（精密仪器及机械专业论文）基于广义预测控制的数字功放模块设计.pdf

摘 要 i 摘摘 要要 随着微电子技术及半导体工艺的飞速发展，电子产品小型化、模块化及集成 化已成为主流发展趋势，功率放大器也在这种趋势中不断地更新换代。音频调制 技术和数字补偿技术的发展和完善使 d 类功放的音质得到了明显的改善和提高， 借助于低功耗及体积小的优势， 数字功放逐渐地取代模拟功放而成为功放市场的 主导。然而相对于高端专业的功放领域应用而言，数字功放的音质表现出了不足 之处。因此，追求低功耗、大功率及小型化的同时，设计一种高保真度的数字功 放成为主要研究内容。本课题的研究是设计一种新型的 d 类放大器，既能实现低 功耗和大功率又能保持高质量音频信号输出。 在查阅大量文献的基础上， 介绍了目前的模拟类线性功放及非线性数字功放， 分析并比较了其优缺点，突出了 d 类功放的优势。同时阐述了传统数字功放的工 作原理，进而引出新型数字功放的设计研究。鉴于国内外汽车行业迅猛发展及人 们对娱乐驾驶的要求，着重讲述了数字功放在汽车音响领域的应用。 基于新型数字功放原理， 本文提出利用广义预测控制算法来改善数字功放系 统性能的方案，并建立了数字功放系统的广义预测控制状态方程模型。整个系统 包括信号处理模块、驱动电路、功率开关级放大电路、输出滤波器及反馈信号检 测电路。dsp 利用检测到的反馈电压和电流信号以及输入的音频信号，采用广义 预测控制算法计算出需要输出的 pwm 的占空比，从而输出该占空比的 pwm 信号。 由驱动模块和开关级将 pwm 信号进行放大，然后经过 l、c 组成的低通滤波电路 后输出，从而实现驱动大功率的负载。从低通滤波器反馈的电压和电流信号又经 过 adc 采样转换后输入到 dsp。通过配置和调试 dsp 的多通道缓冲型串行接口 (mcbsp)及 pwm 模块，保证 dsp 能够正确接收数据和输出 pwm 信号。 利用cadence软件的pspice工具对前级模拟信号放大电路进行设计和仿真， 仿真结果表明模拟放大电路能够保持很好的频率响应特性，满足系统设计要求。 同时通过 matlab 软件对模型进行仿真，验证采用广义预测控制算法能够抑制电 源噪声并降低开关管切换时间、 电压和电流检测误差及元件参数漂移对输出的影 响，减小系统的失真度，提高数字功放的音质。 关键词：关键词：数字功放 dsp 广义预测控制 pwm abstract ii abstract with the rapid development of microelectronic technology and semiconductor technology, miniaturization, modularization and integration of electronic products have become the mainstream trend. and the power amplifiers also have been updated constantly. the developed and perfected techniques of audio modulation and digital compensation has significantly improved and enhanced the class d amplifiers tone quality. and gradually replacing analog amplifier, digital power amplifier will become the market leader by means of low power consumption and small size. however in the field of high-end professional applications, digital amplifiers performance cannot meet the requirements. therefore, when we are in pursuit of lower power consumption, high-power and small size, designing a high fidelity digital amplifier become the main research. research of this subject is to design a new class d amplifier to maintain high-quality audio signals while achieve both lower power consumption and high power performance. by consulting a large number literatures, i introduce the current class about linear power amplifiers and nonlinear analog digital amplifier and compare their advantages and disadvantages, highlighting the d class amplifiers advantage especially. in the meanwhile, the working principle of conventional digital amplifier is illustrated, and then this paper leads to the new design of digital power amplifier. in consideration of the rapid development of domestic and international automotive industry and the entertainment requirements when people drive cars , the digital power amplifier application in the field of car audio is described emphatically. based on the principle of new digital power amplifier, this paper proposes to use the generalized predictive control algorithm to improve system performance, and establishes the digital amplifier systems state equation model based on generalized predictive control algorithm. the system includes signal processing module, drive circuit, power switching stage circuit, the output filter and the feedback signal detection circuit. dsp takes the detected feedback voltage and current signals and the audio signal as input signals, then calculates the output of the pwm duty using the generalized predictive control algorithm. the pwm signal can be amplified by the drive module and switch-level. the pwm pass through the low-pass filter circuit which consist of l and c abstract iii components, and then drive the high-power load. the feedback of voltage and current signals from the low-pass filter will be converted to digital form by an adc. by configuring and debugging the dsps multi-channel buffered serial interface (mcbsp) and the pwm module, dsp can be ensured to receive data and output pwm signal correctly. the cadence softwares pspice tool is used to design and simulate the former level analog signal amplifier circuit. the results of simulation show that the analog amplifier circuit can maintain a good frequency response to meet system design requirements. at the same time, the model is simulated by making use of matlab software to verify the generalized predictive control algorithm which can suppress noise and reduce the power switch time, the detection errors of voltage and current and component parameter drifts to impact on output, to hit the target that this algorithm can reduce the distortion of the system and improve the digital amplifier sound quality. key works：digital amplifier, dsp, generalized predictive control, pwm 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。 与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文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也遵守此规定。 作者签名：_ 2011 年 5 月 20 日 第 1 章 绪论 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 选题背景与意义 随着微电子技术及半导体工艺的飞速发展，电子产品小型化、模块化及集成 化已成为主流发展趋势 1，高速、大功率、低功耗成为性能追求的主要指标。音 频功率放大器也伴随着制造工艺和技术的发展而不断得到更新。 功率放大器分为 模拟功率放大器和数字功率放大器，数字功率放大器又叫 d 类功率放大器。模拟 功放属于线性功率放大器，功放管正常工作在线性区，虽然工作性能可靠，音质 好，但同时具有发热大、体积大、能源利用率低、成本高等缺点 2。d 类功放属 于非线性功率放大器 1,其工作只处于通和断两种状态3， 当晶体管处于导通状态 时内阻为零,没有压差；处于截止状态时内阻无穷大，无电流流过，所以理论上 能够达到 100%的效率 4。 但由于制造工艺和材料的限制，晶体管本身不可能达到 零内阻，因此会有较低的功耗，但仍可达 90%以上的效率 5，在很大程度上降低 了功耗；使用时也只需很小的散热器甚至不需要散热器，减少空间体积，降低成 本。 近几年，随着数字功放技术的发展和完善，数字功放实现了从几瓦几千瓦 的不同功率量级的输出。 数字功放被广泛应用于各个数字领域实现了该技术的商 品化，如小功率的 mp3、手机、笔记本电脑等；大功率的汽车音响系统、演唱会 等大型场合的大功率专业音频功放。 一些终端设备的集成化也加速了数字功放的 发展。伴随音频调制技术和补偿技术的发展 6，d 类功放的音质得到了明显的改 善和提高，借助低功耗及体积小的优势，今后必将取代模拟功放而成为功放的主 导，实现功放的绿色革命。 1.2 数字功放的现状及发展趋势 1.2.1 国内外数字功放研究现状 数字功率放大器的结构在 20 世纪 60 年代被首次提出， 当第一只场效应功率 管于 70 年代在日本投入生产，由此引发了更宽频带的数字功率放大器 6 开发热 潮。 m.b sandler 等国外学者在 1983 年提出一种 d 类 pwm 功率放大器的设计方 案，其核心思想是将脉冲编码调制信号(pcm)变换为脉冲幅宽调制信号(pwm)， 第 1 章 绪论 2 利用脉冲的占空比来表示信号的电压幅值。 但这种方案仅能实现低位的音频转化， 而 16bit 采样转化放大器难以实现。伴随数字信号调制技术和数字信号处理技术 的广泛应用，以及高性能开关器件的相继出现，16bit 的数字音频功放得以实用 化 7。1998 年中国的成都天奥公司推出了拥有自主知识产权的数字功放，向世界 展现了中国的高新技术产品 7。1995 年松下公司开发出了 pdm 方式的数字功率 放大器，这种功率放大器是基于 1bit -型 adc 转换原理的 8。在 90 年代末， ti、索尼等公司利用集成电路技术 8对数字功放的集成化做了大量的研发，并推 出了相关产品。随后美国 tact 公司推出了引领数字功放进入专业音响领域的 tact audio“黄金时代” 3。索尼的 s-master 数字功放产品能够在体积和音质 为消费者找到一个平衡点。 意法半导体stm推出的ddx音频放大器 sta333bw 是一款高效的音频放大器， 它直接将数字信号转换成功率信号而不需要进行 d/a 转换 9。 迄今为止 d 类功放经历了三代的发展。第一代 d 类功放的设计验证了数字 功放思想的可行性，由于技术所限，产品性能方面满足不了要求，但开辟了数字 功放应用于实际的一条崭新的道路 5。 第二代 d 类功放集成了 pwm 信号源和输 出级以及外设滤波器。此类功率放大器需要选择输入音源， 并且具有了音量大小 的控制及一些简单的音效处理等附加的前置功能， 从而增加了这类功放的复杂程 度。但由于集成度比较高，功率较小，不需要散热片，使整机体积更小更简单， 节省了成本，因此成为音频市场的一个极具潜力的成长对象。第三代类功放因 为制造工艺技术及数字处理技术发展和应用，解决了二代设计中的一些缺陷， 在 音质、结构和成本等方面有重大的突破，产品更符合市场的要求 5。 目前在数字功放领域，按照输出功率可分为三种：数字功放芯片(ic)、数字 功放模块以及数字功放整机。 这三类数字功放产品覆盖几瓦到几千瓦输出功率的 范围，基本上能够达到各种音频后级功率放大的要求 6。 半导体制造工艺的飞速发展，带动着数字功放 ic 在音频领域中大规模地应 用。迄今，大多数半导体公司都开发出了数字功放 ic 产品，如全球知名的德州 仪器公司(ti)的 tpa3008d 和恩智浦公司(nxp)的 tda8920bth 等 ic 产品。 数字功 放 ic 主要面向几十瓦以下的小输出功率对象应用。 数字功放 ic 能够对输入信号 进行调制，能够抑制共模信号；同时还具有过流和过载保护功能，防止元件和电 路的损坏。功能的高度集成化使得设计一个完整的功放系统极其简单，仅配置少 量的外围元件就可完成。数字功放 ic 体积小及无需散热设备等优点促使其在笔 记本电脑、手机、mp3 等便携设备中应用极大地节省空间体积，减小设备功耗， 延长使用时间。图 1.1 显示了数字功放 ic 构成的最小系统。 第 1 章 绪论 3 图图 1.11.1 tda8920bth 最小系统 10 数字功放模块是一种将开关电源和数字功放集成在一起的功率放大模块， 其 输出功率一般为 100 瓦到 1000 瓦， 介于数字功放 ic 和大功率专业数字功放整机 之间的中等功率。数字功放模块具有质量轻、小尺寸及效率高等优点 11；无需散 热设施，而且还具有过热保护、过流和欠压保护功能；全桥拓扑结构的应用能够 有效地抑制共模噪声， 使输出信号受外界因素更小。因此数字功放模块在汽车音 响系统、公共广播系统、调音台等设备中得到广泛地应用 12。目前丹麦的 icepower公司和意大利的powersoft公司成为数字功放模块产品生产领域中的佼 佼者。 其中 icepower1000asp 模块为 icepower 公司最具有代表性的产品， 该模 块的输出功率可达 1000w4ohm， 总效率达到 80%， 失真度典型值为 0.01% 13。 图图 1.21.2 icepower1000asp 模块 13 大功率数字功放整机输出功率一般达到 2000 瓦以上。 意大利 powersoft 公司 生产的 digam k 系列产品是开关模式功放的一座新里程碑。 它的机架单元轻巧 实用，一个机架单元就能提供前所未有的强大功率。digam k 系列产品的音质 也成为专业音响市场上的一个新航标。digam k 系列的五个型号提供不同的额 第 1 章 绪论 4 定功率，范围从 2900w(8)到 29000w(2)，桥接更高达 18000w(4)。 digam k 系列产品已成为 powersoft 公司的旗舰产品，被誉为全球音频功放市 场上的“顶级”产品。digam k 系列产品具有很好的音频性能指标，互调失真度 小于 0.05%，信噪比大于 110db，功率因数大于 0.95。其体积仅重 12 公斤，并 且能够适应 95v-265v 的全球交流电源。大功率专业数字功放整机特别适合流动 性强的应用场合，凭借体积和重量的优势带来极大的方便。 图图 1.31.3 digam k 系列大功率数字功放整机 通过对以上三种不同输出功率级别的数字功放产品的描述， 数字功放在专业 领域及普通应用中已经占据大部分的市场 13。 1.2.2 数字功放的发展趋势 随着数字音频技术的发展，d 类数字功放的技术越来越成熟和完善，但与传 统模拟功放相比较仍存在着 emi 辐射、音质和成本等问题，而这些不足也同时 决定着数字功放今后的发展趋势。 1.2.2.1 降低 emi 辐射 由于 d 类数字功放是通过可变脉宽的固定载波频率 pwm 信号来控制开关 管工作，因此会产生固定频率的 emi 辐射。同时还会在开关频率及其谐波频谱 成分上出现高频能量，产生多次谐波辐射。 因此数字功放必须要解决 emi 电磁 干扰对系统性能的影响。 新一代 pwm 调制器的一个重要特点就是采用了扩频调 制机制来减小这些辐射 emi。 扩展频谱调制技术在不改变原始音频信号内容的前提下扩展 pwm 信号的 频谱能量。 将中心开关频率附近按一定比率扩展，然后在该范围内对控制全桥的 pwm 信号进行调制。调制后的 pwm 信号其任何一个边沿都是随机不重复的， 这种改变信号边沿位置的变频方法能够极大的降低载波频率上的辐射能量。 因此 采用这种调制技术不仅能够有效降低电磁干扰和辐射噪声减小系统失真， 而且保 证总频谱能量不变 13, 14。 1.2.2.2 提高音质 目前虽然数字功放已能够满足大众消费及一些专业领域对功率放大器性能 第 1 章 绪论 5 上的要求，但相对比性能优质的模拟功放在高端应用场合中仍有不小的差距， 所 以须采用必要的处理技术来改善性能以提高数字功放的音质。 d 类放大器进行音 频信号采用和传输都是在时钟的驱动下完成的， 因此抖动的采样时钟成为系统的 一个噪声源。 因为数字功放系统中所使用的时钟信号一般都是由系统时钟进行分 频产生，由石英晶振等能够产生稳定的系统时钟源，但经过多个功能模块后得到 的音频时钟会产生很小的抖动，从而影响整个数字功放的性能。一种方法是采用 集成高性能采样率转换器(src)技术能够解决时钟抖动的问题。src 使用如石英 振荡器等稳定的时钟源来同步音频时钟，使调制器的输出与其他时钟独立。 此外 还可以集成高端 d a c 所采用高阶-处理技术，减小采样误差并降低调制误 差的内部反馈，改善 d 类放大器的音频质量 14。 1.2.2.3 电源抑制 d 类数字功放输出级的开关频率能够达到数百千赫兹，因此 d 类数字功放 的电源质量更加敏感。要能够精确地产生这样高频的方波，电源必须能够非常迅 速地增大或减小电流而不引起振铃或输出电压降低。 这就要求电容器能够保持足 够的电荷以避免浪涌电流造成电源电压下降。 因为任何寄生电阻或电感都会阻止 所存储电荷的快速释放，因而这些电容器的有效串联电阻(esr)必须非常低。仅 增加一个与电解电容并联的低 esr 小电容是不够的，因为全部输出功率要在极 短的脉冲中释放，所有电容都必须是低 esr 的。由于有效地采用电源作为参考 电压，许多数字功放没有电源抑制(psr)，为避免来自主电源或信号调制而产生 的音频纹波，电压必须要调理，通常需采用 psr 反馈进行降噪。 开关电源因其转换效率高，重量轻及体积小等优点，越来越多被 d 类功放 选择作为供电电源。 由于开关电源具有经常工作在高频范围的内置快速负载调节 功能，因此不需要线性调压器，有助于缩小存储电容器的容量和体积，进一步减 少了冷却的要求。开关电源和 psr 反馈能够极大的抑制由于开关管工作于高频 状态带来的输出纹波及噪声电压对系统的影响，改善了类功放的输出性能。 1.2.2.4 降低系统成本 现今大多数类功放均采用全桥功率放大级结构， 这在一定程度上增加了系 统的成本。 为了降低成本，消费电子产品设计人员在功率放大级采用半桥拓扑结 构， 简化了器件结构， 减少材料消耗，从而解决了 d 类放大器成本偏高的问题。 半桥结构的开关级输出仅为普通全桥输出的一半，mosfet 管和外接滤波器件 的数目也减少了二分之一。器件数目的减少不仅有利于降低成本，而且有利于节 省器件的所占的空间体积，简化设计的复杂性，减少每个功率后端器件的通道数 目。 但半桥放大器输出时需要一个隔直流电容器，而且极容易受到交流电源轨的 第 1 章 绪论 6 影响而产生噪声 14，因此需要在成本和性能要求之间找到一个平衡。 1.3 本论文研究内容 本课题主要是设计一种基于数字信号处理器(dsp)的数字功放模块的方案。 利用 dsp 的 pwm 模块输出 pwm 信号，采用广义预测算法进行闭环反馈，输 出更精确的音频信号，有效地改善音质效果。 主要工作包括： (1)设计后级处理模块的原理图，pcb 制版； (2)编写 dsp 处理程序； (3)进行整机调试； (4)修改和完善设计方案。 1.4 论文的章节安排 本文的主要内容如下： 第一章绪论部分，主要介绍了课题背景及意义，简述了 d 类功放的国内外 研究现状及发展趋势。 第二章主要介绍音频功率放大器的分类和 d 类功放的工作原理；然后介绍 数字功放在汽车音响系统中的应用。 第三章介绍设计这种方案的理论依据， 并基于广义预测控制算法建立数字功 放的数学模型。 第四章给出后级处理的电路原理图设计。 第五章讲述整个 dsp 程序的处理流程及硬件配置。 第六章侧重描述整机调试过程中采用的调试手段， 遇到的问题及解决的方法。 第七章总结了课题的工作，提出一些改进建议以及进一步的工作。 第 2 章 音频功率放大器 7 第第 2 2 章章 音频功率放大器音频功率放大器 2.1 数字功放的分类 2.1.1 a 类模拟功放 a 类模拟功放又叫甲类功放，一般选择负载线的中间作为其静态工作点 5， 在输入信号的整个周期内输出器件均有电流连续流过， 能够保持良好的线性工作 状态 9，是一种优质的线性放大电路。a 类功放可以是单管单端工作，也可以是 双管推挽工作， 不会产生交越失真和开关失真， 通过有效地控制偏置和动态范围， 便能够使各种失真达到最小，具有很好的保真度，一般应用于高档专业音响。由 于 a 类功率放大器在工作时电源持续提供功率，所以无论是否有输入信号均有 电流流过晶体管，当有信号输入时，电源输送给负载的功率随着信号电压幅值的 变化而改变，信号幅值越大则输出功率越多，但仍大部分转换成热能耗散；当没 有信号输入时，电能全部转换为热能。所以 a 类功放的电能转换效率极低，一 般只能达到 15%左右，理想情况也只能达到 50%，对于电池供电的应用很不实 际。a 类功放发热量很大，对散热的要求很高，所以要保持电路的安全性和可靠 性就必须采用大型散热设施，因此增加了生产成本和空间体积 9。 图图 2.12.1 a 类模拟功放 15 a 类功放的效率计算： = = 1 2 2= 1 (1+/)(1+2) 16 (2.1) 其中： a 类模拟功放的效率 输出负载功率 电源提供的功率 第 2 章 音频功率放大器 8 信号电压幅值 电源电压 晶体管导通电阻 负载 电流比例系数 2.1.2 b 类模拟功放 b 类功放也称为乙类功放，是一种互补式输出结构，处于工作状态时晶体管 只在输入信号的半个周期导通，在另外半个周期内截至，这就弥补了 a 类在整 个工作状态下一直有电流流过的缺陷 5。b 类功放的工作原理就是将静态工作点 q 选择在接近零点处，并采用两管推免结构，当有信号输入时，在每半个周期内 仅有一臂导通而另一臂截止，最后组合得到与输入信号相近的波形 9，电源提供 的功率和晶体管消耗的能量也随着输入信号的幅值而变化；当没有信号输入时， 电源的输出功率为零。这就极大地改善了 a 类功放效率低下的状况，理想输出 效率可达到 78.5%。b 类功放的发热量相对于 a 类功放而言大大减小，因此可以 使用较小的散热器，节省了空间体积。 b 类功放主要的特性就是没有固定偏置电压， 当输入信号幅值小于某一电压 值时（一般为 0.7v） ，晶体管处于截止状态，没有输出。只有当输入信号电压大 于某一电压值时，放大器才开始工作，输出端才有信号输出。于是在两个晶体管 轮换导通与关闭过程中就产生了交越失真，而且输入信号越小，失真就越严重， 造成音乐细节丧失， 小信号变得模糊， 因此 b 类放大器音质较 a 类功放要差 9。 图图 2.22.2 b 类功放 15 b类模拟功放的效率计算： = 1 1+ / 16 (2.2) 2.1.3 ab 类模拟功放 第 2 章 音频功率放大器 9 鉴于 b 类功放存在交越失真的缺陷，在晶体管加一个略低于门限电压的偏 置电压，使得晶体管在静态输出级电流略大于零，能够保证小信号输入时晶体管 也能导通，输出端有信号输出，这样的设计促使晶体管在大半个信号周期内处于 导通状态，有效地解决了交越失真的问题，这就是 ab 类功放或称甲乙放大器。 与 a 类和 b 类功放相比，ab 类功放在性能上有所不及。当没有信号输入时，两 只晶体管都处于导通状态，有少量的电流流过；当有输入信号时，晶体管中的电 流变大。由于信号的作用是使一只晶体管导通，另一只截至的，两只管子轮换截 至和导通，并且晶体管流过的电流大都用来驱动扬声器，因此 ab 类效率远大于 a 类功放而略低于 b 类功放。当输入小信号时，工作于 a 类功放模式，获得线 性最佳；当信号幅值增大到一定程度时，自动转为 b 类功放模式，以获得较高 的效率，可以说 ab 类功放是 a 类和 b 类功放的一个综合改进型。 ab 类功放的偏置电压介于 a 类和 b 类之间， 通过较小的偏置电压使工作于 推免结构的两个晶体管互有覆盖，可以有效地降低交越失真，改善功放音质，并 且可以减少元件发热，使得工作环境更可靠 5, 9。 图图 2.2.3 3 ab 类功放 16 2.1.4 d 类数字功放 随着高性能的场效应开关管出现，宽频带 d 类音频放大器得以发展。有别 于模拟功放的工作方式，d 类功放将输入信号调制成 pwm(pulse width modulation)信号，然后利用该调制信号控制开关管导通时间以得到放大后的 pwm 信号。数字功放的输出级在完全导通或截止状态下工作，当处于导通状态 时，有电流流过开关管，但因两端没有压差，所以不消耗功率；当处于截止状态 时，虽然两端有电压，但由于内阻无穷大没有电流流过，因此也没有功率消耗。 通常开关管的工作频率能够达到数百千赫兹， 其快速切换的开关特性使得其效率 远高于其它类功放，理论上的效率为百分之百，通常情况下能够达到 90%以上。 第 2 章 音频功率放大器 10 d 类功放工作于开关状态，需要的电源电流很小，延长电压使用寿命，降低 电源成本。对比模拟功放，d 类功放能够将电源功率绝大部分转化为输出功率， 因此发热量极小，省去了额外的散热设备，节省了空间体积，有利于数字功放的 集成化。成熟的数字技术促使 d 类功放越来越完善，性能也越来越好，能够提 供大功率驱动大负载，并且保证复现的忠实性和较低的失真度，符合低碳环保的 要求。对于大多数消费者而言，d 类功率放大器成为最好的选择。 2.1.5 四类功放的比较 上述四类功放在不同领域有不同的应用，现将其优缺点及效率比较如下表： 表表 2.1 四类功放的比较 a 类 b 类 ab 类 d 类 类型 线性 线性 线性 开关 优点 最小失真 效率比 a 类高 解决 b 类非线性， 克服 a 类效率低 高效率； 更小尺寸； 低功耗； 缺点 最低效率； 需要散热设施； 存在交越失真 效率比 b 类低 设计更复杂避 免失真 效率 小于 50% 小于 78.5% 介于 a 类和 b 类间 大于 90% 2.2 类数字功放的原理 2.2.1 传统数字功放原理 传统的 d 类功放利用三角波对输入模拟信号进行调制，产生 pwm 脉冲序 列，这种放大器即为脉宽调制型放大器。它对输入音频信号用 pwm 方式进行放 大，经低阻抗、低损耗的 lc 滤波器滤除高频后驱动扬声器，其结构主要由信号 调制、功率放大、输出滤波三部分组成。信号调制部分将模拟音频信号变换成可 以驱动场效应功率管的脉冲宽度调制码 pwm 或脉冲密度调制码 pdm。脉冲宽 度调制利用三角波发生器输出的锯齿波与原信号在定时脉冲的前沿进行比较， 当 模拟信号的电压幅值高于锯齿波的幅度时，比较器输出高电平； 当锯齿波电压幅 值高于模拟信号时，触发器翻转，同时输出低电平。这样的脉宽信号序列只存在 高电平和低电平两种状态， 信号幅度越高对应的脉冲就越宽， 这即为 pwm 码 4。 第 2 章 音频功率放大器 11 图图 2.2.4 4 pwm 调制码的产生 功率放大部分是一个脉冲控制的大电流开关放大器，将比较器输出的 pwm 信号变成高电压、大电流的大功率相同形状的 pwm 脉冲，因开关级直接与电源 电压连接， 因此输出的 pwm 脉冲幅度为电源电压， 并具有充沛的电流驱动能力。 用这种信号来控制场效应 mosfet 的通断就能够达到放大信号的目的。开关级 能够输出的最大功率由负载、电源电压和开关管允许流过的电流来决定。 输出滤波则把大功率 pwm 波形中的声音信息还原出来，一个由 l、c 组成 的积分电路就可完成音频信号的数模转换。低通滤波器对信号有积分作用， 脉冲 幅度越宽，积分时间就长，输出的电压幅值就高。但由于此时电流很大，rc 结 构的低通滤波器电阻会耗能，不能采用，必须使用 lc 低通滤波器。当占空比大 于 1:1 的脉冲到来时，c 的充电时间大于放电时间，输出电平上升；窄脉冲到来 时，放电时间长，输出电平下降， 正好与原音频信号的幅度变化相一致，所以 原音频信号被恢复出来 9。 图图 2.2.5 5 传统 d 类数字功放原理框图 2.2.2 新型数字功放原理 由于通过三角波比较方式得到 pwm 脉冲会引入噪声，为解决传统 d 类放 大器中存在的问题，现今很多方案采用数字信号处理技术，直接将输入的数字音 源转换为 pwm 信号。借助数字信号处理技术，数字功放不再需要三角波作为载 波信号，减少了音频信号中的噪声，从而进一步降低对输出滤波器的设计要求， 甚至可省去输出低通滤波器环节。 新型数字功放的主要特点是直接对数字音源进行放大，其中数字信号处理 第 2 章 音频功率放大器 12 器的功能是将数字音源调制成 pwm 开关信号， 以此控制桥式放大电路中功率开 关管的通断。 桥式放大电路输出放大的 pwm 信号再通过一个低通滤波器后就可 得到与输入音频信号一致的波形。因此，数字信号处理技术的引入减小了噪声的 影响，提高信号的信噪比（snr） 、总谐波失真（thd）等指标。采用数字功放 技术得到的 pwm 数字信号无须依靠数模转换器(dac)就可以直接转换成高功率 模拟信号。在调制数字音源的过程中，内插器增加 pcm 输入将采样频率调节到 到适合的大小，采样计数器可根据高速参考时钟产生数字 pwm 波形 14, 17。由于 全数字音频系统越来越受到关注， 数字功放已经在数字音频领域应用越来越广泛。 2.3 数字功放在汽车音响系统中的应用 2.3.1 汽车音响的现状及发展趋势 伴随数字技术的发展 18和人们对娱乐驾驶的要求， 汽车音响系统19成为汽车 电子领域中迅速成长的产业。 电子技术的每项重大的技术进步都会造就一批具有 影响力的电子产品，这些电子产品在汽车上的应用又推动着轿车音响的发展。从 20 世纪中叶开始， 半导体技术和数字音频技术的发展, 刺激了家庭音响和汽车音 响的发展和普及，诸如收音机、录音机、卡带放音机、cd 等 20。汽车娱乐电子 产品不断吸收新技术和最新研究成果，使数字应用从便携式设备转向汽车应用， 让人们在驾车过程中也能够自由娱乐 18。同时随着车载 mp3 和卫星广播等数字 音频产品迅速进入汽车行业， 以及嵌入式微处理器在汽车音响系统领域的发展应 用， 在汽车音响系统中也实现便携式设备和家庭娱乐设备一样的娱乐功能，使汽 车音频系统得到了非常迅猛的发展 19。 音响电子产品在汽车上经过半个世纪的发 展和应用, 已演变成集娱乐视听、辅助驾驶和导航通讯等多种功能于一体的综合 性车载多媒体电子系统, 并成为汽车上一个不可或缺的组成部份 21。 音响设备是最早应用在汽车上的电子产品， 它的发展和汽车产业的发展息息 相关。近年来，中国汽车产业发展迅猛，快速发展的汽车产业为汽车电子产品提 供了广阔的应用市场， 中国汽车电子市场随着中国汽车产业一起进入快速发展时 期。2008 年中国汽车电子市场发展势头不减，市场规模超过 1400 亿元，中商情 报网研究显示娱乐系统和主动安全设备成为了汽车电子市场增长的主要推动力。 到2012年， 中国汽车电子市场规模有望突破3000亿元。 未来的汽车电子产品中， 围绕安全、节能、环保、舒适和娱乐等方面的元器件及其周边产品将发展最快。 目前，中国消费者对车辆需求的增加、网络在车辆中的高速发展、安全与防盗需 求的增加、机械系统与电子系统之间的转换以及动力总成方面性能的提高，都进 第 2 章 音频功率放大器 13 一步推动了中国汽车电子产品市场的发展22。 随着汽车电子产品在整车中的比重不断加大， 车载信息娱乐系统成为汽车电 子领域最具吸引力和发展最快的领域。近年我国汽车音响产量连续上升，2002 年生产 2201 套汽车音响，2003 年产量为 2527 万套，2004 年产量为 3180 万套。 其中大部分汽车音响用于出口。到 2010 年我国轿车保有量将在 2894 万-3969 万 辆之间，轿车需求量将在 640 万-1007 万辆之间，而与此相应的汽车音响的市场 潜力将会高达 60 亿元左右 23。据 strategy analytics 研究表明，汽车市场对新型 车载信息娱乐功能的需求日益增长，2012 年其市场规模将高达 360 亿美元。车 载信息娱乐系统成为汽车电子领域最具吸引力且成长最快的领域之一， 汽车音响 正向多功能、数字化、高性能的方向发展。中国汽车娱乐市场日趋走向成熟，随 着成本的降低、技术的成熟和产量的增加，车内便携式消费电子产品将保持持续 增长， 车载数字音频解决方案的需求也会增长 22。 这些表明我国逐渐成长为世界 汽车消费大国之一， 我国的汽车电子市场具有非常大的利润空间和广阔的发展前 景。 2.3.2 汽车音响系统的组成 一个完整的音响系统外型上可能多种多样，但功能上一般由如图 3.1 所示构 成： 图图 3.13.1 汽车音响系统框图 (1) 存储器：完成数据的存储功能，存储用户需要保存的数据如电台频点、 音效等。 (2) lcd 显示：显示电台频率、mp3 歌曲播放信息及视频信息等，方便用户 欣赏节目。 (3) 按键：进行人机交互，方便用户快速功能调节。 (4) 音源：包括收音机、mp3、cd，以及 dvd、移动电视等其它音源。 (5) 前级音效处理模块：前级放大是介于音源与后级功放之间的音效处理模 第 2 章 音频功率放大器 14 块。 汽车音响系统主机通过控制前级模块来调节音频信号的强弱从而达到控制音 量的大小目的。 此外还包括流行、 爵士、 摇滚等音效的调整； 低音与高音的调整； 响度的控制，单声道和立体声的切换等等。功能更全的还包括 eq 均衡器等。 (6) 后级放大器：因为前级输出的音频信号强度一般只有几伏，不能直接驱 动扬声器，所以需要功率放大器来增大信号的输出功率。功率放大器包括模拟功 率放大器和数字功率放大器。 (7) 回放设备：扬声器，选择合适的扬声器能够表现出丰富的低音及鲜明的 高音24。 (8) 主控制模块：主控制模块一般以嵌入式微处理器为核心构成，用来控制 整个系统的正常有效地运行。 2.3.3 数字功放在汽车音响系统中的应用 由于汽车音响系统的主机内置功放的输出功率有限， 为了获得更大的输出功 率及更好的音质效果，通常采用外接功放作为后级处理。前些年的汽车功放一般 都使用 ab 类模拟功放， 以便同时兼顾音质和效率。 虽然 d 类功放能够达到 90% 以上的效率，但因失真较大所以只应用于超大输出功率低音放大器。汽车功放需 要大功率输出以获得更好的音质和更大的动态范围， 同时弥补信号传输所带来的 衰减 25。 模拟功放直接对信号进行放大， 但因其效率低下， 多数能量转化为发热， 使放大器处于高温环境的工作状态， 所以常需要安装大型散热设备来提高其性能 及可靠性 26，从而导致占用大的车内空间体积和消耗大量车内电能。 近年来，伴随数字技术的应用及半导体工艺的飞速发展，d 类功放在音质方 面得到很大改善，并且无需散热设施就能得到稳定可靠的性能。在如今的市场上 已经出现很多汽车 d 类功放品牌，x-program 的 x-d40 是一款纯数字功放，其 瞬态响应好、信噪比大于 100db，表现出良好的音质和力度；美国知名品牌 hifnics(海芬尼)bxl1610d 具有强大生物输出功率，低频解析力强，动态表现 好，音频质感丰富27。作为音效的后级处理模块，数字功放正以其大功率及低 功耗的优势逐步取代模拟功放逐步占据汽车音响功放市场。 数字功放的采用大大 降低了汽车音响系统的功耗，节省了空间体积。 2.4 本章小结 本章主要介绍了功放的分类和优缺点，着重介绍 d 类功放的原理，以及数 字处理技术在数字功放上的应用， 接着介绍了汽车音响系统的现状及发展趋势和 音