陳昕

（安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蚌埠，233060）

1 引言

CobraNet技術(shù)和數(shù)字功率放大器技術(shù)的發(fā)展和集成是網(wǎng)絡(luò)音頻系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。很多專業(yè)音響設(shè)備制造商已認(rèn)可了這一應(yīng)用方向。在眾多系統(tǒng)中，CobraNet技術(shù)和數(shù)字功放技術(shù)以其良好的互操作性、低成本、可靠和穩(wěn)定的測試迅速發(fā)展。功率放大器是音頻系統(tǒng)必不可少的組成部分，A類、B類和AB類模擬功率放大器仍占有重要地位。此類功率放大器在線性狀態(tài)下工作，通常不使用電感裝置，線性電路中的輸出和輸入之間是嚴(yán)格的比例關(guān)系。因此，線性電路通?？梢詫崿F(xiàn)良好的保真性，即最小失真。然而，由于放大器始終在線性范圍內(nèi)工作，將持續(xù)產(chǎn)生較大的功耗，并導(dǎo)致電路效率顯著降低。

數(shù)字功放也叫開關(guān)類功放和D類功放，其工作原理類似于穩(wěn)壓電源，功率轉(zhuǎn)換是通過控制晶體管的開關(guān)狀態(tài)來完成的。如果晶體管處于導(dǎo)通模式，則電流最大，但其管電壓非常低；在截止模式下，盡管存在最大電壓，但電流為零。因為開關(guān)器件有很小的飽和電壓，這時功耗只與晶體管的特性有關(guān)，與信號輸出的大小無關(guān)[1]。因此，器件上的功耗非常低，適合高功率放大器的輸出。

2 數(shù)字功放技術(shù)

與模擬信號不同，數(shù)字信號是振幅和時間都不連續(xù)的離散信號，它是一系列獨立的脈沖信號，將具有連續(xù)振幅和時間的模擬信號轉(zhuǎn)換為不連續(xù)的脈沖信號，這種轉(zhuǎn)換稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換，簡稱為ADC或者A/D。振幅和時間連續(xù)變化的音頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，即音頻信號數(shù)字化，縮寫為PCM（Pulse-Code Modulation）或稱脈沖編碼調(diào)制。數(shù)字信號傳輸、計算和存儲都很方便，抗干擾能力強，優(yōu)勢明顯。

2.1 各類功率放大器特性

2.1.1 A類功放

又稱甲類功放，電路中兩個半導(dǎo)體晶體管始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，無論是否有信號輸入，都會有大電流流過。所以，A類功率放大器的導(dǎo)通角為360°，是效率最低的放大器。同時，A類功率放大器具有大體積、大重量和高工作溫度等特點，但其優(yōu)點是失真非常小，音質(zhì)完美。

2.1.2 AB類功放

由于B類功放會導(dǎo)致嚴(yán)重的交越失真，因此很少用于音頻放大。AB類功率放大器是一種改進的B級放大器，在效率和性能之間進行了折衷。當(dāng)輸入信號較小時，它采用A類工作模式，以提高電路的線性度；當(dāng)輸入信號上升到一定水平時，它會自動切換到B類模式，以便放大器能夠?qū)崿F(xiàn)高效率。AB類功率放大器的導(dǎo)通角大于180°，它的設(shè)計克服了A類功放效率低和AB類功放存在交越失真的缺點，是目前最常用的模擬功率放大器。

2.1.3 D類功放

D類功放中使用以開關(guān)模式工作的半導(dǎo)體裝置，這種半導(dǎo)體器件要么完全導(dǎo)通，要么完全截止，如果它導(dǎo)通并流過大電流，則半導(dǎo)體器件上的壓降為零。如果完全截止，則半導(dǎo)體器件上的電流為零，理論上可實現(xiàn)零損耗。

在實際應(yīng)用中，由于半導(dǎo)體元件的導(dǎo)通阻抗和漏電流，其功率損耗是不可避免的，但這種損耗非常小[2]。開關(guān)功放的主要損耗是開關(guān)損耗，即兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換而導(dǎo)致的功耗。顯然，這種功耗比線性功率放大器造成的損耗小得多。

3 數(shù)字功放的電路組成及工作原理

3.1 CobraNet接口數(shù)字功放系統(tǒng)

在CobraNet接口數(shù)字功放系統(tǒng)中，CobraNet交換機向CobraNet接口數(shù)字功放發(fā)送實時音頻信號和控制信號。數(shù)字功率放大器根據(jù)控制信號命令處理音頻信號，然后由數(shù)字功率放大器放大并送至揚聲器。同時，還可以實時地將數(shù)字功率放大器的工作狀態(tài)傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

圖1 CobraNet接口數(shù)字功放系統(tǒng)框圖

圖2 數(shù)字功放組成框圖

3.2 數(shù)字功放基本組成

輸入級將模擬音頻信號經(jīng)隔離放大器放大，再與反饋的音頻信號一起送誤差放大器，接下來將此信號與三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波送至脈沖寬度調(diào)制電路，調(diào)制輸出PWM信號。PWM信號經(jīng)放大級電路放大，最后由輸出級的低通濾波器還原為放大的模擬音頻信號。

3.2.1 脈寬調(diào)制電路

脈沖寬度調(diào)制PWM電路包括三角波發(fā)生器和比較器。經(jīng)過放大器處理的音頻信號和三角波合成為數(shù)字信號——脈寬調(diào)制信號，來驅(qū)動后級開關(guān)功率放大電路。這個過程是一個A/D轉(zhuǎn)換過程。PWM信號包含音頻信號的信息，實際為數(shù)字信號，其占空比隨信號強度的變化而變化。

圖3 PWM輸入輸出信號關(guān)系

按照PWM調(diào)制的方法不同，可分為NPWM調(diào)制和UPWM調(diào)制兩類。本設(shè)計選用NPWM調(diào)制，其原理是從模擬音頻信號中減去由功率放大器輸出端反饋回來的模擬輸入音頻信號，信號經(jīng)誤差放大器處理后，發(fā)送至NPWM調(diào)制器，通過NPWM調(diào)制器輸出的PWM信號由開關(guān)功率放大器放大，最后由低通濾波器恢復(fù)為模擬音頻信號。

數(shù)字功率放大器的NPWM調(diào)制直接對模擬信號進行調(diào)制，所以又稱為自然脈寬調(diào)制（NPWM）。NPWM中沒有量化過程，理論上沒有量化誤差，可以保證音頻恢復(fù)的高指標(biāo)；NPWM具有較短的處理延遲，輸入和輸出均為模擬信號，因此可以使用線性控制來補償從輸入到輸出的每個過程中產(chǎn)生的非線性和噪聲，以確保音頻信號的高精度[3]。

3.2.2 放大級開關(guān)功率放大電路

開關(guān)功率放大器由前置驅(qū)動器和開關(guān)放大器電路組成，開關(guān)放大器性能對數(shù)字功率放大器的效率和性起著決定性作用。開關(guān)放大器電路中的MOSFET工作在開關(guān)模式，如果功率管處于低阻抗，電流流過功率管，產(chǎn)生的損耗非常小；如果功率管處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，則施加在功率管上的電壓為電源電壓，但此時流過功率管的電流為零，損耗同樣非常小。

圖4 開關(guān)功率放大電路

3.2.3 輸出濾波電路

PWM信號中攜帶有音頻信號，用低通濾波器作為解調(diào)濾波器可以從PWM開關(guān)信號中恢復(fù)出音頻信號。巴特沃茲二階低通濾波器是一種帶內(nèi)平坦．過渡帶衰減快，能較好地實現(xiàn)音頻還原的濾波器。截止頻率、帶內(nèi)波動、帶外衰減是設(shè)計低通濾波器時考慮的主要指標(biāo)；MOSFET的開關(guān)頻率決定輸出濾波器的階數(shù)，頻率越高，階數(shù)越低，為了簡化低通濾波器的結(jié)構(gòu)，開關(guān)頻率應(yīng)盡可能高；然而，開關(guān)頻率的增加會引起明顯電磁干擾，因此有必要在兩者之間進行平衡。每十倍頻程的二階低通濾波器的帶外阻尼為40dB。通過使用更多元件實現(xiàn)高階濾波器，可以進一步增加帶外阻尼。

低通濾波器的傳遞函數(shù)為：

圖5 低通濾波器

4 結(jié)論

按照D類功放設(shè)計的數(shù)字功放可以在基于CobraNet技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)音頻系統(tǒng)中實現(xiàn)音頻信號的高質(zhì)量傳輸，實現(xiàn)了音頻信號的低失真放大。主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計需求。

該CobraNet接口數(shù)字功放，可以用于推動由數(shù)個音箱組成的線陣，由于其體積小、重量輕、性能可靠，因此能夠適用于多種場合。CobraNet接口數(shù)字功放產(chǎn)品涉及計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字信號處理、單片機、數(shù)字電路、模擬電路、自動控制原理和功率轉(zhuǎn)換等多個領(lǐng)域的多項技術(shù)，是先進技術(shù)的集中體現(xiàn)。