放IC資料請查閱:http://www.tuangou168.com/product_1012.htm
|