数字音频功率放大器基本原理论文

数字音频功率放大器基本原理论文

摘要：在国内的便携式电子产品、汽车音响及Hi-Fi系统中，有很大部分目前仍然采用线性功率放大器。因此，如何将数字音频功率放大器技术及产品应用于目标市场，以及将数字音频功率放大器产品尽快产业化，并占据一定的市场份额，是目前面临的最大问题。

一、引言

随着数字存储技术的日臻完善，绝大多数的音源已经以数字形式存储，模拟功率放大器效率低的缺点也越来越明显，而数字音频功率放大器以其独有的高效率受到了越来越多的重视。数字音频功率放大器早在20世纪70年代中期就已经问世，由于受到大功率开关技术不成熟的限制，未能得到广泛应用。近年来，随着开关技术和输出解调滤波技术的成熟，数字音频功率放大器得到了快速发展。以TI公司为代表的国外电子厂商已推出了实用化的数字音频功率放大器产品，并迅速占领了世界音频功率放大器的小功率市场。

目前，数字音频技术已简化到一两个芯片，制造成本大大降低，在价格上能够与模拟音频功率放大器相当。1995年，日本松下电器公司利用A/D转换器原理，开发出PDM方式的数字音频功率放大器。1998年，TI公司采用集成电路技术，推出面向高端用户的数字放大器。Maxim公司、国家半导体公司、索尼公司等，也相继推出了数字音频功率放大器产品。

二、数字音频功率放大器的基本原理

数字功率放大器的主要部分是前端的数字信号处理，以实现把多

比特数字信号（如PCM编码）变换成1bit的脉宽调制（PWM）信号流输出。用PWM信号来控制后端的H桥MOSFET功率管的导通和截止，实际上也就实现了对PWM控制信号的能量放大。放大了的PWM信号流在通过一个低阶的无源低通滤波器，滤除高频部分，理论上无失真地还原了模拟音频信号并送扬声器发声。

为了将16bit的PCM信号转换成1bit的PWM信号，在理论上1bit 调制器在每一个变换周期内要执行二的十六次方触发。因此在44.1kHz的取样频率下，1bit量化器的时钟频率达2.9GHz，这对于目前的技术来讲是不实际的。如果降低传输速率来满足硬件的限制，噪声级又增加了。为解决这些问题，采用了N倍过取样滤波和噪声整形技术，来提高取样频率和降低量化噪声。

三、数字音频功率放大器产品的关键技术

1.输入PCM信号变换成PWM信号的比特变换技术。对于数字音源，采用能实现全数字链接的数字音频功率放大器为主要发展方向。比特变换电路是为了把再量化噪声移至频带的高端和减少比特压缩引起的信噪比恶化而使用的多比特调制器，目的是减小失真而不必引入负反馈。如果采用PDM方式，为确保相同的信噪比和动态范围，使用的开关频率比PWM方式的要高，开关频率高达数MHz，必须使用输入电容小的开关器件。

2.布线设计技术。开关电路的抗电磁干扰（EMI）设计以及热设计在保证产品性能方面起着至关重要的作用。因此，模块电路的布局、布线设计显得极为重要，必须保证最小的干扰和最优的热分布。

3.输出滤波器设计技术。总谐波失真（THD）主要是由电路的非线性引起的，通过输出低通滤波器的平均作用，可以使D类放大器的THD系数<1%。另外，数字音频功率放大器工作在开关状态，容易产生声音发硬、干涩等失真问题。因此，低通滤波器的设计直接影响着数字音频功率放大器的性能。在低通滤波器设计时，必须选择最恰当的截止频率，达到最佳的滤波效果，并具有尽量低的功耗。

四、数字音频功率放大器的市场分析

与传统的模拟功率放大器相比，数字音频功率放大器具有以下优点：（1）高效率，这是最为突出的优点，一般都在90%以上；（2）可以使用开关电源供电；（3）以纯数字化结构完成了音频信号的链接，大大提高了音源的音质；（4）可以用软件实现调试；（5）功率越大（40 W以上），其成本优势越明显。

由于其关键技术指标均能满足Hi-Fi音响的要求，又具有以上的优点，必然会成为未来音频功率放大器市场中的主流产品。

1.市场前景。中小功率以下的数字音频功率放大器芯片具有广阔的市场应用前景，主要应用于个人数字助理（PDA）、掌上型个人计算机、MP3、CD、DVD播放器、移动电话、便携式电子设备等多媒体产品中。

以手机为例，2002年，我国手机产量为1.2亿台，国内销售的手机数量就多达6800万台。

在汽车音响领域，目前国产汽车的音响配置较低，普通轿车一般只装配收音机、卡带机。但随着轿车在家庭中的普及，在汽车里面享

受悦耳的音乐将成为汽车音响发展的趋势。2005年，我国轿车产能将达到200万辆，超过60亿元的汽车音响市场需要开发。

数字音频功率放大器以其功率、体积小、重量轻、省电的优势，成为未来家用数码音响设备的首选。在Hi-Fi音响和家庭影院系统中，输出声道多至2～10个，每声道功率40～100 W，总功率在500～1000 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非常广阔。

2.国内外发展现状。目前的国内市场上，数字音响功率放大器每年大约1亿美元的市场份额基本为国外公司所瓜分。其中，TI公司约占国内市场的70%，其它公司（索尼公司、Maxim公司和国家半导体公司等）共同占有其余30%的产品市场。

因此，数字音频功率放大器主要面对的是国外专业集成电路公司的竞争。目前，数字音频功率放大器的主要厂商及其主流产品如下：TI公司已推出几十款数字音频PWM处理器和数字音频功率放大器。其中，TPA2000D2型无滤波器D类放大器，其输出功率2 W、关断模式电流≤1μA、功耗小、无输出滤波器和反馈元件，它的尺寸减少75%，成本降低40%。

索尼公司有CXD9634（PWM处理器），CXD96462（60W数字音频功率放大器）及Hi-Fi用100 W混合集成电路。

Maxim已推出二款D类放大器，其中，MAX4297，其输出功率2 W，效率大于90%，价格只售1.5美元/片。

中国电子科技集团公司第二十四研究所已推出了SWH201功率放