基于 的高效數(shù)字音頻功率放大器設(shè)計(jì)近年來(lái)，隨著數(shù)字化優(yōu)勢(shì)的體現(xiàn)，很多尚未數(shù)字化的領(lǐng)域正在逐步加入到數(shù)字化的行列中來(lái)。數(shù)字化處理后的語(yǔ)音信號(hào)在到達(dá)模擬功率放大器之前，必須進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，以便被功率放大器放大，因此從完全數(shù)字化的進(jìn)程看，功率放大器數(shù)字化模式勢(shì)在必行。功率放大器通常根據(jù)其工作狀態(tài)分為5類：即A類、AB類、B類、C類和D類。其中，前4類均可直接采用模擬音頻信號(hào)直接輸入，放大后將此信號(hào)用以推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。D類放大器比較特殊，它只有通和斷兩種狀態(tài)，因此它不能直接輸入模擬音頻信號(hào)，而是需要將信號(hào)進(jìn)行某種變換后再放大。數(shù)字音頻功率放大技術(shù)就是采用了全新的放大體制，功放管工作于D類開(kāi)關(guān)狀態(tài)，與傳統(tǒng)模擬功放相比，具有體積小、功率大，與數(shù)字音源無(wú)縫結(jié)合、能有效降低信號(hào)間的傳遞干擾、實(shí)現(xiàn)高保真等優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的發(fā)展前景。本文提出了高效數(shù)字功率放大器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,將雙邊帶三電平自然采樣法（NBDD）脈寬調(diào)制技術(shù)引入數(shù)字功放的脈寬調(diào)制設(shè)計(jì)中，降低了低通濾波器設(shè)計(jì)階數(shù)、改善了信噪比；通過(guò)將DeadTime（死區(qū)時(shí)間）技術(shù)引入開(kāi)關(guān)放大器的設(shè)計(jì)中，減小了開(kāi)關(guān)放大器的串通損耗和漏源電容損耗。優(yōu)化方案實(shí)現(xiàn)原理此方案采用的是兩個(gè)獨(dú)立的通道，可單獨(dú)、同時(shí)完成信號(hào)的數(shù)字處理和功率放大，并可橋接成一個(gè)通道進(jìn)行信號(hào)的數(shù)字處理和功率放大。每個(gè)通道工作在半橋工作模式下，又可橋接成全橋工作模式進(jìn)行工作。其實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。15-ausW豆博室It:蛀阜TH。*?輯＜口,5??雷蹄?TII口-V；4我婚■.尊討》<±16BntLOdB'F曰 \2 MW*-TMW*V；<fl. .(/SM1<aMt>120<1Id圖1高效數(shù)字功率放大器原理圖輸入的模擬音頻信號(hào)首先經(jīng)隔離放大器進(jìn)行放大,同時(shí)進(jìn)行低通濾波。低通濾波器采用的是二階Butterworth低通濾波器，截止頻率為37kHz，3dB帶寬為22kHz。濾波過(guò)后的信號(hào)與反饋回來(lái)的音頻信號(hào)一起送到誤差放大器進(jìn)行誤差放大，輸出放大的誤差音頻信號(hào)。將放大的誤差信號(hào)和載波信號(hào)送到脈寬調(diào)制器，進(jìn)行NBDD調(diào)制產(chǎn)生PWM信號(hào)。載波信號(hào)是由三角波發(fā)生器產(chǎn)生的高線性度的模擬三角波信號(hào)，頻率為230~280kHz可調(diào)。PWM信號(hào)插入DeadTime后送到浮動(dòng)電源和自舉相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行預(yù)放大，放大了的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)由場(chǎng)效應(yīng)管組成的半橋開(kāi)關(guān)放大器進(jìn)行功率放大，輸出功率PWM信號(hào)。經(jīng)開(kāi)關(guān)放大器放大的PWM信號(hào)被采樣作為反饋信號(hào)送到誤差放大器。功率PWM信號(hào)送到低通濾波器還原出模擬音頻信號(hào)。當(dāng)需要橋接單通道輸出時(shí)，只需在兩半橋輸入端送入等幅反相的音頻信號(hào)，并將負(fù)載接于兩半橋輸出端即可。為了增加模塊的可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)考慮了各種誤操作對(duì)模塊造成的損壞，并提供了故障指示功能，幫助整機(jī)及時(shí)準(zhǔn)確查找問(wèn)題，便于模塊進(jìn)行維修。NBDD調(diào)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)NBDD調(diào)制技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)如圖2所示。幅度陰數(shù)模擬音蜿輸入聃離放大相膿寬據(jù)制內(nèi)述幅度陰數(shù)模擬音蜿輸入聃離放大相膿寬據(jù)制內(nèi)述調(diào)制信號(hào)一比較器 K發(fā)L器圖2NBDD調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)框圖輸入的模擬音頻信號(hào)首先經(jīng)隔離放大器進(jìn)行放大,再與反饋回來(lái)的音頻信號(hào)一起送到誤差放大器，輸出放大的誤差音頻信號(hào)。將放大的誤差信號(hào)和載波信號(hào)送到脈寬調(diào)制器，進(jìn)行NBDD調(diào)制。載波信號(hào)是由三角波發(fā)生器產(chǎn)生的高線性度的模擬三角波信號(hào)，頻率為230~280kHz。此處的重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)高線性度的三角波發(fā)生器和高速比較器。三角波的非線性會(huì)直接影響PWM調(diào)制器的線性度，整機(jī)的失真度；為了能良好的還原音頻,PWM開(kāi)關(guān)頻率不能低于200卜也，因此需要采用高速比較器。調(diào)制方式不僅影響到音頻帶內(nèi)的性能指標(biāo)，而且對(duì)放大器系統(tǒng)的高頻輻射性能(EMC)有著決定性的影響。因此從音頻輸入至脈寬編碼完成鏈路上，所采用的音頻放大器、誤差放大器應(yīng)具備高的輸入阻抗、低的工作電流、寬的增益帶寬、快的上升速度、良好的共模抑制比、低的漂移電壓等技術(shù)指標(biāo);比較器應(yīng)具備響應(yīng)速度快、功耗低、輸入偏移電壓小等特點(diǎn)。3引入DeadTime的開(kāi)關(guān)放大器優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)放大器的主要特點(diǎn)就是高效，因此其優(yōu)化設(shè)計(jì)主要應(yīng)體現(xiàn)在進(jìn)一步減小各類損耗，真正體現(xiàn)其高效率的特點(diǎn)。通過(guò)串通損耗產(chǎn)生的原理，可以在柵極驅(qū)動(dòng)電壓上想辦法，在上管完全截止后再讓下管開(kāi)始導(dǎo)通，在下管完全截止后再讓上管開(kāi)始導(dǎo)通，這樣就可以減小串通損耗，同時(shí)又可以減小結(jié)電容Cds損耗。這種為了解決串通損耗而在兩驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間按延遲導(dǎo)通，正常截止的原則，加入的時(shí)間稱為DeadTime（死區(qū)時(shí)間），原理詳見(jiàn)圖3。圖中分析的是工作在一個(gè)開(kāi)關(guān)臂上的兩個(gè)N溝場(chǎng)效應(yīng)管。\ 通常琳說(shuō)下[-—上，下性翼動(dòng)信\ 通常琳說(shuō)下[-—上，下性翼動(dòng)信 ■jI\口"dtilMCfii.JR行齦動(dòng)號(hào);I：針修iS的樣M竹骨電時(shí)間件梆fikit而招r圖3引入DeedTime前后信號(hào)對(duì)比4各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試指標(biāo)測(cè)試主要采用的是國(guó)際上通用的音頻專用測(cè)試儀AudioPrecisionSystemOne。AudioPrecisionSystemOne是由全球最大的音頻測(cè)試儀器制造商美國(guó)AudioPrecision公司制造。電源經(jīng)電流表送到被測(cè)樣機(jī)的電源插座上;電源輸出的正、負(fù)端間并聯(lián)電壓表，電壓表和電流表分別用于測(cè)試電源輸出的電壓和電流，從而可以計(jì)算出電源輸出功率。被測(cè)樣機(jī)的音頻輸入端接音頻測(cè)試儀的音頻輸出端，功率音頻輸出端分別連接音頻測(cè)試儀和標(biāo)準(zhǔn)功率電阻，被測(cè)樣機(jī)輸出的功率信號(hào)送到標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載上，同時(shí)送到音頻測(cè)試儀上進(jìn)行分析測(cè)試。由計(jì)算機(jī)控制選擇音頻測(cè)試儀AudioPrecisionSystemOne的輸出信號(hào)頻率、幅度等特性，并選擇需要測(cè)試的指標(biāo)，同時(shí)將測(cè)試結(jié)果顯示到計(jì)算機(jī)上。4.1功能指標(biāo)測(cè)試將模塊按正常情況進(jìn)行連接。如無(wú)特殊要求音頻輸入頻率為1kHz的正弦波，電源電壓為±120V。測(cè)試插座XSZ的8腳，如為高電平(+SV)則表示模塊處于保護(hù)狀態(tài)，音頻輸出腳無(wú)信號(hào)輸出;如為低電平(OV)則表示模塊處于正常工作狀態(tài)，音頻輸出腳有信號(hào)輸出。測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)試情況分別為：(1)靜音控制:輸入靜音信號(hào)，音頻輸出腳無(wú)信號(hào)輸出，XSZ的8腳為高，模塊處于保護(hù)狀態(tài)，響應(yīng)外部靜音控制;(2)電源過(guò)壓保護(hù)：將+120V電源升至+128V,負(fù)電源保持不變，模塊進(jìn)入保護(hù)狀態(tài);將-120V電源降至-128V,正電源保持不變，模塊進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)；(3)電源欠壓保護(hù)：將+120V電源降至+100V,負(fù)電源保持不變，模塊進(jìn)入保護(hù)狀態(tài);將-120V電源升至-100V，正電源保持不變，模塊進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)；(4)電源反接保護(hù)：將電源正負(fù)反接，模塊無(wú)損壞進(jìn)入保護(hù)狀態(tài);(5)電源過(guò)流保護(hù)：輸出標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載換為2。，加大輸入音頻信號(hào)幅度，當(dāng)輸出功率超過(guò)2800W時(shí)，音頻輸出腳無(wú)信號(hào)輸出，XS2的8腳為高，模塊處于保護(hù)狀態(tài)；高溫保護(hù)：用高溫溫箱對(duì)模塊進(jìn)行加熱，當(dāng)模塊內(nèi)部溫度達(dá)到+80℃時(shí)，音頻輸出腳無(wú)信號(hào)輸出,XS2的8腳為高，模塊處于保護(hù)狀態(tài);輸出對(duì)地保護(hù):將模塊輸出音頻腳與地短接,音頻輸出腳無(wú)信號(hào)輸出，XS2的8腳為高，模塊處于保護(hù)狀態(tài);輸出短接保護(hù):將模塊輸出音頻腳相互短接,音頻輸出腳無(wú)信號(hào)輸出，XS2的8腳為高，模塊處于保護(hù)狀態(tài);指示：當(dāng)模塊進(jìn)入任一保護(hù)態(tài)時(shí)，XS2的8腳為高，模塊處于保護(hù)狀態(tài)。從以上測(cè)試結(jié)果可以看出本文數(shù)字功率放大器在靜音控制、電源過(guò)壓保護(hù)及電源欠壓保護(hù)等多方面都可以滿足穩(wěn)定工作的要求。4.2技術(shù)指標(biāo)測(cè)試音頻輸入頻率為1kHz的正弦波，電源電壓為!120V。用計(jì)算機(jī)控制選擇音頻測(cè)試儀AudioPrecisionSystemOne的設(shè)置，根據(jù)不同的指標(biāo)測(cè)試選擇測(cè)試項(xiàng)，測(cè)試結(jié)果如表1，圖4~圖6所示。

圖41000W/4樣機(jī)頻響指標(biāo)測(cè)試結(jié)果圖圖51000W/4樣機(jī)噪聲低電平指標(biāo)測(cè)試結(jié)果圖圖61000W/4樣機(jī)失真度指標(biāo)測(cè)試結(jié)果圖.3測(cè)試結(jié)果分析將測(cè)試指標(biāo)與傳統(tǒng)模擬功放和國(guó)外一流數(shù)字功放制造廠家進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。由對(duì)比結(jié)果可以看出樣機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)與國(guó)際知名廠家的專業(yè)功放基本一致。高效數(shù)字功率放大器優(yōu)化設(shè)計(jì)方案通過(guò)樣機(jī)的研制開(kāi)發(fā)驗(yàn)證合理可行，且實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)高效率、高指標(biāo)放大，在大功率領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)取得了較為理想的效果，采用NBDD脈寬調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量脈寬調(diào)制，完美再現(xiàn)脈寬調(diào)制波形，失真度指標(biāo)高，為提高系統(tǒng)可靠性所采取