数字功率放大器

2010-09-20张飞碧

演艺科技 2010年1期

张飞碧

（北京理工大学，北京 100081）

随着数字技术在扩声领域应用的不断扩大，扩声系统的各部分，如声源（CD、DVD、MD、MP3、硬盘录音机）、调音台、音频处理器等都已实现了数字化，并已应用在各类扩声系统中。现在，功率放大器也已逐步由传统的模拟类向数字化、网络化方向发展，使扩声系统的数字化结构更加完善，使用功能更为强大。

1 模拟功率放大器

传统扩声系统一直采用模拟类功率放大器，从最初发展到现在，经历了漫长的过程。模拟功率放大器分电子管功率放大器、晶体管功率放大器和MOS FET音频场效应管功率放大器等三个发展阶段。

电子管功率放大器的转换速率（影响高音品质的参数）高、工作可靠、偶次谐波失真小（听觉对偶次谐波失真特别敏感）、音质好，一直深受专业人士喜爱；但是，它的体积大、电源利用率低、发热量大、耗材多。电子管功率放大器的电源转换效率一般在10%～20%，大部分能量都转换为热量耗散掉了。20世纪80年代晶体管功率放大器面市后，电子管功率放大器在专业扩声领域中己被逐步淘汰。

晶体管功率放大器有3种工作类型：A类（甲类）、B类（乙类）和AB类（甲乙类）。其中，A类失真最小、音质最好，但它的转换效率最低，一般只有20%左右；主要用于输出功率不大、专门追求音质的Hi-Fi发烧友音响。B类的转换效率一般可达到50%～60%，但会产生一些小的交越失真（不到0.1%），听觉难以觉察；主要用于输出功率大、数量多的各类专业扩声系统。AB类综合了A类和B类的优点，它的转换效率处于A类和B类之间，失真较小；主要用于小型音乐厅和家庭影院多声道AV功率放大器。由于B类功率放大器的失真小、效率高、重量轻、耗材少、输出功率大和性价比高等优点，因此，在专业扩声领域获得广泛应用。表1是各类模拟功率放大器的性能对比。

虽然晶体管功率放大器的总谐波失真度等多项技术性能指标都比电子管功率放大器要高，且B类晶体管功率放大器的电源利用率已提高到50%～60%，技术上很成熟，但是，不管哪一类晶体管功率放大器，其主观听音评价总不及电子管功率放大器那么细腻、逼真。因此，许多功率放大器厂商都在不断研究电子管功率放大器和晶体管功率放大器之间的性能差异。从工作原理上分析，电子管是一种电压控制器件，只需极小的控制功率，属于刚性开关器件，转换速率高；晶体管是一种电流控制器件，需要较大的控制电流，属于软性开关器件，转换速率较慢；这是二者最基本的差别。20世纪80年代中期，欧洲首先推出了采用MOS FET音频场效应管模拟功率放大器，它既有晶体管的基本优点，又有电子管的电压控制及转换速率快等优点。但后来发现这种功率放大器的可靠性不高，而且输出功率比较小，最大输出功率仅为2×150 W/8 Ω。因此，未被市场认可。

2 数字功率放大器的原理和分类

早在20世纪60年代，就有人提出了数字功率放大器的概念，但由于技术不成熟而一直没有进展。1983年，M.B.Sandler等学者提出了D类数字功率放大器的基本结构，它的设计重点在于如何将PCM脉冲编码调制信号转变为PWM脉冲宽度调制信号，然后将PWM信号进行数字大功率放大和解调。20世纪90年代，美国TRIPASS公司设计了改进的D类数字功率放大器，取名为“T”类数字功率放大器。1999年，意大利POWERSOFT公司推出了采用大功率MOS FET开关场效应管数字功率放大器的商业产品，从此，数字功率放大器进入了工程应用，并获得业内认可，市场日益扩大。

现在市场上的数字功率放大器主要有Class-D、1bit和Class-I三种类型。

2.1 Class-D类数字功率放大器

Class-D类数字功率放大器与模拟功率放大器相比，最大的区别是它放大的音频信号不是线性模拟信号，而是数字开关信号。当模拟音频信号输入到Class-D类数字功率放大器时，首先，将音频信号转换成脉宽调制信号（PWM）；然后，把PWM进行高效率数据放大（Class-D类放大）；最后，通过低通滤波器解调为大功率模拟音频信号，输出到扬声器系统。图1是意大利POWERSOFT公司推出的Class-D类数字功率放大器的工作原理。

在PWM转换过程中，由于PWM调制的音频信息全部包含在脉冲的宽度变化中，与脉冲的幅度变化无关。因此，只要采用截止频率为20 kHz的低通滤波器就可以把全部模拟音频信号解调出来。图2是PWM调制信号的波形图。

PWM采用200 kHz～500 kHz高采样率和8 bit或16 bit的量化率。如此高的脉冲采样频率是为了保证PWM的功率解调低通滤波器能高效、可靠地滤除采样脉冲频率成份。另外，为了适应PCM格式的数字声源直接输入，功率放大器内部还设有一个将PCM转换为PWM格式的转换装置。

Class-D类数字功率放大器的电源利用率可达到85%～90%。由于电源转换效率很高，功率放大器产生热量很少，因此，功率放大器只需要自然散热，不需使用风扇强制散热，消除了风扇噪声。

虽然Class-D类数字功率放大器效率高、热量小，但音质上低频的丰满度不够，而且输入信号过载时会产生数字削波问题，与模拟功率放大器相比它的低频输出能量不足，因此，主要用于会议扩声系统和公共广播系统。

2.2 1bit数字功率放大器

在PWM数字编码中，度量模拟信号的动态变化范围由量化bit数决定，每bit的量化值相当于6 dB的信号动态变化范围。例如，采用16 bit量化的A/D转换，可获得16×6 = 96 dB的信号动态范围。此外，为便于调宽脉冲解调，PWM数字功率放大器的采样频率都需设置在200 kHz以上，因此，产生的码率可达到16 bit×200 kHz = 3 200 bps（3.2 Mbps）以上，对PWM脉冲功率放大器件提出了高速率、大功率的苛刻要求。那么，能否在降低量化bit的同时又不降低96 dB动态范围性能呢？

1999年，日本SHARP公司首先提出了1bit数字功率放大器概念。它采用2.824 4 MHz高采样率和1bit量化的数字编码方案。1bit量化是根据对模拟信号振幅变化的前后两个取样值判决的。如果当前模拟信号的幅值比前面取样的幅值大，则输出数字信号为“1”（输出一个脉冲）；反之，如果当前模拟信号的幅值比前面取样的幅值小，则输出数字信号为“0”（没有脉冲输出）。这样形成的数字信号流是由“0”和“1”组成的脉冲序列。由此可见，1bit信号测量的是模拟信号振幅变化的相对差值，称为Δ-Σ增量调制编码法，图3是1bit数字功率放大器的工作原理。1 bit取样产生的码率为：1 bit×2.824 4 MHz = 2.824 4 Mbps，比上述编码方法产生的码率更低一些。

1bit数字功率放大器与D类数字功率放大器相比具有很多优点，失真更小，电源转换效率可达90%以上，频响特性可达2 Hz～50 kHz，动态范围可达95 dB以上，而且噪声极低，频响范围内的相移也很小；缺点是系统复杂，成本太高。因此，目前只用于少数专业录音产品。

2.3 Class-I数字功率放大器

美国CROWN公司经过多年的研究，在保留Class-D类功率放大器高效率、低热量等优点的基础上，利用Class-I专利技术开发了性能更好的Class-I数字功率放大器。

Class-I采用Balanced Current Amplifier（平衡电流放大）技术，它是CROWN最新一代的数字功率放大器技术。与D类数字功率放大器相比，提高了功率放大器的阻尼系数，增加了低频功率输出，电源转换效率更高，输出功率更大，改进了音质，为数字功率放大器真正应用到各类专业扩声领域开辟了一条全新的路径。现在CROWN的CTs、I-Tech、MAi和I-Tech HD等系列数字功率放大器都应用了这项先进技术。

2.3.1 技术剖析

Class-I数字功率放大器的技术基础仍是PWM脉冲调宽技术，但数字功率放大部分采用了全新概念的大功率开关型平衡电流放大技术。

在普通D类数字功率放大器设计中，PWM信号在正负两个极性开关晶体管中交替开启或关闭，即当正极性晶体管关闭的时候，负极性晶体管必须立即同步打开，它们同步运作的时间基准是PWM脉冲的前沿（或后沿），这个时间一定要控制得非常精确，任何微小的时间差都会导致正负两种极性晶体管不能完全同步打开和关闭，产生的差值电流会击穿输出晶体管。换句话说，正负两种极性的晶体管必须精确地轮流打开及关闭，如图4所示；此外，如果任何一种极性晶体管没有正常打开，还会产生大量失真。如果正负两种极性的晶体管同时打开，就会产生穿透电流，导致开关晶体管损坏。实际工作中，由于正负脉冲前、后沿斜率的差异，常常会导致不能精确地同步开与关。

Class-I数字功率放大器采取了下列技术措施，并获得了更优秀的性能：

（1）失真更小、可靠性更高的脉冲功率放大技术

在全新设计的Class-I功率放大器中，推挽开关电路的时间基准不是像D类功放那样，按照脉冲的前沿（或后沿）为基准交替进行，而是以正极性脉冲和负极性脉冲的中心时间为基准同步工作。也就是说，所有正负极性的晶体管是以同样的基准中心点进行运作，这种时间基准的同步误差极小，产生的失真也很小，而且不会产生穿透电流，因此，可达到更小的失真和更高的可靠性。

此外，为防止输入信号过载产生数字削波失真问题，Class-I数字功率放大器在模拟信号输入端，设置一个高性能的压缩限幅器，这样可有效防止因输入过载而产生的数字削波问题。

（2）输出功率更大、电源转换效率更高的平衡电流放大技术

Class-I专利技术的另一个关键点是平衡电流放大技术。该技术的工作原理分述如下：

将输入信号分为零电压、正电压和负电压3种状态。

a. 零电压输入状态

当功率放大器没有输入信号时，正负极性两种晶体管开关同时以50%状态进行开、关转换。也就是说，在一个PWM脉冲周期中，每个晶体管有50%的时间保持开启，正极性晶体管如此，负极性晶体管亦然。它们产生的能量相等、电流方向相反，在输出端，这些电流相互抵消，没有输出电流，如图5所示。换句话说，正、负电流在能量和时间上完全相等，它们是完全平衡的，像两匹马反方向同时拉一辆车，如果两匹马势均力敌，力量相等，车子不会向任何一个方向移动。所以，称作电流平衡放大（Balanced Current Ampli fi er）。

b. 正电压输入状态

正电压输入时，PWM的脉冲宽度随模拟输入信号振幅的大小作相应展宽，由于正负两个极性的开关晶体管是反向激励的，在正极性脉冲展宽的同时，负极性脉冲相应变窄（即相位相反），则正极性晶体管在每个正电压输入周期内的输出电流增大，同时负极性晶体管减少同样的输出量，如图6所示。在两匹马理论中，如果一匹马的拉车力量比另一匹马大，车子就会向力大的一方移动。

c. 负电压输入状态

同理，负电压输入时，PWM的脉冲宽度随模拟输入信号振幅的大小而相应变窄，由于正负两个极性的开关晶体管是反向激励的，正极性脉冲变窄，负极性脉冲展宽，则正极性晶体管在每个负电压输入周期内的输出电流减小，同时，负极性晶体管反方向增加同样的输出量。两者相加，得到如图7所示的负极性输出信号。

（3）采用更高的PWM脉冲采样频率和高效的解调滤波器

Class-I数字功率放大器的PWM脉冲采样频率为250 kHz，16 bit量化，无论正负极性脉冲的宽窄，它们的中心点都是始终保持在同一位置上。当它们叠加时，就会在合成输出端上生成两倍频率的脉冲波形，如图8所示，即输出信号的取样频率变成为500 kHz（滤波前）；Class-I功率放大器使用桥接模式，则信号频率还要翻番。

这样，250 kHz的采样脉冲就成为500 kHz的PWM高频输出信号。500 kHz的高频采样信号频率，使低通滤波器的工作效率更高、内阻更小、阻尼系数更大，同时，还可减少滤波器的相位偏移，得到更丰满、更清晰细腻、更平滑、更悦耳的声音。

功率放大器的阻尼系数是直接影响低音的清晰度和丰满度的重要指标。Class-I数字功率放大器的高采样频率和高效的低通解调滤波器是提高数字功率放大器阻尼系数的关键。

（4）回收利用扬声器负载的自感电动势能量，进一步提高电源转换效率

Class-I功率放大器除具有D类功率放大器高的电源转换效率，还回收利用了扬声器自感电动势的能量。在驱动扬声器时，功率放大器通过线缆将驱动功率传送给扬声器，驱动纸盆向前振动，推动空气，发出声音。当纸盆向后振动时，会有一个反电动势从扬声器返回给功率放大器，这时功率放大器会接收到从扬声器返回的能量。模拟功率放大器接收到这个能量之后，只能将它转换成热能散发出去，这也是模拟功率放大器热量大的原因之一。而Class-I功率放大器接收到扬声器返回的能量后，通过内部的存储电路，将这个能量存储起来，再转换成电动势送给扬声器。所以Class-I功率放大器的热量很低，增大了输出功率，其最小的一个型号功率也能达到1 250 W/8 Ω。图9 是Class-I功率放大器与传统功率放大器热量对比。

2.3.2 Class-I功率放大器的主要技术特点

（1）音质好、功率大

Class-I数字功率放大器的阻尼系数大，频响特性宽，与其他同类数字功率放大器相比，具有更强大的数字信号处理功能和更大的低频功率储备、更好的中频、高频特性，因此，低音丰满柔和、中音明亮、高音清晰细腻，音质特别纯真；能够很轻松地驱动2 Ω或更低阻抗（最低可达到0.5 Ω）的大功率超低音扬声器负载；不会出现因为功率放大器过热或限幅等原因造成声音突然中断的现象。可用传统模拟功率放大器的测试条件和方法测定全部音频特性指标，参见表7。