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数字功放电路

数字功放电路数字功放电路 1.概述  一般认为,功率放大器根?据其=工作状态可分为5类。◎即A类、AB类?、B…

数字功放电路数字功放电路

1.概述

  一般认为,功率放大器根?据其=工作状态可分为5类。◎即A类、AB类?、B类、C类和D类。在音3频功放领域中,C类功放是用于发射电′路中,不能直接采?用模拟信号输入,?其余4种?均可直接采用模拟音频信号输入,放?大后将此信号用以推动扬声器发声。其中D类功放比较特殊,它只有?两种状态,即通、断。因此,℉它不能直接?放大模拟音频信号,而¥需要把?模拟信号经“脉宽调制”变换后再放大。外行曾把此种具有“开关”方式的放大,称为“数字放大器”,事实上,这种放大器还不是?真正意义的数字放大器,它仅仅使用PWM调制,即用采样器的脉宽来?模拟信号幅?度。这种放大器没有量化和PCM编码,信号是不可恢复的。传统D类的PWM调制,信号精度完全依赖于脉宽精度,大功率下的﹢脉宽精度远远不能满足∏要求。因此必须研究真正意义的?数字功放?,即全(≯纯)数字功率放大器。

  ≥数字功放∽是新一代高保≧真的功放系统,它将数@字信号进行功率转换后,通过滤波器直接转㎞换为音?频信±号,没有任何模拟放大的功率转换?过程。CD唱机(或DVD⊥机)、DAT(数字录?音机)?、P$C∝M(脉冲编码调制录音机)都可作为数字?音源,用光纤和同轴电缆口直接输出到×数字功放?。〒此外,数字功?放也具备模拟音频输入接口,可适应现有模拟音源。∵

  国外对数字音频功率放大器领域进行了二三十年的研究。在20世纪60年代中期,日本研?制出8b?it的数字音频功率放大器;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,若要实现16bit、44.1K‖Hz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16bit数字音频功率放№大器成为可能。

?  ?国?内外一些?从?事°数字信号㈱处理的技术人员,专门研究音频数字编码技术,在不损伤?音频㎏信号质量的情况下,尽量压缩数据库。经过多次实验,终于将末级功放开关频率由没?有压缩数据时的约2.8GHz﹣?减至小于?1MHz,从而降低了对开关功放管的要求。同时在开关功率放大部分,采用了驱?动缓冲 ?器和平衡电桥技术,实现了?在不提?高工作?电压的情况下能够输出较大?的功率∷,并且设计了完善的防止开关管击穿的保护电路。

2.技术特点

  国内外?一些公司研制出的∫数字功放,直接从C㎜D唱机的接口(光÷纤和数字同轴电缆)接受数字PC>M音频信号?(模拟*音频信号必须经过内置的A/?D转换变成数字信号后才能进1行处理),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。

?数字§功放的主要技术特点为:

(1?) 采用两电平(0、1)多脉宽脉冲差值编码。

(2) 采″用平衡电桥脉冲速推技?术。

(3)? 采用高倍率数字滤波技术。

(4) 利?用数字算≤法处理噪声问题。?

(≒5) 采用非线性抵消技?术。{{分页}}

3.工﹢作原♂理

  如图1所示,m数字功放从光纤或数字同轴电缆接口接受数字PCM音频编码信号,或通过模拟音频输入ml接口接收模拟音频信号,并通过内部A/D转换器得到数字音频信号,?再通?过专用音频D≠SP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㏕将功率脉·冲信号通‰过滤波器,提取模拟音频信号。

图1 全数字音频功放电路的组成框图

 ? 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DS3P并增强信号,≮使之能驱动大功¢率MOSFET开关管。由于高电平脉冲mol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。下面用一?个简单㏑的数字和物?理模型来阐述%数字功放的编∴?码过程,如图2所示?。

图2 数字功放编码过程示意图

  图-中表示两?个相邻采样点N和N+1的采样值为AN和AN+1,中间点a1、a2、a3……为超采样点。超采样点是由数字滤波器计算产生的。£通过数字滤波器后,所有采样点包括超采样?点所构成的音频信?号是比较∠平滑的。{{分页}}

?  在数字功放中,首先建立一组不㎎同脉宽的脉冲单元,它的脉宽虽然各不相同,但其宽度∨始终固定的,都是≈系统¥时钟周※期的倍数。*

  第一个超采样点a1与数值AN的差为Δ?xμ1,即a1-AN=Δ∶x1,得到Δ?x1后,即用上述脉冲单元去量度它,仅用一个脉冲单元?表示,余数保留至下次量度o,假设余数为ΔΔx1。接着传送的第二个?差值编码为a2-a1=Δx2,由于上次还保留余数ΔΔx1,所以还应加上,即当前应用一个脉冲单元去量㎡度Δx2+ΔΔx1,同样余数保留至下一次累计。

  ∮由此看出,用脉冲单?元?表示后?的余数,即低于最小量度单位?的部分并没有丢失,而是累加至相邻超采样点上。而从音频信?号的角度来说,曲∥线AN,a1,a2,a∣3……AN+1﹥下方的面积和原值相等,因此音频信号并没?有产生失真,但曲线⊙增加了以ΔΔx1,ΔΔx2……+ΔΔxN幅度上∈下波动的噪声,这种噪声分量不?大,频率很?高,用一个较简单的滤波器就可滤除,≌不?会影响到音频信号⊿还原。

 ? 在能量放大部分,采用平衡电桥?开关技术,?每通道使用四只MOSFET开关∟功放管构成平衡电桥开关网络。当功放管?处于开关放大状态时,输出波形和输入的脉冲信号波形相同,但幅度近似于?工作电压,即VOUT=VBUS,经滤波器滤波<后,输?出到负载?上?的波形峰值为VBUS。设MOSFET管内阻为rD2SON,负载阻值?为RLOAD,电源电⊕压为VBUS,滤波器阻抗为Rx,则负载?上均方值电流

IRMS=VBUS/[(2rDSON+RLOAD+Rx)]

?

 ≦ 所以负载上承受的功率为

PLO?AD=I2RMSXRLOAD

={V2BUS/[2(2rDSON+RLOAD+Rx)2]}XRLOAD

η=[㏄RLOA%D/(2rDSON+㎝RLOAD+Rx)]/?[1+fX(■+▲)]

其中■=16VB﹣US/[π2XIRATEX(2rDSON+RLOAD+Rx)]

?▲=2IRATE(t?2RR/VBUS)(?2rD?SON+R??LOAD+Rx)

  当包含有√开?关损耗£时,效率可由下式计算:采用RFP22N10 MOSFET功放,内阻rDSON为0.08Ω,负载RLOAD为8Ω,工作电压VB=US为4℃0V,开关频率f为700KHz,变换速率IRATE为?50A/µ?s,翻转恢复时间tRR为100ns,??滤波器内阻Rx为0?.04Ω,可算出:PLOAD=95W,η?=78%?。

  在滤波?器设计?时,我们采用六阶巴特沃斯低通滤波器,用于将大功率数字脉冲信号转换为模拟音频信号。巴特℡﹤沃斯滤波器的特点m是带内平坦度高,?从而使得输出音频信号幅频特性较好。


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作者: mgnqyz

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