（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的大功率d类数字功放研究.pdf

安徽理：r 大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，c h i n a sa u d i op o w e ra m p l i f i e ri n d u s t r yd e v e l o pr a p i d l y , d o m e s t i c p r o d u c t i o nt e c h n o l o g yi m p r o v eq u i c k l y w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fd i g i t a l a u d i ot e c h n o l o g ya n dt h ed e m a n df o rh i - f is t e r e od i g i t a la u d i op o w e ra m p l i f i e r , t h e d e v e l o p m e n ta n dd e s i g na l s oh a sb e c o m em o l ea n dm o l ea t t e n t i o n t h e r e f o r e ，t h e s o u r g eo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n go fd i g i t a le n l a r g et e c h n i q u ed i r e c t l yh a v eg r e a t a p p l i c a t i o np r o s p e c t t h i sp a p e rs t u d yt h es w i t c h i n gp o w e ra m p l i f i e r ( c l a s sd ) o ft h ea u d i o a m p l i f i c a t i o nf i e l d w h e nc l a s sda m p l i f i e r sw o r k sa t s w i t c hs t a t u s ，t r a n s i s t o ra s c o n t r o ld e m e mi s i nl o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dh i g hp o w e ra m p l i f i e re f f i c i e n c y w h i c hi su pt o9 0 s oi tc a ng r e a t l yl e d u e ee n e r g yl o s sa n dt h ev o l u m eo fa m p l i f i e r c l a s sda u d i op o w e ra m p l i f i e rh a v eb r o a dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n tc o m p a r e dt o t r a d i t i o n a la n a l o ga m p l i f i e r i nt h ef i r s t , t h i sp a p e ra n a l y z e st h es t a t u so ft h ea u d i oa m p l i f i c a t i o nf i e l da n d i n t r o d u c es i m p l ys e v e r a lt y p e so fa u d i oa m p l i f i e rc u r r e n t l yo nt h em a r k e t , p r o m i n e n t t h ea d v a n t a g eo fc l a s sd a m p l i f i e r s t h e na n a l y s i st h eb a s i cp r i n c i p l ea n dt h et o p o l o g i c s t r u c t a r eo fc l a s sdp o w e ra m p l i f i e r , e l i c i tt h es y s t e mr e s e a r c ho fd i g i t a lc l a s sd p o w e ra m p l i f i e r a tt h es y s t e m i cd e s i g no fd i g i t a lp o w e ra m p l i f i e r , t h i sp a p e ra n a l y z e t h en o v e ld i g i t a lf o r m e rf r e q u e n c y - d i v i s i o n a lp r o c e s s i n g ，r e s e a r c haf o r m e rd i g i t a lf i r f i l t e rn e t w o r ka n di m p l e m e n td i g i t a lf i l t e r i n gi nad i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rn 锄e d t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 t a k et h ed i g i t a la u d i os i g n a li n t op w mm o d u l a t o ra f t e rt h ef o r m e r f r e q u e n c y d i v i s i o n a lp r o c e s s i n g ，i m p l e m e mt h ec o n v e r s i o no fp c m t op w mi np w m m o d u l a t i o n a tl a s t , m a k eas y s t e m i ca n a l y s i so ft h ep o w e ro u t p u ts t a g ea n dl o w - p a s s f i l t e r f i n a l l y , t h r o u g ht h em a t l a bs i m u l a t i o no nt h ep a r to fs y s t e md i g i t a lf i l t e r i n g a n da u d i os i g n a lp o w e ra m p l i f i e r , t h er e s u l t ss h o wt h ef e a s i b i l i t yo fs y s t e ma n dt h e a d v a n t a g eo fc l a s sdp o w e ra m p l i f i e r f i g u r e 【6 4 】t a b l e 【5 】r e f e r e n c e 【5 5 】 k e y w o r d s ：c l a s sd ；d i 西t a lf i l t e r ；p r e s c a | e r ：p w mm o d u l a t i o n ；d s p c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t n 9 1 2 2 ； i l 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以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得童 徼堡王太堂或其他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。 学位论文作者张舡吼呼年j 月l 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徼理王太堂有保留、使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于盥 堡王太堂。学校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。本人授权安徽理工大学可以将学 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适 用本授权书) 学位论文作者签名：铺嘎 导师签名： 嘲之 签字日期岬年钥，日 辨嗍吁石月日 1 绪论 1 绪论 音响技术发展到今天，音响设备中大部分已实现了数字化，如作为音源的 c d 、d a t 、m d 、d v d 等，数字调音台以及数字效果器、压限器、激励器等周边 设备也被一些专业场所使用。而作为音响系统最后环节的功率放大器和扬声器却 长期在数字化的大门外徘徊。人们对音响重放高保真度的追求是永无止境的，而 模拟功率放大器经过了几十年发展，在技术上已经相当成熟，可以说已难于有新 的突破。随着生活水平的提高，环保与能量的利用率也渐渐成为人们所关注的问 题，正因为这样，人们再一次把目光投向数字功放，而d 类功放工作在开关状态 的条件正符合了数字功放的要求。 d 类功放在电子产业领域广泛应用，近年来，由于便携式音频设备、计算机 多媒体设备以及汽车音响的迅速发展，对功率放大器的效率和体积提出了非常高 的要求。由于d 类放大器由于工作在开关状态，效率可高出线性放大器2 3 倍， 因此能极大地降低能源损耗，减小放大器体积，在体积、效率和功耗要求较高的 场合具有很大的优势。 1 1 音频功放的现状和发展 音频功率放大器现今仍以模拟功放为主，这种模拟功放技术已经发展到了极 限，很难再有突破性进展，已无法满足现已进入数字音频网络扩声系统时代的要 求了。 2 1 世纪是数字化的年代，数字音响是追求“原汁原味”音响效果的最有效手 段。扩声音响系统的数字化发展极为迅速，声源( c d 、d v d 、m d 、m p 3 和d a t ( 数字录音带) 等) 都已实现了数字化，并且继续向更新、更高的技术迈进。数 字调音台己不再是专业录音的专用品，以p a n a s o n i c r a m s a 奥运现场应用为代表 的调音台已开始进入国际现场扩声工程。音频信号处理设备的数字化进程发展得 很快，各种可编程得数字音频处理器已大量进入市场，任你选用。扩声工程系统 已进入数字网络传输年代。 数字放大器的鼻祖据查阅资料是美国一家叫做英菲尼蒂的公司。1 9 7 4 年在新 闻媒体上公开发表了2 5 0 w + 2 5 0 w 8 q 的d 类放大器，并实现了商品话。该机是 采用双级型晶体三极管，开关频率为5 0 0 k h z 的p w m 方式的数字放大器，电源 部分采用2 5 k h z 的开关稳压电源，重约1l k g l l j 。 在日本最早进行数字放大器商品化的是索尼公司。1 9 7 5 年索尼公司在全日本 安徽理工人学硕士学位论文 音响展上展出了15 0 w + 15 0 、w 8 q 的数字放大器样机。该机用v - f e t 做开关器件， 采用p w m 方式。随后在1 9 7 7 年推出了商品化的机型t a - n 8 8 ，输出功率提升至 1 6 0 w + 1 6 0 w 【3 1 。 在当时由于没有现在这样的超高速形状器件和小型、高性能片状元件，所以 无论从电路技术、安装技术和开发过程都无法超越模拟放大器。因此在19 8 0 年以 后在高保真音响市场上就再也难觅数字放大器的踪影了。 数字放大器的重新崛起是2 0 世纪9 0 年代后期的事。1 9 9 5 年松下电器公司应 用型1 比特a d 变换器的原理，开发了p d m 方式的数字放大器，并用于该 公司的微型组件中。1 9 9 9 年夏普公司推出了号称“l 比特放大器 的i o o w + i o o w p d m 方式的数字放大器s m s x l 0 0 和5 0 w + 5 0 r w 的s m s x l 0 j 。 在9 0 年代末期，t 1 公司、索尼公司等相继对数字放大器用集成电路的商品 化作了大量的工作，并生产出了使用这些集成电路的数字放大器。数字放大器的 新动向应该首推完全不同模拟信号处理电路的“全数字无反馈放大器 【6 j 。 s t r o d a 7 1 0 0 e s 是索尼公司准旗舰s t r d a 7 0 0 0 e s 的升级版本。传统概念中 优质的功放总是和庞然大物联系在一起，为了更佳的音质，有时你不得不付出更 多空间和电耗。索尼的s - m a s t e r 纯数字功放技术在功放的体积和音质之间找到了 较好的平衡，让消费者在影音产品上有了一个新的选择 7 1 。 意法半导体s t m 最新推出的一款d d x 音频放大器s t a 3 3 3 b w ，s t a 3 3 3 b w 是一款2 1 通道的d d x 音频放大器，供电范围为+ 5 v + 1 8 v ，可以通过，2 s 接口 接收采样率为3 2 k h z 1 9 2 k h z 的所有数字音频格式的数据，并且在内部转换成 9 6 k h z 采样率进行相应的数字信号处理。每个通道包含4 个2 8 位可编程e q ，独 立的音量控制和音调控制，所有的内部寄存器可以通过，2 c 总线进行编程访问f 羽。 直接数字放大( d d x ) 是一种直接把数字信号转换成功率信号而无需数模转换 ( d a c ) 的高效率音频放大器技术。它的实现包括2 个主要部分：第一，把数字音 频接口得到的或者a d 转换得到的p c m 数字音频数据进行异步采样率转换和上 采样，然后通过先进的数字信号处理技术转换成d d x 专利的3 态调制信号输出： 第二，经过d d x 调制之后的数字信号控制3 态驱动逻辑电路，产生相应的开关 控制信号来控制半桥电路中功率管的导通与截止，经过低通滤波之后，在负载上 得到放大的音频输出。 数字音频功率放大器( d p a d i g i t a lp o w e ra m p l i f i e r ) 以其特有的许多优越特 性取代模拟功放是发展的必然趋势。 所谓d 类功放是指一种将输入模拟音频信号或p c m 数字信号变换成 2 i 绪论 p w m ( 脉冲宽度调制) 或p d m ( 脉冲密度调制) 的脉冲信号，然后用p w m 或p d m 的脉冲信号去控制大功率开关器件通断音频功率放大器，也称为开关放大器，具 有效率高的突出优点。数字音频功率放大器也可看成是一个一比特的功率数模变 换器，放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路( 半桥式 和全桥式) 和低通滤波器( l c ) 等四部分组成。d 类放大或数字式放大器，系利用极 高频率的转换开关电路来放大音频信号的【l l l 。 图1 为d 类放大器的原理框图： i 三角波发fp w m 调制 j 竺兰广口 匝卜由懂厨蓁恒 l 一 图1d 类放大器的原理框图 f i g 1b l o c kd i a g r a mo fc l a s sda m p l i f i e r 历史上出现过三代d 类放大器设计【1 4 】： 第一代的范例是由托卡塔设计的t a c t m i l l e n n i u m ，证实了d 类放大器的概念， 但是该技术还不能提供足够的性能，这使第一代d 类放大器向着实用性的方向发 展。 第二代d 类放大器把一个用于模拟源信号的p w m 信号和一个集成的输出级 以及片外滤波器组合在一起。这些放大器需要源选择，音量，平衡和音调控制等 复杂的前端功能，而这些附加的功能增加了额外的复杂性。但是首先这代放大器 变得价格可以承受，其次在低功耗性能上接近甚至超过了a b 类放大器，从而获 得了一定的应用。 第三代是最近一段时间，现有的d 类数字放大器较以前的技术已有所改善， 在音质、封装、性能、价格和核心技术方面都已取得重大改进。为了生成精确的 音频，输入晶体管需要在动态范围的两端都能同样出色地工作，以帮助精确地实 现准确的功率分配。通过采用个简单但功能强大的内部控制逻辑系统改善音频 输出，并额外增加一套输入晶体管，这些晶体管可以实现对音频信号输入的更精 细的控制，最后还不能忽视新的架构技术。 与传统模拟线性功率放大器相比，数字d 类功放具有以下优点： 1 直接接收c d 、d v d 等数字音源输出的同轴或光纤数字音频信号，直接 以数字信号进行放大，体现了与数字音源的完美结合。 3 安徽理t 大学硕+ 学位论文 2 高、中、低频无相对相移，声音清晰透明，声像定位准确。由于采用无负 反馈的放大电路、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2 0 h z 2 0 k h z 内得到平坦的幅频特性和很好的相频特性。 3 瞬念响应好，即“动态特性”好。由于它不需传统功放的静态电流消耗，所 有能量几乎都是为音频输出而储备，加之无模拟放大、无负反馈的牵制，故具有 更好的“动力”特征。 4 无过零失真。传统功放一般都存在由于对管配对及各级调整不佳产生的过 零、交越失真。 5 能量转换效率极高，体积小，可靠性高。耗电量仅为同功率等级模拟放大 器的三分之一。其电源使用效率高达9 0 以上，节约能源，也符合环保要求。而 b 类放大器效率仅为7 8 ( 理论值) ，a 类功放的效率就更低。由于d 类功放极 高的效率，半导体器件的温升明显减小，失真率也就显著减小。 6 适合于大批量生产。产品的一致性好，生产中无需调试，只要保证元器件 正确安装即可。 1 2 课题研究的背景和意义 数字音频功率放大器以其效率高、体积小、重量轻、省电等优势，成为未来 家用数码音响设备的首选。在h i f i 音响和家庭影院系统中，输出声道多至2 - 1 0 个，每声道功率4 0 - - 1 0 0 w ，总功率在5 0 0 - - - 1 0 0 0 w 。功率放大器的效率成为越来越 重要的参数。因此，数字音频功率放大器的应用前景十分广阔。 随着科技的发展和人们对大功率功放的更多需求，近年来国外市场逐步出现 了成熟的大功率数字汽车功放，其中又可细分为两类，一类为全音域数字功放； 一类为纯低音数字功放。其中全音域数字功放几乎全部是采用了d 类以及t 类的 方案，此类产品借助成熟芯片方案完成音频信号与数字方波的调制，并进一步放 大解调后实现全音域放大，它具备了效率高、体积小、功率大的数字功放基本特 性。但是在音质上始终不被人们彻底认同，还有待进一步完善。另一方面在 e m m a 、i a s c a 、d b d r a g 等国际汽车音响竞赛联盟对市场的推动作用下，纯低 音的大功率数字功放开始成为了人们新的追求。国外市场上千瓦以上的d 类低音 数字功放已不罕见，但在国内市场此类产品目前还比较少见。由于大功率d 类低 音数字功放存在的技术难题，国内厂商很少有能力单独研发生产，部分厂商也是 照搬了国外的传统d 类设计方案并没有什么突破。 由此可见，对于数字音频功率放大器的研究有很大的现实需要和应用前景， 4 1 绪论 将进一步推动当前音响领域的发展和进步。 1 3 本文所要做的工作 本文研究了一种数字式低频段大功率d 类功放，对系统的结构和控制策略做 了详细的分析。系统前级采用数字分频处理，用数字滤波器实现数字p c m 信号 的分频，通过t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 d s p 来实现音频分频滤波。 课题的具体工作内容如下： 1 参阅相关资料，对传统模拟功放和数字功放的结构和应用做了深入的分 析和详细的研究。 2 分析了基本的数字功放架构，对数字功放中分频处理部分做了对比分析， 研究了一种利用数字滤波网络来实现数字前级分频处理的数字功放结构，并在 d s p 中实现其分频效果。 3 在数字功率放大部分中采用数字p w m 控制策略，并对数字p w m 控制 进行了系统研究。 4 对数字功放的功率开关电路和低通滤波部分电路进行系统研究，研究了 详细的拓扑分析和参数计算。 5 对系统进行m a t l a b 仿真分析，对比实验结果，验证系统的可行性和 效果。 5 安徽理：r = 人学硕士学位论文 2 音频功放的基本知识 2 1 音频功放相关知识 声音是传送信息的媒介，当物体振动时，其周围的空气质点也随之振动而成 为声音。声音以声波的形式传播，声波所波及的范围称为右场。声波传到常人的 耳朵，人便有了声音的感觉，不同的声音具有大小不同的音量、高低不同的音调 和发音体所特有的音色【3 1 。如果把声音作为振动信号来研究，则音量就是振动幅 度的反映，音调是振动频率的反映，而音色由振动波形决定。入耳能敏锐地判断 声音的这些要素，从而识别各种特定的音响。不仅如此，人对声音还有方位感， 根据两耳所听到声音的强度和时差，就能判断出各个声源的位置。只要重放的声 音保持原来的音位，便会使听者获得身临其境的感觉。这种连音位也能反映出来 的声音信号就叫做立体声，能把声音信号加以放大并且实地重放出来的电声设备 称为音响系统。 2 2 音频功放的结构 传统的音频功率放大器主要由前置级、音调级和功率放大级三部分组成 3 1 ， 如图2 。前置级要求输入阻抗高、输出阻抗小、频带宽、噪声小，主要承担控制 任务，对各种声源信号进行选择和处理；音调级对输入信号主要起到提升、衰减 作用，它将微弱信号放大到o 5 1 v ，进行各种音质控制，以美化音色：功率放大 级是音频功放电路中的主要部分，它决定输出功率的大小，要求具有输出效率高， 输出功率大的特点，它所承担的是放大任务，是将前面输出的音频信号进行功率 放大，以推动扬声器发声。对整机的要求是失真小、噪声低，有较好的扩音效果。 根据技术指标要求，确定各级的设计方案，增益分配，然后对电路各级进行参数 设计计算。 输 图2 音频功放的原理框图 f i g 2b l o c kd i a g r a mo fa u d i op o w e ra m p l i f i e r 6 喇叭 2 音频功放的基本知识 2 3 音频功放分类及分析 音频功率放大器的类型很多，根据使用器件的不同，可分为纯电子管、晶体 管、集成电路、场效应管功率放大器。而晶体管功率放大器又分为有输出变压器 的功率放大器和无输出变压器( o t l ) 的功率放大器两大类，后者又分为并联推挽、 单端推挽、o c l 、d c 、b t l 等几类。音频功率放大器按其放大器件的不同来分， 有电子管、晶体管、纵向场效应管和集成电路等；按工作状态来分，有a 类、b 类、a b 类和d 类( 开关型功率放大器) 几种类型 4 1 。 2 3 1a 类功率放大器 在功率放大电路中，输入信号在整个周期内都有电流流过放大器件，这种工 作方式通常称为a 类放大器，基本拓扑结构如图3 。 图3 a 类放大器 f i g 3c l a s saa m p l i f i e r a 类放大的典型工作状态如图4 所示： o 八n 2 3 丌 v 图4 a 类功率放大器工作状态 f i g 4w o r ks t a t eo fc l a s saa m p l i f i e r a 类功率放大器的静态工作点一般选在负载线的中点，所有输出器件在输入 7 安徽理：【人学硕+ 学位论文 信号的整个周期内均有电流流过，使其处于良好的线性工作状态。这种放大电路， 由于不会产生开关失真和交越失真，只要偏置和动态范围控制得当，仅从失真的 角度来看，它是一种优质的线性放大电路，其声音表现是相当不错的。由于较小 的非线性失真，使得a 类功率放大器一般都用在较高档次的音响系统中。 从图4 中可以看出，工作在a 类放大状态的功率放大器，电源始终不断地输 送功率，在没有信号输入时，这些功率全部消耗在电路器件上，并将转换为热量 的形式耗散出去；当有信号输入时，其中一部分转换为有用的输出功率，信号越 大，输送给负载的功率越多。一般a 类功率放大器的效率只能达到2 5 - 3 5 ， 这正是a 类功率放大器的最大缺陷，音频功率放大器主要是对语言和音乐信号进 行放大。因此放大器工作在最大信号的时问只占总工作时间的百分之几，大部分 时间则工作在小信号或“间歇信号状态。a 类功率放大器在没有输入信号时， 电源也要提供与有信号时同等的功率，因而使大部分功率都白白消耗掉，并使器 件发热。但是，在理想情况下，a 类功率放大电路的效率较低，最高也只能达到 5 0 ，尤其是担当功率放大的输出管的发热量很大，为确保安全性和可靠性，对 它的稳定性和电路的设计等提出了较高的要求。 2 3 2b 类功率放大器 在输入信号的半个周期内，晶体管导通；在另外半个周期内，晶体管截至。 即晶体管的导通时间正好等于输入信号的半个周期，这就是b 类放大的特点。 图5 为典型的b 类音频功率放大器的拓扑图形。它是针对a 类功率放大器效 率低的缺陷而设计的，其特点是选用两只同极性( 即同是n p n 型或同是p n p 型) 大功率晶体管作为放大器的功率输出级。 虹 图5b 类放人器 f i g 5c l a s sba m p l i f i e r 8 负载 电阻 2 音频功放的基本知识 b 类放大电路的工作状态如图6 所示： o i i i i l i “。 图6 b 类放大电路工作状态 f i g 6w o r ks t a t eo f c l a s sba m p l i f i e r 一般地，b 类功率放大器的静态工作电流选在接近零点处，当有激励信号输 入时，其输出功率管仅有一臂导通而另一臂截止，如此往返地工作，使得输出与 输入有着相近的信号波形。可见，与a 类功率放大器相比，b 类在无信号输入时 发热量是很小的，此时散热器是不会发热或仅有一点温升，同时功率转换效率也 比较高，最高能达到7 8 5 。 2 3 3a b 类功率放大器 在输入信号的多半个周期内，晶体管是导通的；其余小半个周期内，晶体管 是截止的。在没有输入信号时，虽然输出管存在静态电流，但此电流很小，接近 于零，则称此放大电路为a b 类放大或甲乙类放大，基本拓扑结构如图7 。 v 图7 a b 类放大器 f i g 7c l a s sa ba m p l i f i e r 9 负载 电阻 安徽理工人学硕士学位论文 其工作状态如图8 所示1 0 l ii i ii i 州 lzl。 图8a b 类功率放大器工作状态 f i g 8w o r ks t a t eo fc l a s sa ba m p l i f i e r a b 类放大，可以认为是a 类放大和b 类放大的结合，其静态工作点介于两 者之间，具体取值取决于偏置电流的大小和输出电平。a b 类放大的偏置电路与b 类的基本相同，但偏置电流要比b 类的稍大，以便使功放进入a b 类工作状态。 a b 类放大与b 类放大相比，虽然同样减小了静态功耗，提高了功率转换效率( 介 于a 类与b 类之间) ，但同时也都出现了交越失真，尽管失真程度远小于b 类。 既要保持静态时管耗小，又要使失真不太严重，因此人们就提出采用互补推挽式 电路结构。当驱动电平低于输出功率管的阀值时，管子均处于微导通状态，有一 定的静态电流流过；当驱动电平高于输出功率管的阀值时，其工作状态与b 类时 一样的。虽然它此时的线性不及a 类，但它可较好地驱动低阻抗负载，是a 类的 补充。 图5 和7 所示电路均采用了互补对称晶体管，这种电路存在的缺陷是很难配 齐特性完全对称的n p n 和p n p 型对管，即使找到基本对称的对管，在实际应用 中也会存在下面两点主要问题： 1 对于直接耦合的放大器如何保证其静态工作点稳定，即保证中点b 的电 压为电源电压的一半。 2 电路中末级功率放大输出管的发射结没有直流偏置，放大信号将产生交越 失真。 2 3 4d 类功率放大器 d 类放大是以离散时间放大器设计思想为基础，并且在很早以前就有人提出， 但直到最近，随着半导体制造技术的进一步发展以及便携式设备和消费类电子的 1 0 2 音频功放的基本知识 兴起，d 类音频功率放大器才重新受到c m o s 工程师的重视。放大器由输入信号 处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路( 半桥式和全桥式) 和低通滤波器 ( l c ) 等四部分组成。图9 为基本的模拟信号输入的d 类功率放大器结构图。 r 2 图9 d 类功放的基本电路结构 f i g 9b a s i cc i r c u i ts t r u c t u r eo fc l a s sda m p l i f i e r 图9 中由p w m 调制器、半桥开关器件的m o s f e t 、l c 低通滤波器和扬声 器负载组成。输出端的p w m 信号经r 1 、c r 构成的积分器反馈后与基准信号进 行比较，基准信号为输入音频的取样信号，其频率下限应是最高音频信号频率的 两倍以上，上限为5 0 0 k h z 。输出端l c 组成的低通滤波器滤除输出信号中的调制 脉冲信号成分。 d 类功率放大的最大优势在于其电源功率转换的效率很高，理论上可以达到 1 0 0 0 0 1 2 1 1 。与a b 类放大器相比，d 类放大器需要更小的电源电流，因此具有更长 的电源使用时间或者更低的电源使用成本。另外，d 类放大器更低的发热量使得 更小的封装成为可能，同时去掉了a b 类放大器中所使用的降温设备。基于这两 个优点，对于消费类电子来说，d 类功率放大器显然更具有吸引力。 d 类放大器具有以下优点【2 4 l ： 1 具有很高的效率，通常能够达到8 5 以上。 2 体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间。 3 无裂噪声接通。 4 低失真，频率响应曲线好，外围元器件少，便于设计调试。 2 4 功放的主要性能指标 功放的主要性能指标有额定功率，频率响应，失真度，信噪比，输出阻 抗，阻尼系数等2 5 1 。 1 额定功率 安徽理工人学硕士学位论文 音响放大器输出失真度小于某一数值( ，1 ) 的最大功率称为额定功率，表 达式p o = 2 r ，为负载两端的最大不失真电压，心为额定负载阻抗。 2 频率响应 表示功放的频率范围，和频率范围内的不均匀度。频响曲线的平直与否 一般用分贝( d a ) 表示。 3 音乐功率 指输出失真度不超过规定值的条件下，功放对音乐信号的瞬间最大输出功率。 4 峰值功率 指在不失真条件下，将功放音量调至最大时，功放所能输出的最大音乐功率。 5 额定输出功率 当谐波失真度为1 0 时的平均输出功率。也称做最大有用功率。通常来说， 峰值功率大于音乐功率，音乐功率大于额定功率，一般的讲峰值功率是额定功率 的5 8 倍。 6 失真度 理想的功放应该是把输入的讯号放大后，毫无改变的忠实还原出来。但是由 于各种原因经功放放大后的信号与输入信号相比较，往往产生了不同程度的畸变， 这个畸变就是失真。用百分比表示，其数值越小越好。h i f i 功放的总失真在 0 0 3 加0 5 之间。功放的失真有谐波失真，互调失真，交叉失真，削波失真， 瞬态失真，瞬态互调失真等。 7 信噪比 指信号电平与功放输出的各种噪声电平之比，用d b 表示，这个数值越大越 好。一般家用h i f i 功放的信噪比在6 0 d b 以上。 8 输出阻抗 对扬声器所呈现的等效内阻，称做输出阻抗。 9 输入灵敏度 使音响放大器输出额定功率时所需的输入电压( 有效值) 称为灵敏度。 l o 噪声电压 使输入为零时，输出负载墨上的电压称为噪声电压以。 2 5 本章小结 本章主要介绍了传统音频功放的基本结构，对音频功放的几种分类做了对比 分析，并对音频功放的主要性能指标做了阐述。 1 2 3 数字功放的结构与分析 3 数字功放的结构及分析 3 1 数字功放的结构 所谓数字功放，是指以用开关电路实现数字音频信号功率放大，最后用滤波 器还原成音频模拟信号驱动扬声器的音频功放放大系统。数字功放的优点有： 1 在功率转换没有采用任何模拟放大反馈电路，从而避免了瞬态互调失真。 2 数字功放电路的过载能力远远高于模拟功放。 3 数字功放采用开关放大电路( d 功放) ，效率相对比较高，全功率范围内效 率可达7 5 9 0 ( 模拟功放效率仅为2 0 0 6 0 ) ，在工作时发热较少。 数字功率放大器主要分为数字信号处理、桥式功率放大和低阶模拟低通滤波 器3 个部分。音频信号处理作用是对输入的数字音频信号( 脉冲编码调制( p u l s e c o d em o d u l a t i o n ，p c m ) 编码) 进行过采样、噪声整形、重新量化编码成p w m 形 式的输出。桥式功率放大器的主要作用是把p w m 信号电压、输出电流放大推动 低通滤波器。低通滤波器去除放大后的p w m 信号的高频成分，还原为模拟的音 频信号。 常见的数字功放如图l o 所示，其中插值滤波器和调制器是音频处理的核 j 心。 s f sr f s 图l o 数字功放的架构 f i g 1 0t h es t r u c t u r eo f t h ed i g i t a lp o w e ra m p l i f i e r 工作原理阐述如下： 同步接收器接收s p d i f 数据或其它格式的数据流，从中提取出音频数据转换 成采样频率为只的p c m 音频数据。这些由p c m 表征的音频信号u 经过过以r 为频率提升因子的补零插值处理变为信号v 。如图1 l 所示信号v 的频谱y ( p 拍) 不 仅具有信号u 的频谱u ( e 归) ，还多了r - 1 个频谱u ( p 归) 的映像。 1 3 安徽理工人学硕士学位论文 图1 l 信号u 和信号v 及它们的频谱 f i g 11s i g n a lua n ds i g n a lva n dt h e i rs p e c t r u m 为此插值滤波器对信号v 进行插值滤波处理，把这些r - 1 个映像削减掉，得 到十分平滑的信号w ，其时域和频域特性如图1 2 所示。 v r 1r 1 图1 2 信号w 和它的频谱 f i g 12s i g n a lw a n di t ss p e c t r u m 调制器再把用多b i t 表征的信号w 调制成用l b i t 表征的信号x ，其时域和 频域特性如图1 2 所示。虽然信号x 是在正负l 跳变得矩形波，但是其频谱仍然包 含原音频信号的频谱，而噪声频谱功率越高的地方离音频频谱越远，离音频频谱 越近噪声频谱功率越低。经过功率开关管放大后的信号y 仍然保持这样的特性， 对后续模拟滤波要求不高，普通的音箱分频器己足以胜任，这样音箱所播放的就 是原汁原味的音频。 3 2 功率放大部分电路 功率输出部分是由驱动电路和d 类h 桥功放电路组成，如图1 3 所示。事实 上h 桥功放电路可等效为可输出大功率的反相器，如图1 4 所示。 1 4 3 数字功放的结构与分析 输入 驱动 d 类功放 图1 3d 类h 桥功放电路 f i g 13hb r i d g ec i r c u i to fc l a s sda m p l i f e r a 驱动 d 类功放 图1 4 等效电路 f i g 14e q u i v a l e n tc i r c u i t d 类功放有两种基本的拓扑结构：半桥和全桥拓扑，每一种拓扑都有自己的 优势。半桥简单，而全桥在音频性能上更好一些，全桥拓扑需要两个半桥功放， 这样就需要更多的元器件。尽管如此，全桥拓扑的固有差分输出结构可以减少奇 次谐波失真和直流偏置，就像在a b 功放中一样。一个全桥拓扑允许用更好的 p w m 调制方案，比如量化几乎没有错误的三电平p w m 调制方案。在半桥拓扑 中，电源面临从功放返回来的能量而导致严重的母线电压波动，特别是当功放输 出低频信号到负载时，能量回流到电源是d 类功放的一个基本特性。在全桥中的 一个臂倾向于消耗另一个臂的能量，所以就没有可以回流的能量，保护了电源【凋。 3 3d 类功放的控制分析 d 类放大器具有很高的效率，但由于功率晶体管工作在开关模式下，而d 类 放大器引入的失真通常大于线性放大器，这也是目前d 类放大器在音频放大领域 1 5 安徽理工大学硕士学位论文 并未得到广泛应用的主要原因。d 类放大器的控制方式是影响其性能的关键因素 之一，d 类放大器的控制分为模拟控制和数字控制。 1 自然采样p w m ( n p w m ) n p w m 是一种模拟p w m 方式，它将模拟音频信号或数字音频信号经d a 变换后得到的模拟信号与载波进行比较，得到p w m 波形。按照载波的不同， 自然采样可分为单边调制和双边调制。调制原理见1 5 所示，从图中可以看出， 自然采样的输出波形在信号与比较波形的交点时刻发生变化。 n 厂 厂 厂 厂 厂 广 ( a ) 单边采样( b ) 双边采样 图1 5 自然采样过程 f i g 15t h ep r o c e s so f n a t u r a ls a m p l i n g 对n p w m 信号进行傅立叶分解，n p w m 频谱可以通过二维傅立叶级数进 行表示。以单边调制为例，设载波角频率为皱，p w m 波形幅值为单位1 ，对 信号m c o s c o , t 的n p w m 波形进行傅立叶分解，表达式如下： 删珊等c o s 咿妻m f f i i 警 争地型2 s i n ( m e a n t - 2 m ，r k )(3- 1 ) m _ ：a i 加石 羔妻螋s i n ( m c o j + n c o , t - 2 m x k 一等 - m = l 篇 m 、 2 式中k 为锯齿波的平均幅值，以表示第一类贝塞耳函数。 由上面的表达式可知，在自然采样p w m 的输出频谱中，包含输入信号、载 波信号、载波信号谐波以及输入信号与载波、输入信号谐波与载波谐波相互作用 得到的边带信号，这些边带信号有可能落入音频范围内，造成音频信号失真。因 此应尽可能提高载波频率，减少边带信号失真的同时可简化滤波器设计，减小滤 波器体积。当然，开关频率越高损耗也越大。通常，要求载波频率高出音频带宽 1 0 倍以上。 2 统一采样p w m ( u p w m ) u p w m 属数字p w m 控制，数字式放大器同传统的模拟放大器相比，具有效 1 6 3 数字功放的结构与分析 率更高、抗干扰能力强，无需d a 变换环节等优点。数字p w m 控制器完成p c m 信号到p w m 信号的转换，它实质上是一个简单的计数器电路，如图1 6 所示。图 中的n 位计数器相当于自然采样中的三角波或锯齿波发生器，p c m 数据通过 d s p ( 数字信号处理器) 处理后与计数器输出进行比较，当p c m 数据与计数器输 出相等时，比较器输出发生变化，控制r s 触发器复位或置位，在r s 触发器输出 端即可得到p w m 数据，调制原理如图1 7 所示。 图1 6p c m p w m 变换器框图 f i g 16p c m - p w mc o n v e r t e rd i a g r a m ( a ) 单边采样 j 调制信号、 ：。参一 厂 厂 厂 图1 7 统一采样过程 f i g 17t h ep r o c e s so f u n i f o r ms a m p l i n g p c m - - p w m 变换也分为单边调制和双边调制，采用哪种调制可通过编制 d s p 软件实现。图1 6 中所示为最简单的方法，即用p c m 采样值直接设定p w m 的前后沿，输出脉冲的宽度正比于给定的采样值。这种直接将p c m 采样值映射 为脉冲宽度的方式就称为统一采样p w m ( u p w m ) 。 首先对单边调制的u p w m 进行傅氏分解： 1 7 安徽理工大学硕+ 学位论文 删小喜警咖卜一t 2 m r k e o , 卫2 ) + 薹生气笔塑咖舢c ，一薹薹型篙毒篙掣 。国 如卜豫，( f - 斟等 从上面的方程可以看出，单边u p w m 输出频谱包含有信号谐波、载波谐波、 载波与信号及它们的谐波相互作用形成的边带信号。双边调制的u p w m 信号傅 氏分解如下： f o ，= 七+ 囊圣兰! 气掣s ；n ( 丹c t 一薏，三) c o s h 一唼麾重甓器 p 3 ， s m 卜岬一罢l c o s ( n e o d + m o t - 7 r n - - 2 薏， i 红 - j 从方程3 - 2 和3 - 3 可以看出双边调制u p w m 与单边调制u p w m 频谱成分相 同，但信号谐波的幅值衰减比单边调制要快得多。 3 反馈控制技术 一般的d 类放大器为开环系统，通过反馈控制技术可以减小d 类放大器失真。 假设放大器开环控制模型如图1 8 所示，谐波失真圪在传递函数h 帝后被引入： ( a ) 开环模型( b ) 闭环模型 图1 8d 类放人器模型 f i g 18c l a s sda m p l i f i e rm o d e l 开环控制时，输出： ，= 如+ 圪 压一( 3 4 ) t h d n = 、7 ( 圪) 2 ( 吃) 、。 假设闭环控制时的反馈增益为g ，建立d 类放大器闭环控制模型如图l s c b ) 1 8 3 数字功放的结构与分析 所不，则输出： ：= 蒜+ 南 令= i - i 西( 1 + 如g ) ，则式3 - 5 调整为： z2 + 商万 t h d 2 2 薹( 圪) 2 ( 如啪+ h o g ) ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 比较等式3 4 和3 7 可以看出，闭环控制时t h d 为开环控制时t h d 的 1 必l + 日历g ) ，即闭环控制改善了放大器的t h d 。在图1 8 的反馈设计中，可采 用求和积分器代替简单的加法器。由于积分器实质上是一个低通滤器，因此可衰 减反馈信号中的高频载波成分，增加低频反馈量，特别是直流成分，从而有效改 善零输入时的占空比误差( 由于输入信号直流电平与比较器门限电压的差异所形 成) 。另外，还可采用电压、电流双环反馈的方案，电流反馈环为内环，电压