《数字功率放大器》.doc

1 BIT 全数字音频功率放大系统 电子科技大学微电子研究所 2000/9/12 （一）、概述 数字功放的意义及应用 数字变换技术是２１世纪发展的重要领域之一，较模拟变换技术更具有广泛的应用需求和强大的生命力。目前的视听产品（如CD、LD、VCD、DVD、电脑音响、家庭影院等）和通讯产品（如手机）的音频功率放大系统，均采用D/A变换技术，它存在信号失真、效率低、抗干扰性差等问题；较之而言，数字功放是新一代高保真、低功耗的全数字功率放大系统。具有以下显著优点：高保真、高效率、高过载能力与高功率储备能力、功放和扬声器的匹配好、声像定位好、升级换代容易、生产调试方便等，且与未来的全数字式音频广播、高清晰度电视的发展趋势相匹配。既可采用现有的CD机（或DVD机）、DAT（数字录音机）、PCM（脉冲编码调制录音机）作为数字音源，又具备模拟音频输入接口，兼容现有的模拟音源，因此具有广阔的市场: 1、视听产品市场 数字功放高品质的特性必将使其引起相关视听产品的更新换代，它将拥有上千亿的市场。如家庭用CD、LD、VCD、DVD、电视机音响、电脑音响、家庭影院等；公共场所用音响系统如：会议室、音乐厅、电影院、广场、火车站、机场用功放系统等等，这方面预计将有数千亿的产值。1997年全国音响设备的整机销售量及其实际市场统计数据如表1所示 （单位：万台）。表1 1997年全国音响设备的整机销售量及其实际市场 ＶＣＤ ＣＤ 汽车收音机 收录机 音响 彩电电路 ３００ １０００ ７００ ３０００ ４０００ ２０００ 我们仅家庭拥有情况来计算，按一个家庭拥有一套上述视听产品，每套视听产品用数字功放系统价值2000元，全国3亿家庭，即是6000亿元产值。 2、便携产品市场 数字功放效率高、耗能少的特性必将使其广泛应用与便携产品市场。如：移动通讯产品（如手机）、便携式电脑、发音电子字典、复读机、汽车火车等交通工具用音响、便携式收音机、随身听、便携式CD机等等。 根据信息产业部计算机与微电子研究中心（CCID）的统计，便携式多媒体电脑的销售量为29.8万台，销售额58.7亿元。多媒体电脑的销售趋势是每年以大于20%的速率增长，可见仅便携式多媒体电脑一项便是一个十分巨大的市场。根据以上统计数字，按每台便携式多媒体电脑采用300元小功率数字音频功放系统计算，则仅便携式多媒体电脑用全数字小功率音频功放系统每年拥有大约一亿元的市场。　　 3、未来的全数字系统市场 全数字化功放将使其与未来的数字音频广播、高清晰度数字电视产品融为一体，成为3G新兴产业的重要组成部分，这方面的产值会在５００亿以上。 多媒体电脑与上述家电产品的结合是今后电脑和家电产品发展的必然趋势。目前国内的上海市已经在开展三网合一工程，将互联网、有线电视网、通讯网合三为一。三网合一必须用到多媒体电脑，所以全数字多媒体电脑音频功放今后必然融入上述家电，拥有更大的市场。 数字功放的特点 1、高保真。数字功放的交越失真、失配失真和瞬态互调失真均小。 晶体管在小电流时的非线性特性会引起模拟功放在输出波形正负交叉处的失真（小信号时的晶体管会工作在截止区，此时无电流通过，导致输出严重失真）称为交越失真，交越失真是模拟功放天生的缺陷；而数字功放只工作在开关状态，不会产生交越失真。模拟功放存在推挽对管特性不一致而造成输出波形上下不对称的失配失真，因此在设计推挽放大电路时，对功放管的要求非常严格，即使如此也未必能够做到完全对称。而数字功放对开关管的配对无特殊要求，无须严格匹配；模拟功放为保证其电声指标，几乎无一例外都采用负反馈电路，在负反馈电路中，为抑制寄生振荡，采用相位补偿电路，从而会产生瞬态互调失真。数字功放在功率转换上无须反馈电路，从而避免了瞬态互调失真。 2、高效率，可达７５％～９５％。 由于数字功放采用开关放大电路，效率极高，可达７５％～９５％（模拟功放一般仅为３０％～５０％，甚至更低），在工作时发热量非常小。功率器件均工作在开关状态，因此它基本上没有模拟功放的静态电流损耗，所有能量几乎都是为音频输出而储备，而且瞬态响应好。 3、过载能力与功率储备能力强 数字功放电路的过载能力远远高于模拟功放。模拟功放分为A类、B类或ＡＢ类等几类功率放大电路，正常工作时功放管工作在线性区；当过载后，功放管工作在饱和区，出现削顶失真，失真呈指数级增加，音质迅速变坏。而数字功放在功率放大时一直处于饱和区和截止区，只要功率管不损坏，失真度不会迅速增加。 4、功放和扬声器的匹配好 由于模拟功放中采用的功放管内阻较大，所以在匹配不同阻值的扬声器时，模拟功放电路的工作状态会受到负载（扬声器）大小的影响。而数字功放的输出电阻不超过０.２欧姆（开关管的内阻加滤波器内阻），相对于负载（扬声器）的阻值（４～８欧