基于DDX技術(shù)實現(xiàn)高效率數(shù)字音頻功放方案

　數(shù)字音頻放大器利用晶體管快速切換的開關(guān)特性進行工作，其效率比A類、B類和AB類放大器要高，可達到90％以上。隨著數(shù)字音源與數(shù)字音頻技術(shù)的迅速發(fā)展，直接對數(shù)字音頻信號進行功率放大而不需要進行模擬轉(zhuǎn)換的數(shù)字音頻功率放大器得到了迅速發(fā)展，它具有效率很高并且能與數(shù)字音源直接對接，實現(xiàn)端到端的純數(shù)字音頻處理和放大等優(yōu)點。

　　直接數(shù)字放大（DDX）是一種直接把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成功率信號而無需數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）的高效率音頻放大器技術(shù)。它的實現(xiàn)包括2個主要部分：第一，把數(shù)字音頻接口得到的或者A／D轉(zhuǎn)換得到的PCM數(shù)字音頻數(shù)據(jù)進行異步采樣率轉(zhuǎn)換和上采樣，然后通過先進的數(shù)字信號處理技術(shù)轉(zhuǎn)換成DDX專利的3態(tài)調(diào)制信號輸出；第二，經(jīng)過DDX調(diào)制之后的數(shù)字信號控制3態(tài)驅(qū)動邏輯電路，產(chǎn)生相應的開關(guān)控制信號來控制半橋電路中功率管的導通與截止，經(jīng)過低通濾波之后，在負載上得到放大的音頻輸出（圖1）。

　　DDX音頻放大器結(jié)構(gòu)與驅(qū)動方式

　　每個半橋包括2個輸出功率管，1個是連接到正電源的高端功率管，通常采用N-MOSFET以減小尺寸和電容；另一個是連接到負電源的低端功率管，通常采用P-MOSFET。兩個半橋可以構(gòu)成一個全橋，采用全橋的音頻放大器可以實現(xiàn)平衡輸出，易于改善放大器的輸出濾波特性，并且可以減少電磁干擾（EMI）。全橋電路負載上的電壓峰峰值接近電源電壓的2倍，因此不需要提高電源電壓就可以提高輸出功率，從而可以采用單電源供電。通過DDX調(diào)制處理之后的開關(guān)信號控制兩個半橋電路中功率管的導通與截止，使負載電流從一個半橋流入，從另一個半橋流出，為濾波器提供極性相反的脈沖信號。最基本的二階低通濾波器包含了2個電感器，兩個電容器和揚聲器。當開關(guān)信號使兩個半橋的高端功率管同時截止，而低端功率管同時導通的時候，利用濾波器回路中的這些儲能組件可以繼續(xù)為揚聲器提供負載電流，從而進一步提高了電源效率，并且降低了與調(diào)制過程相關(guān)的高頻能量，將電磁干擾減至最小。

　　由于DDX放大器可以接受來自DSP直接輸入的數(shù)字音頻編碼信號，因此不需要為每個聲道準備D/A轉(zhuǎn)換器，從而減少了中間不必要的轉(zhuǎn)換層級，音質(zhì)自然得到顯著的改善，成本也隨著元部件數(shù)目的減少而下降。同時，由于是直接在數(shù)字域?qū)σ纛l信號進行處理，因此可以在DDX放大器中集成各種先進的數(shù)字信號處理技術(shù)，對音頻信號進行諸如分段EQ控制、音調(diào)控制、音量控制等等處理，以及各種針對放大的模擬音頻信號的調(diào)節(jié)、控制和保護等處理。

　　DDX音頻放大器的應用設計和開發(fā)

　　下面，我們以意法半導體(STM)最新推出的一款DDX音頻放大器STA333BW為例，來具體了解DDX音頻放大器的結(jié)構(gòu)和功能，以及如何利用DDX音頻放大器進行產(chǎn)品設計和開發(fā)。

　　STA333BW是一款2.1通道的DDX音頻放大器，供電范圍為+5V ~ +18V，可以通過I²S接口接收采樣率為32kHz ~ 192kHz的所有數(shù)字音頻格式的數(shù)據(jù)，并且在內(nèi)部轉(zhuǎn)換成96kHz采樣率進行相應的數(shù)字信號處理。每個通道包含4個28位可編程EQ，獨立的音量控制和音調(diào)控制，所有的內(nèi)部寄存器可以通過I²C總線進行編程和訪問。

　　芯片內(nèi)置了過熱保護和短路保護等措施，并且具有先進的AM頻率抗干擾和噪聲抑制技術(shù)，確保EMI輻射不會干擾AM/FM信號的接收。先進的DDX技術(shù)為放大器提供了94dB的信噪比和動態(tài)范圍。輸出功率級包含了4個半橋，可以根據(jù)需要靈活配置成4種輸出結(jié)構(gòu)，包括2通道立體聲輸出(2×20W)，2.1通道輸出(2×10W+1×20W)，單通道輸出(1×40W)和2通道立體聲輸出(2×20W)+立體聲Lineout輸出。

　　了解STA333BW的豐富功能之后，我們設計出一套評估板系統(tǒng)，從而可以很方便地進行DDX音頻放大器的性能評估和使用，并且為具體的產(chǎn)品設計提供思路和方法。這套評估板系統(tǒng)包括控制接口板和DDX功率板兩塊（圖2）。

　　控制接口板可以通過硬件控制和軟件控制兩種方法來使用。如果采用硬件控制方法的話，我們可以利用板上的7個按鍵或者紅外遙控進行操作。意法半導體(STM)的ST72324作為人機界面控制MCU，一方面接受來自按鍵或者紅外遙控器的指令，從而向DDX功率板發(fā)出相應的控制命令，一方面通過液晶顯示屏更新相應的狀態(tài)和參數(shù)顯示。如果采用軟件控制方法的話，必須先在計算機中安裝相應的驅(qū)動程序，然后將控制接口板的并口連接到計算機的并口上，通過運行STA333BW的控制軟件來設置相應的所有功能。STA333BW的控制軟件提供了友好的人機界面，分為Control，I/O，Register和Filter Editor四個菜單表，可以非常方便地對STA333BW的所有功能進行詳細地設置和操作。
　　硬件控制和軟件控制的本質(zhì)都是通過I2C總線向STA333BW發(fā)出控制指令，從而實現(xiàn)各種控制功能。另外，ASAHI KASEI MICROSYSTEMS (AKM)- AK4113是一個24位立體聲數(shù)字音頻接收器，可以接收來自光纖接口和同軸接口的高保真數(shù)字編碼音頻信號，然后轉(zhuǎn)化為I²S信號；AKM - AK5358A是一個24位立體聲A/D轉(zhuǎn)換器，把立體聲模擬音頻信號轉(zhuǎn)換為I²S信號。AK4113和AK5358A可以分別接收來自數(shù)字接口和模擬接口的音頻信號源，為DDX功率板提供I²S音頻信號。

　　板上的STA333BW接收來自控制接口板的I²S音頻信號和控制信號，可以靈活地組合出前述的4種功率輸出配置，回放并且放大來自前端數(shù)字音源或者模擬音源的音頻信號。

　　結(jié)束語

　　利用DDX音頻放大器對數(shù)字音源輸出的音頻信號進行直接處理和放大，可以方便地實現(xiàn)高保真，高效率和低成本的音放大器，為數(shù)字音源，音頻處理和功率放大的整合提供了完整的端到端數(shù)字解決方案。