（机械电子工程专业论文）基于声频定向系统的d类数字功率放大器.pdf

摘要 摘要 声频定向扬声器系统是一种可以使声音只沿固定方向传播的装置。该系统主 要通过超声波在空气中的非线性交互作用产生高指向性的可听声，从而革命性地 使声音信号控制在指定范围内以高指向方式传播。本文旨在为声频定向扬声器系 统设计并制作一款高效率、低失真、低损耗的数字功率放大器，为系统的超声波 发射换能器提供大功率的驱动信号，并通过系统测试实验对其功率放大和指向性 等性能进行分析与评估。 本论文针对上述任务，先对当今各种功率放大器类型及原理进行讨论、比较 与分析，再由声频定向系统工作原理出发，提出以d 类数字功率放大器作为声频 定向超声波换能器的驱动的解决方案。在系统工作原理中详细讨论了声波在空气 传播中产生指向性、非线性作用的理论，提出了以建立声场模型来指导信号处理 和系统架构的设计。基于以上的设计思路，本文将从以下几个方面进行讨论、分 析与设计，并最终通过声频定向系统功率放大和指向性的测试实验给出分析结果 与结论。 1 ) 从声频定向原理出发，设计系统架构与内部信号处理过程，并对过程中功 率放大部分进行分析与讨论，再结合各类放大器的特点与应用范围，提出利用d 类放大器为声频定向系统实现高效率、低失真功率放大的解决方案。 2 ) 将所提出的方案转化电路原理的设计，并对其进行仿真分析，从而验证解 决方案的可行性，再进一步讨论d 类放大器用于声频定向系统的实现方式，从换 能器负载分析、信号调制处理、器件选择与功能设计、放大器电路设计、负载匹 配网络设计等几个方面进行了深入的研究和细致的讨论，并利用p r o t e l 进行实际 电路的设计与制作。 3 ) 利用所设计的d 类放大器对整个声频定向系统进行搭建，并对系统进行 功率放大和指向性的测试实验，完成对实验结果的分析且得到所设计d 类放大器 能高效率、低失真地完成信号功率放大，成功实现了声频定向技术的结论。 关键词：d 类功率放大器，声频定向，压电负载的驱动，p v d f 换能器的驱动 a b s t r a c t a bs t r a c t a u d i ob e a mi sar e v o l u t i o n a r yw a yo fp r o j e c t i n ga u d i os l g n a lmam g t a y 一 d i r e c t i o n a lm a n n e rt ot h el i s t e n e r w i t ht h en o r a i n e a ri n t e r a c t i o no fu l t r a s o u n di na i r ，t h e s y s t e mc a l lg e n e r a t ean a r r o wb e a mo fs o u n d ，w h i c hf e a t u r e s ah i g h l yd i r e c t i o n a l p r o p a g a t i o ni nas p e c i f i e dr e g i o ni n n o v a t i v e l y t h em a i nt a r g e to ft h i st h e s i si s t h e d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fad i g i t a lp o w e ra m p l i f i e r , w h i c hf e a t u r e sh i g he f f i c i e n c y ，l o w d i s t o r t i o na n de x t r e m e l yl o wp o w e rc o n s u m p t i o nw h i l ed r i v i n gt h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r o fs y s t e mw i t hh i g hp o w e r t h ea n a l y s i sa n de v a l u a t i o no fa m p l i f i c a t i o na n dd i r e c t i v i t y o fs y s t e mi sp e r f o r m e da c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fa u d i ob e a ms y s t e m a i m e da ts u c hat , a s kd i s c u s s i o na n dc o m p a r i s o na sw e l la sa n a l y s i sa m o n g v a r i o u st y p e so f p o w e ra m p l i f i e ra r ec a r r i e do u tf i r s t t h e nd e f t v e df i - o mt h ep r i n c i p l eo f a u d i ob e a mt e c h n o l o g y , as o l u t i o nt h a tc l a s sdd i g i t a lp o w e ra m p l i f i e rs e r v e sa st h e d r i v e ro fu l t r a s o n i ct r a n s d u c e ri sp r o p o s e d t h et h e o r yo fd i r e c t i v i t ya n dn o n l i n e a r i n t e r a c t i o no fw a v e sp r o p a g a t i o ni na i ri si n v e s t i g a t e di nd e t a i l ，s ot h a tt h ei d e at h a tt h e e s t a b l i s h m e n to fs o u n df i e l dm o d e ls e r v e sa st h eg u i d a n c eo fs i g n a lp r o c e s s i n ga n d d e s i g no fs y s t e m a t i cc o n f i g u r a t i o ni sp r o p o s e d b a s e do ns u c hag u i d e l i n e ，t h i st h e s i s w i l lp e r f o r mad e e p e rr e s e a r c ho fa n a l y s i sa n dd e s i g ni nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ， p r e s e n t i n gt h ea n a l y t i cr e s u l t sa n dc o n c l u s i o no fd e s i g n e ds y s t e mb yt h ee x p e r i m e n t s o f p o w e ra m p l i f i c a t i o na n dd i r e c t i v i t y 1 ) a c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l eo fa u d i ob e a mt e c h n o l o g y ，t h es y s t e m a t i c c o n f i g u r a t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o di sd e s i g n e d ，a n dt h ea n a l y s i sa b o u tt h e r e q u i r e m e n t so fp o w e ra m p l i f i e r i s p e r f o r m e d c o n c e r n e dw i t h t h ef e a t u r e sa n d a p p l i c a t i o n so fa l lt h ec l a s s e so fp o w e ra m p l i f i e r ，as o l u t i o nt h a tc l a s sd d i g i t a lp o w e r a m p l i f i e ri su t i l i z e da st h er e a l i z a t i o no fp o w e ra m p l i f i c a t i o nw i t hh i g he f f i c i e n c ya n d l o wd i s t o r t i o ni na u d i ob e a ms y s t e mi sp r o p o s e d 2 ) t h ep r o p o s e ds o l u t i o no fa m p l i f i c a t i o ni sc o n v e r t e di n t ot h ed e s i g no fc i r c u i t s c h e m a t i c s ，w h i c hi ss i m u l a t e db ym u l t i s i ms ot h a tt h ef e a s i b i l i t yo ft h i ss o l u t i o ni s t e s t i f i e d t h e naf u r t h e rd i s c u s s i o no fr e a l i z a t i o no fa u d i ob e a m ，w h i c hi sd e t a i l e di n i i a b s t r a c t t h ea n a l y s i so ft r a n s d u c e r sl o a d e d ，t h em o d u l a t i o no fs i g n a l s ，t h es e l e c t i o no fk e y e l e c t r o n i cc o m p o n e n t s ，a n dt h ed e s i g no ff u n c t i o n ，c i r c u i t s ，a n dm a t c h i n gn e t w o r k u l t i m a t e l y , t h ed e s i g no fp r a c t i c a lc i r c u i t sa sw e l la st h ep c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) f a b r i c a t i o ni sf u l f i l l e d 3 ) t h ee n t i r ea u d i ob e a ms y s t e mi se s t a b l i s h e db yt h ed e s i g n e dc l a s sdp o w e r a m p l i f i e r a n do t h e rp a r t s f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t so fp o w e ra m p l i f i c a t i o n a n d d i r e c t i v i t ya r ep e r f o r m e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i t i s c o n c l u d e dt h a tt h ec l a s sdp o w e ra m p l i f i e ri sc a p a b l eo fa c h i e v e m e n to fa m p l i f i c a t i o n 谢mm g l le f f i c i e n c ya n dl o wd i s t o r t i o ni na u d i ob e a ms y s t e m ，w h i c hl e a d st o s u c c e s s f u lr e a l i z a t i o no fa u d i ob e a mt e c h n o l o g y k e y w o r d ：c l a s sdp o w e ra m p l i f i e r , a u d i ob e a m ，d r i v e rf o rc a p a c i t i v el o a d ，d r i v e rf o r p v d ft r a n s d u c e r i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：地塑熊 日期：沙彦年6 月2 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：枷刎2 y f 毛 导师签名：勿备钿拗 日期：沙占年占月2 日 第一章绪论 1 1 声频定向系统简介 第一章绪论 声频定向扬声器系统是一种可以使声音只沿固定方向传播的装置。该系统主 要通过超声波在空气中的非线性交互作用产生高指向性的可听声，从而革命性地 使声音信号控制在指定范围内以高指向方式传播。作者所参与研究课题项目旨在 研制一种可产生高指向性可听声的新型声源声频定向扬声器系统。相比于传 统扬声器，声频定向扬声器具有以下特点：1 ) 换能器向空气发射的超声波产生非 线性作用自解调，形成虚拟声源；2 ) 由超声波自解调而产生的可听声具有定向功 能，即只沿指定方向传播；3 ) 可听声由于按指定方向传播，不向其他方向辐射能 量，所以传播距离远。由于以上特点，声频定向扬声器系统作为一种革命性的方 法将声音信号以高指向方式传播给收听者，也是第一种能够完全控制高质量声频 传播方向和位置分布的声音装置。因此，该系统可被应用于各种需要提供私人视 听环境的场合，例如自动取款机( a u t o m a t i ct e l l e rm a c h i n e ，a t m ) 的语音服务系统、 机动车报警器、多国会议、展厅展台、餐厅音响服务、产品介绍、手机及其他消 费电子等，也可以在舞台表演和家庭影院中利用该系统制造出虚拟3 d 音效。 1 2 研究背景 1 2 1 声频定向系统发展背景 虽然声频定向技术在近十年内得到了飞速的发展，但关于声频定向原理的研 究却可以追溯到上个世纪中叶。1 9 6 2 年1 2 月，布朗大学( b r o w nu n i v e r s i t y ) 的物 理学教授p e t e rw e s t e r v e l t 提出了参量声学阵的概念【l 】。在w e s t e r v e l t 的参量声学 阵理论的基础上，1 9 6 5 年，h o b e r k t a y 进一步提出了关于参量声学阵更精确、 更完整的理论解释【2 】。更为重要的是，h o b e r k t a y 推导出参量声学阵的自解调 信号的声压幅值正比于原输入信号包络平方的二次时间导数，这为以后声频定向 扬声器的信号处理提供了理论依据。声频定向扬声器正是利用参量声学阵原理来 产生高指向性可听声的。自w e s t e r v e l t 和h o b e r k t a y 分别于1 9 6 2 年、1 9 6 5 年 相继提出参量声学阵理论以后，参量声学阵以其高指向性在水下声纳技术中得到 电子科技大学硕士学位论文 了应用，这主要得益于其在低频时的高指向性响应特性【3 】。1 9 7 5 年，h o b e r k t a y 及b l a c k s t o c k 在实验中输入1 8 5 k h z 及2 3 6 k h z 信号，最终得到了一个5 k h z 的差 频可听声信号【4 】，从而证实了在空气中应用参量阵的可行性。 2 0 世纪8 0 年代，日本的研究人员首次尝试利用参量声学阵原理制作声频定 向系统。1 9 8 3 年，m y o n e y a m a 和j i f u j i m o t o 两人【5 】首次尝试采用现成的5 4 7 个p z t 双压电晶片组成一个巨大的六角换能器阵列，让其成为一个工作于4 0 k h z 中心频率的声频定向扬声器。 19 8 4 年，t k a m a k u r a 、m y o n e y a m a 和k i k e g a y a 6 j 采用5 81 个p z t 双压电 晶片组成的巨大换能器阵就声频定向换能器的调制信号进行了研究。他们指出超 声波的最佳载波在3 0 , - - 7 0 k h z 之间，并提出了采用平方根法可以大大减小二次谐 波失真。1 9 8 5 年，t k a m a k u r a 、t y o n e y a m a 及k i k e g a y a 7 】进一步认识到电声 效率低是声频定向扬声器的突出问题，因此他们建议通过采用较低的载波频率一 一3 0 l ( h z 来达到提高电声效率的目的。该频率可以在参量阵长度、散射及安全性 上取得一个较好的平衡。更为重要的是他们提出增加声源孔径尺寸可以解决低频 辐射效率低的问题。 1 9 9 1 年，t k a m a k u r a 等【8 】又就合适的载波问题进行了探讨，并提出在没有 输入时抑制载波幅值，使其降低到很低水平，从而可节约大量能量。为此，他们 以多达2 0 0 0 个换能器单元组阵进行实验，并成功使得功率减小6 4 而不使解调 信号降低，但是，同时他们也指出这会引入额外的非线性。同年，k a o k i ，t k a m a k u r a 等人【9 】采用一个由1 4 1 0 个工作于2 7 k h z 3 0 k h z 的发射器组成的巨大阵 列来产生3 k h z 的音频音调。 直至1 9 9 3 年，k a o k i 、t k a m a k u r a 和y k u m a m o t o 1 0 】就声频定向扬声器的 实际应用做了进一步的研究。他们声称最佳载波为3 5 k h z ，并通过实验证实了在 噪声环境下输出信号低，而在安静环境下，传输信号效果较好。 在日本研究人员近十年的研究中，关于声频定向技术中的信号处理、声音失 真校正、电声效率、最佳载波、应用领域等方面的问题得以发现，其相应问题的 解决方案也随之提出。在该领域的研究与系统实现中，由于一些关键技术问题如 换能器阵列方式与一致性、声束定向性、可听声失真、系统功耗等仍未得到合适 的解决，日本研究人员被迫放弃了在空气中实现声频定向技术的研究，但他们的 研究却为以后的研究者提供了研究经验与思路。 进入2 0 世纪9 0 年代末期，美国的研究机构和个人在声频定向技术领域取得 了重大突破。自1 9 9 8 年开始，美国麻省理工学院( m a s s a c h u s e t t e si n s t i t u t eo f 2 第一章绪论 t e c h n o l o g y ，m i t ) 的f j o s e p hp o m p e i l l l 】对超声波声频定向换能器进行了全面的研 究，包括信号处理方法，非线性传播理论，换能器的阵列及其带宽，指向性及抑 制旁瓣等方面。他提出了采用双积分然后开方的声频信号预处理方法，采用了大 带宽静电换能器开发出了声音失真较小的声频定向扬声器系统。通过对信号与换 能器的研究，所开发的系统有效抑制了换能器的发射旁瓣，增强了指向性，可将 3 。宽声束发射约2 0 0 m 的距离。此后，他以此为研究对象完成了其博士毕业论文【1 2 】 并成立了h o l o s o n i cr e s e a r c hl a b s 公司对此类产品继续进行研发。目前，该公司 的产品“音频聚光灯 ( a u d i os p o t l i g h t ) 经在多国会议、展厅等场所得到运 用。 2 0 0 1 年左右，美国a t c ( a m e r i c a nt e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) 公司向市场首次推 出了当时世界上唯一一种名为h s s ( h y p e r s o n i cs o u n d ，超音频声音) 的商业化声频 定向扬声器产品系列【4 】。该公司利用p v d f ( p o l y v i n y l i d e n ef l u o r i d e ，聚偏氟乙稀) 压电膜制作换能器，并创造性地采用真压技术，即将换能器内部抽取真空，使 p v d f 膜在空气的作用下使膜成形【1 3 1 4 1 ，但同时由于p v d f 膜长期在空气压力的 作用下会引起永久变形，使谐振频率发生变化，与调制电路不匹配，从而失去指 向性，这使a t c 公司在2 0 0 4 年将所有产品收回。但a t c 公司成功的将声频定向 技术应用至军事，开发出了l r a d ( l o n gr a n g ea c o u s t i cd e v i c e ) 、m a r d 、 s o u n d s a b e r 三个军用系列产品，成为第一个将该技术用于军事用途的公司。 除美国和日本外，我们的合作单位新加坡南洋理工大学w o o n s e n gg a n 教授 领导的研究小组也是最具有代表性的研究机构之一。自2 0 0 0 年起，该研究小组开 始就声频定向换能器系统进行了研究。 2 0 0 3 年，该小组对声频定向系统的调制算法进行了改进，提出了一种抑制差 频指向性旁瓣水平的算法【1 5 】。他们采用现场可编程逻辑门阵歹o ( f p g a f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea 1 1 r a y ) 技术实现信号的预处理【1 6 】，这种方式较之模拟电路更能 实现复杂信号处理算法，但随着算法复杂度的增加，其所要求的逻辑门将大幅上 升，这使得开发成本也急剧上升，因此目前己转向采用d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) 技术来实现信号的实时处理。从2 0 0 4 年至现在，以南洋理工大学为合 作单位，我们以d s p 平台对声频定向系统进行了全面的研究，并成功制作出了声 频定向系统实验样机。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 2 功率放大器发展背景 对于任何扬声器系统，后级的功率放大器是扬声器振动发声的驱动部件。其 作用是将很小的交变电信号转变为可驱动扬声器的强大信号，并且在转变过程中 要将信号失真尽可能地降到最低。类比到声频定向系统，功率放大器则是超声换 能器的驱动部件，要在失真尽可能低的情况下，向换能器提供足够功率的驱动信 号以使其能正常振动发出超声波。衡量一套音响系统的主要性能一是它的频率特 性指标，包括频率响应、谐波失真度和互调失真度；二是它的时间特性指标，包括 瞬态响应、瞬态互调失真和阻尼系数；三是信号噪声比、最大输出动态范围、最 大功率和效率。尤其第三方面的性能指标主要由功率放大器实现。 传统音响驱动技术的发展使得功率放大器经历了一代代技术的革新，模拟音 频功率放大器经历了近百年的不断改进和完善，已达到其顶峰，再有突破性的进 展已经很难【l7 1 。众所周知，模拟类功放主要使用电子管和晶体管。电子管功放虽 然工作可靠，偶次谐波丰富，听感好，但也有电源利用率低、发热大、体积和重 量大、耗材多、成本高等缺点，在很多场合尤其是专业系统中已被晶体管功放替 代。晶体管功放( 有分离和集成两种) 的最大优点是电源转换效率相对电子管高、 体积较小、重量轻、发热量小和功率大、失真低、寿命长。模拟类功放均是以线 性放大为前提，按静态工作点的设置又可分为a ( 甲) 类放大、b ( 乙) 类、a b ( i 甲乙) 类和c ( 丙) 类放大等四种，它们因工作状态的不同而在声音品质和效率以及散热 等方面有较大的区别。 a 类( 甲类) 的功率管在输入信号的周期内都是导通的，换句话说，a 类功率 放大器在整个输入信号周期内都有电流连续流过功率放大器件【l 引，它可在单管单 端、也可在双管推挽下工作，各种失真( 除非线性失真外) 是最小的，音质是公认 一流，但它的电转换效率最低，约1 5 左右，所以它的优点是输出信号的失真比 较小，缺点是输出信号的动态范围小、效率低，最高效率也只有4 5 左右，并且 要配备裕量很大( 十倍于输出功率) 的电源变压器，发热量也最大，对散热的要求 也很高，生产成本较高。 b 类( 乙类) 的功率管在输入信号的半周期内导通，即在整个输入信号周期内 功率器件的导通时间为5 0 ，它一定要用两管推挽工作，b 类放大虽然效率可达 5 0 - - 6 0 ，散热要求也较低，但失真( 尤其是交越失真) 比a 类大许多，适合大功 率输出的场合。 a b 类( 甲乙类) 功率放大器是以上两种放大器的结合，也是用两管推挽工作， 4 第一章绪论 导通时间略大于半周期，它可避免交越失真和偶次谐波失真，但交替失真较大。 a b 类功放虽兼顾a 类和b 类的优点，在设计该功率放大器时要设置功率晶体管 的静态偏置电路，使其工作在甲乙类状态，但实际上要做到音质优美仍然是尽量 向a 类状态靠拢，这时效率和散热仍然是两大困扰。 c 类( 丙类) 输出效率虽然非常高，但它的失真也非常高，只适合在通讯上使 用，并不适于h i f i ( h i g h f i d e l i t y ，高保真) 放大。a b 类和b 类推挽放大器由于有 失真相对小、效率相对高、散热问题容易解决等优点而成为当前模拟功放的主流， 但它们工作状态选择不当时容易产生交越失真和交替失真，而后者更会产生用传 统的正弦波谐波失真测试方法不能反映的含有许多高次谐波的脉冲尖峰之瞬态互 调失真，这是晶体管放大器音质不及胆机柔和动听的主要原因之一。 随着电子技术日新月异地发展，电子产品正在向薄型化、便携式迅速发展， 由此人们对音频功率放大器提出了非常高的要求。因为移动设备受电池容量、散 热、体积的限制，对音频功率放大器要求高效节能、发热量少、体积小、便于集 成。由于模拟功率放大器的共同特点是晶体管都工作在线性放大区，晶体管的损 耗较大，自身发热较高，放大效率相对较低，不能满足现代电子产品的高要求。 因此，数字功率放大器以其自身独有的高放大效率，越来越多地受到人们的关注。 数字功率放大器中，最为典型的要属d 类( 丁类) 功率放大器。该类功率放大 器比较特殊，它只工作在两种状态完全导通与完全断开。因此，当输入的模 拟信号被以某种方式调制成高速开关式脉冲信号后，直接控制放大器件的通断， 使其工作在高速的开关状态，理论上其效率可达1 0 0 。其不足之处会产生高频 干扰及噪声，但若精心设计低通滤波器及合理选择元件参数，其音质效果完全能 与a b 类线性功率放大器相比拟。 d 类放大器由于工作在开关状态，作为控制元件的晶体管本身消耗功率较低， 功放的效率高，实际效率可达9 0 以上，因此能极大地降低能源损耗，减小放大 器体积。近几年，工业控制上快速低电压控制大电流的m o s f e t ( m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) 管也已用得很普遍，该管开关特性、导通饱 和压降和截止漏电流特性都大大改善，应用到音频开关放大器上，能大大提高其 可靠性和保真度。故d 类放大器在便携式设备上的应用具有很大的优势，受到许 多开发商的青睐。d 类功放虽然也被称作数字化功放，但在电路设计上绝不像纯 粹的数字电路那么简单，也不是直接采用一两块芯片就认为设计大功告成。以数 字手段实现模拟功能，仍然需要考虑许多模拟方面的因素，其控制方式、元器件 选择、电路板布局是直接影响其高保真度性能的关键因素。 电子科技人学硕士学位论文 有关d 类功放的理论提出已有近半个世纪【1 9 j 。在1 9 7 0 年，金属一氧化物半导 体场效应管( m o s f e t ) 出现后才投入实际性开发。早期的主要缺点是失真度高， 后来在控制芯片和功率器件模块化后性能有所提高，才得以投放市场【2 0 1 。由于当 时技术条件的限制，d 类功放进展一直较慢。最早的商品化d 类功放是恩特公司 在1 9 7 4 年发表的2 5 0 w + 2 5 0 w 8 q d 类功放，它采用功率放大用平面型晶体管， 开关频率5 0 0 k h z ，配用2 5 k h z 的开关电源，不过此机销量很少，可能是当年所 用的晶体管制造工艺不过关成品率低的原因。1 9 8 3 年，m b s a n d i e r 等学者提出 了d 类脉冲编码调锖1 ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ，p c m ) 数字功放的基本结构，要点是 把p c m 信号变成脉冲宽度调带l j ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 信号，方法之一是 把市电整流为高压直流电，二是通过高速转换开关控制系统转换出p w m 信号( 即 高电压高频率的方波) ，开关工作频率可以设定为数十千赫兹到数百千赫兹，再将 p w m 方波信号传到一个高精度变压器，三是经变压器转换后输出的p w m 信号 和输入的音频信号比较放大，变成p w m 音频信号，最后把经放大的p w m 信号 滤除高频后驱动负载。 美国和丹麦合资的t a c ta u d i o 公司是d a l i ( 达尼) 音箱的创办人p e t e rl y n g d o r f 在1 9 9 8 年创建的新公司，专门研究数字功放。丹麦天才电子专家l a r sr i s b o 向 p e t e r 提出不需要将数字信号转换成模拟信号进行放大的全新理念放大器设计，该 设计消除了传统放大器低效率、模拟失真和发热大的缺点，没有d a 转换过程产 生的失真，这就是t a c ta u d i o 数字放大器配备的e q u i b i td s p 技术。1 9 9 9 年底， t a c t 推出有深远影响力的第一款数字功放m i l l e n n i u m 。该机厚重而富个性，它的 面板只有圆形显示屏和一个大型音量控制环，机内两侧的直立散热铝板。 m i l l e n n i u m 用8 倍超取样将取样频率提升到3 5 2 8 k h z ，把输入的1 6 b i t 信号转换 成p w m 信号，再用a e ( d e l t a - s i g m a ) 调制出2 5 6 种脉冲宽度，它的核心是专利的 e q u i b i td s p 等比特数字信号处理器内置等比特处理器、数据率处理器、8 倍 超取样数字滤波器、噪声整形和舍位电路，输出模块是接成全桥的4 只大功率 m o s f e t 管，它们将p w m 信号放大后提高驱动扬声器，不需要d a 转换，是真 正数字放大器。不过它的数码输入只对应1 6 b i t 的p c m 信号，额定功率1 5 0 w 8 t ) 、 2 5 0 w 4 f 2 ，失真为0 0 1 5 ( 2 0 h z 2 0 k h z ，1 5 0 w 8 f 2 ) 。最早展出的m i l l e n n i u m 数 字功放采用的是丹麦t o c c a t at e c h 公司的e q u i b i t 和e q u i l o g 技术和模块， 不过t o c c a t a 已经变成t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ，德州仪器) 公司的数字扬声器部门， t i 设立数字扬声器部是专门应对需求量大、利润丰厚的电脑扬声器功放和通讯、 控制用、家庭影院用、车载音响领域，它们主要是使用小功率p w m 技术的小功 6 第一章绪论 率应用。 当代最有创意与才华的音响设计家之一p a u lm c g o w a n ，于上世纪7 0 年 代在美国成立了p sa u d i o ，p sa u d i o 在2 0 0 0 年染指d 类放大器，推出名为s d a t 的d 类输出级，代表作是h c a - 2 后级，该机在8 q 下输出1 5 0 w ，售价不足1 7 0 0 美元，登上了发烧天书2 0 0 3 年十月号器材榜a 级。2 0 0 4 年，p sa u d i o 发布了称 为g a i nc e l lt e c h n o l o g y 的专利模块，它将音频增益与放大都放入其中，主要功能 是控制音频增益放大，全平衡式设计，以电压方式输入，电流方式放大，并全部 在模拟状态下工作，与数字没有关系。不过，p sa u d i o 却为这种模块配备了不同 功率输出的s d a td 类输出级组合完整的放大器，其型号是g c p 2 0 0 前级，输出 功率分别是为1 0 0 w 、2 5 0 w 、5 0 0 w 的g c a 1 0 0 、2 5 0 、5 0 0 后级和具有同等输出 的g c c 控制放大器1 0 0 、2 5 0 、5 0 0 。 j e f f r o w l a n d 是最早做数字功放的h i e n d 名厂之一。m o d e l3 0 2 数字功放是该 公司在于2 0 0 2 年推出的新一代顶级放大器3 0 0 系列中的第一台作品。它的铝制外 观豪华而稳重，机内采用分隔加强的“h ”型结构，由于d 类功放的热量低，它 左右两侧的散热器是装饰效果多于实用。m o d e l3 0 2 的放大线路是丹麦b & o 的 i c ep o w e r 功率模块，放大级和推动级都是开关式，开关速度是4 5 0 k h z ，频响平 直地由d c ( d i r e c tc u r r e n t ) ：至06 0 k h z ，它每声道只用了一枚三极晶体管输出 3 0 0 w 蹦s ( 8 q ) ，这是一个效率达到9 0 的d 类放大线路，它与一般的d 类放大开 关供电固定在6 0 k h z 不同，它的开关供电频率属于可变频率式开关 ( 1 2 0 k h z l m h z ) ，比著名的h a l c r o 还高，减少了对音质的影响。 1 9 9 5 年成立于美国加州s a nj o s e 的t r i p a t ht e c h n o l o g y 公司的技术专长是数 字信号处理技术以及设计混合信号处理和功率集成电路。d 类放大是采用输入信 号与三角波对比的方式来进行p w m 转换，转换的准确性会受到三角波形的影响， 波形的大小、形状有偏差时，p w m 的误差会变大。针对d 类放大的问题，1 9 9 7 年，t r i p a t ht e c h n o l o g y 公司对d 类做了改进，采用了在模拟信号输入后做 方式的a d 转换，把信号变成l b i t 数字信号再把数字信号转换成p w m 信号的做 法，工作原理为模拟l b i t p w m 转换，这种做法的转换精确度比d 类设计要高 不少，交越失真更低、效率更高。成功后，t r i p a t h 注册了专利并独家生产相关的 模块组件。为了区别于市场上各种d 类功放，t r i p a t h 以该公司名称的开头字母称 为“t ”类功放。索尼、夏普、马兰士、苹果、b & w 、b e lc a n t od e s i g n 、a u d i os o u r c e 等都在自己的高级产品中应用t 类放大，如苹果的p o w e r m a cg 4 电脑的哈曼卡 顿音箱的放大器就采用了t 类放大芯片；马兰士也选用最新的t 类l b i t 放大模块； 7 电子科技大学硕士学位论文 索尼和夏普虽有自己的数字放大技术，但仍然将t 类技术用于自己的产品，可见 t 类有相当的优势。遗憾的是，由于公司产品的高成本和市场占有率的持续低下， t r i p a t h 公司已于2 0 0 7 年倒闭。 索尼s - m a s t e r 数字功放技术也令人瞩目，体积比香烟盒还小，但却能作百瓦 的立体声输出。早在1 9 7 5 年，索尼已推出d 类放大器，它也是p w m 调制，功 率管是用v f e t 场效应管，功率为1 5 0 w + 1 5 0 w 8 t ) ，1 9 7 7 年又推出型号为t a n 8 6 的d 类1 6 0 w 2 ( 8 q ) 功放，不过由于音质不理想而没能继续发展。近几年推出的 s - m a s t e rp r o 是一种全数字放大技术，它直接输入s a c d 、c d 等数字信号源，从 输入到输出都以数字的形式来进行传输放大。 夏普的l b i t 数字放大也不可忽略。夏普是日本最早开发l b i t 数字放大器的厂 家之一，1 9 9 1 年就开始与早稻田大学合作开发数字放大器，第一台产品是1 9 9 9 年推出的s m s x l 0 0 。该机有输入选择与音量调整，它的最大特点是将数字信号 直接输入后以独特的6 4 f s a e 调制l b i t 放大信号，在推动音箱的输出级是数字直 接放大，因此能称为数字放大器【1 7 】。除以上所介绍的一些公司以外，世界上其他 一些公司也相继加入数字功率放大器的开发中来，如著名的半导体芯片生产商 c i r r u sl o g i c 的产品是以c r y s t a l 、m a v e r i c k 和3 c i 为注册商标上市的，开发出“纯 数字 p w m 技术声称将p w m 电路的电磁场及射频干扰减少，它的产品系列有 小于1w 的单芯片、2 0 0 w 的多芯片或模块，以及达2 0 0 0 w 的大功率芯片或模块。 美国a p o g e et e c h n o l o g y 公司也研发推出d 类的变种d i r e c td i g i t a la m p l i f i c a t i o n ( d d x ) 直接数字放大技术。它由s t m i c r o e l e c t r o n i c s 特许生产的专用集成电路组 成，结合了a p o g e ec m o s 技术和s t 双极c m o s d m o s ( b c d ) 技术，将c m o s 器件和功率d m o s 器件制作在同一芯片上，而且d d x 的阻尼三态p w m 方案还 进一步提高了效率。同时，a p o g e e 还在它的内部设置了控制处理功能执行基本 d d x 调制和其他环绕声、音调和音量控制的d s p 基信号处理功能，其他厂家购 买芯片就可以自行生产数字放大器。德国专业音响器材生产商b e h r i n g e r ( 百灵 达) 也开发出自己的数字放大器，其c o o l a u d i o 的超大功率( 4 0 0 0 w 的有效连续功 率) 就采用d 类技术，使用芯片是h c a 8 0 0 1 。另外，b e h r i n g e r 也供应驱动模 块。而m i c r o s e m i 公司也推出了称为a u d i o m a x 的l x e l 7 1 0 套件的d 类p w m 高 效音频电路。 我国数字功放的开发很晚，基本是吸收国外公司的模块技术经改良再重新开 发，如成都天奥电子公司在1 9 9 7 年开始开发，算是国内最早的厂家，拥有成熟的 数字音频功率放大解决方案，产品可靠性和成本控制等方面有一定的优势，公司 第一章绪论 数字功放处理i c 和数字功放模块已广泛应用于d v d 、汽车音响、家庭影院、专 业音响和背投电视等领域。它的数字功放采用了独创的、具有自主知识产权的 d p a 数字音频处理技术( 带多脉宽脉冲差值编码、平衡电桥、脉冲速推等技术) ， 失真小，能量转换效率高，耗电仅为同功率模拟放大器的三分之一，有不错的性 能和可靠性。 总结以上数字功率放大器的发展过程，可以用三个阶段来概括： 第一代的d 类功放的出现证实了其概念与能力，但离实用性还有不少路要走。 1 9 9 9 年底，丹麦和美国合资的t a e ta u d i o 公司推出了创新的h i f i 数字功放t a c t m i l l e n n i u m ，这是走向市场的标志。 第二代d 类功放通过改进体积和低功耗性能并令价格合理而得到消费者的认 可。第二代的d 类功放针对制造商提供了一系列产品，比如一个典型器件是把相 对简单的p w m 和集成的输出级以及外置滤波器组合在一起，某些厂商，特别是 t i 、a p o g e et e c h n o l o g y 和c i r r u sl o g i c 很重视用于p c m 源的带片外输出级的放 大器，这些放大器需有更复杂的前置功能，包括有源选择、音量、平衡和音调控 制，这些附加的功能增加额外的复杂性。但事实上，将p w m 调制和控制部分与 功率组件集成在一片上的芯片只能适合较小功率的放大器，而如果将控制部分单 独集成就不必用散热板，这使得整机的设计更加简便。对于2 0 0 w 以上的大功率 数字功放来说，这种分开的结构对缩小体积的效果很明显。越来越多的几十瓦的 数字功放目前开始运用独立控制部分方案，这样做还有一个优点是后接的大功率 m o s f e t 选