數(shù)字功放與模擬功放的分析

"數(shù)字功放"的基本電路是早已存在的D類放大器(國內(nèi)稱丁類放大器)。理論證明，D類放大器的效率可達(dá)到100%。然而，迄今還沒有找到理想的開關(guān)元件，難免會(huì)產(chǎn)生一部分功率損耗，如果使用的器件不良，損耗就會(huì)更大些。但是不管怎樣，它的放大效率還是達(dá)到90%以上。

　　由于功耗和體積的優(yōu)勢(shì)，數(shù)字功放首先在能源有限的汽車音響和要求較高的重低音有源音箱中得到應(yīng)用。隨著DVD家庭影院、迷你音響系統(tǒng)、機(jī)頂盒、個(gè)人電腦、LCD電視、平板顯示器和移動(dòng)電話等消費(fèi)類產(chǎn)品日新月異的發(fā)展，尤其是SACD、DVDAudio等一些高采樣頻率的新音源規(guī)格的出現(xiàn)，以及音響系統(tǒng)從立體聲到多聲道環(huán)繞系統(tǒng)的進(jìn)化，都加速了數(shù)字功放的發(fā)展。近年來，數(shù)字功放的價(jià)格呈不斷下降的趨勢(shì)，有關(guān)這方面的專利也層出不窮。

　　一、D類輸出功率和消耗功率與AB類功率放大器消耗比例

　　采用低頻音頻信號(hào)調(diào)制一個(gè)固定高頻頻率的脈寬的一種放大器被人們稱為D類放大器又有人稱為數(shù)字音頻放大器，他最大的特點(diǎn)是效率特別高(理論上可以達(dá)到100%，實(shí)際在85%以上)，采用非常小的電子器件就可以制造出很大功率的音頻放大器。

　　小功率，即1W-3W的功率放大器而言，在相同播放內(nèi)容的狀況下，AB類功率放大器與D類功率放大器的功率效率各約為AB=15%及D=75%。在播放1W音樂的狀況下，AB類功率放大器需要消耗6.7W的功率，但D類功率放大器在同樣的播放條件下只消耗1.33W。因此，使用D類功率放大器可延長電池的使用時(shí)間達(dá)5倍(6.7W/1.33W)。低功率的使用除了手機(jī)，DVD、MP3及PMP之外還有一些流行產(chǎn)品如iPod、手機(jī)、及數(shù)字相框。那么中功率的情況下，即10W-30W的功率放大器而言在相同播放內(nèi)容以語音為主的狀況下，AB類功率放大器與D類功率放大器的功率效率分別為AB=25%及D=80%。

　　在播放10W語音的狀況下，AB類功率放大器需要損耗40W的功率，但D類功率放大器在同樣的條件下播放只損耗12.5Watts。因此使用D類功率放大器可降低電源的成本將近3倍(40W/12.5W)，而且D類功率放大器所產(chǎn)生的2.5W的熱可由一般功率封裝及PCB設(shè)計(jì)即可處理不必額外的散熱器。在大功率輸出的情況下，即100W-200W的D類數(shù)字功率放大器在汽車音響亦將占有一席之地，在此高功率之下D類功率放大器仍免不了使用散熱片，但散熱面積與散熱量比AB類功率放大器所需的要小，由于高效率的原因，D類功率放大器可以在不啟動(dòng)汽車引擎的狀況下有較長的使用時(shí)間而不消耗太多電瓶的電量，D類功率放大器成為現(xiàn)在汽車音響的主要應(yīng)用產(chǎn)品。

　　電子制作網(wǎng)的老鐸先生認(rèn)為，由于D類數(shù)字音頻放大器技術(shù)十分成熟，準(zhǔn)備在一段時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)一些比較有代表的D類數(shù)字音頻放大器電路和放大器專用的音響電源供大家學(xué)習(xí)和制作。

　　二、D類數(shù)字音頻功率放大器的電源成本及散熱成本優(yōu)勢(shì)

　　廠家在計(jì)算功率時(shí)并不以聲音內(nèi)容做標(biāo)準(zhǔn)，而延用傳統(tǒng)的正弦波訊號(hào)當(dāng)輸入。如以正弦波訊號(hào)而言AB類功率放大器與D類功率放大器的功率效率各約為45%及80%。如果以15W×2來計(jì)算D類功率放大器的總供應(yīng)功率約為30W/80%=37.5W，AB類功率放大器的總供應(yīng)功率約為30W/45%=66.7W，所以使用D類功率放大器可節(jié)省將近30W的功率。由于功率放大器的電源由電源器件所提供，因此D類功率放大器的電源器件成本將大大降低。同時(shí)電源器件的散熱器及功率放大器散熱器的成本及電路版空間的成本都有很大的降低。

　　數(shù)字功放由于工作方式與傳統(tǒng)模擬功放完全不同，因此克服了模擬功放固有的一些缺點(diǎn)，并且具備了一些獨(dú)有的特點(diǎn)。

　　1.過載能力與功率儲(chǔ)備

　　數(shù)字功放電路的過載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬功放。模擬功放電路分為A類、B類或AB類功率放大電路，正常工作時(shí)功放管工作在線性區(qū);當(dāng)過載后，功放管工作在飽和區(qū)，出現(xiàn)諧波失真，失真程度呈指數(shù)級(jí)增加，音質(zhì)迅速變壞。而數(shù)字功放在功率放大時(shí)一直處于飽和區(qū)和截止區(qū)，只要功放管不損壞，失真度不會(huì)迅速增加。

　　全數(shù)字功放與普通功放過載失真度比較

　　由于數(shù)字功放采用開關(guān)放大電路，效率極高，可達(dá)75%~90%(模擬功放效率僅為30%~50%)，在工作時(shí)基本不發(fā)熱。因此它沒有模擬功放的靜態(tài)電流消耗，所有能量幾乎都是為音頻輸出而儲(chǔ)備，加之前后無模擬放大、無負(fù)反饋的牽制，故具有更好的“動(dòng)力”特性，瞬態(tài)響應(yīng)好，“爆棚感”極強(qiáng)。

　　2.交越失真和失配失真

　　模擬B類功放在過零失真，這是由于晶體管在小電流時(shí)的非線性特性而引起的在輸出波形正負(fù)交叉處的失真(小信號(hào)時(shí)晶體管會(huì)工作在截止區(qū)，無電流通過，導(dǎo)致輸出嚴(yán)重失真)。而數(shù)字功放只工作在開關(guān)狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生交越失真。

　　模擬功放存在推挽對(duì)管特性不一致而造成輸出波形上下不對(duì)稱的失配失真，因此在設(shè)計(jì)推挽放大電路時(shí)，對(duì)功放管的要求非常嚴(yán)格。而數(shù)字功放對(duì)開關(guān)管的配對(duì)無特殊要求，基本上不需要嚴(yán)格的挑選即可使用。

　　3.功放和揚(yáng)聲器的匹配

　　由于模擬功放中的功放管內(nèi)阻較大，所以在匹配不同阻值的揚(yáng)聲器時(shí)，模擬功放電路的工作狀態(tài)會(huì)受到負(fù)載(揚(yáng)聲器)大小的影響。而數(shù)字功放內(nèi)阻不超過0.2Ω(開關(guān)管的內(nèi)阻加濾波器內(nèi)阻)，相對(duì)于負(fù)載(揚(yáng)聲器)的阻值(4~8Ω)完全可以忽略不計(jì)，因此不存在與揚(yáng)聲器的匹配問題。

　　4.瞬態(tài)互調(diào)失真

　　模擬功放幾乎全部采用負(fù)反饋電路，以保證其電聲指標(biāo)，在負(fù)反饋電路中，為了抑制寄生振蕩，采用相位補(bǔ)償電路，從而會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)互調(diào)失真。數(shù)字功放在功率轉(zhuǎn)換上沒有采用任何模擬放大反饋電路，從而避免了瞬態(tài)互調(diào)失真。

　　5.聲像定位

　　對(duì)模擬功放來說，輸出信號(hào)和輸入信號(hào)之間一般都存在著相位差，而且在輸出功率不同時(shí)，相位失真亦不同。而數(shù)字功放采用數(shù)字信號(hào)放大，使輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位完全一致，相移為零，因此聲像定位準(zhǔn)確。

　　6.升級(jí)換代

　　數(shù)字功放通過簡(jiǎn)單地更換開關(guān)放大模塊即可獲得大功率。大功率開關(guān)放大模塊成本較低，在專業(yè)領(lǐng)域發(fā)展前景廣闊。

　　7.生產(chǎn)調(diào)試

　　模擬功放存在著各級(jí)工作點(diǎn)的調(diào)試問題，不利于大批量生產(chǎn)。而數(shù)字功放大部分為數(shù)字電路，一般不需調(diào)試即可正常工作，特別適合于大規(guī)模生產(chǎn)。

　　三、數(shù)字功放和“數(shù)字化”功放、“數(shù)碼”功放的區(qū)別

　　所謂的“數(shù)字化”功放只是在前置級(jí)上采用數(shù)字信號(hào)處理的方式，在模擬音頻信號(hào)或數(shù)字音頻信號(hào)輸入后，采用現(xiàn)有的數(shù)字音頻處理集成電路，實(shí)現(xiàn)一些比如聲場(chǎng)處理、數(shù)字延時(shí)、混響等功能，最后再通過模擬功率放大模塊進(jìn)行音頻放大。其典型電路框圖如圖2所示。由圖2可知，其各模塊的接口都是采用模擬方式。而數(shù)字聲場(chǎng)處理模塊的大致原理框圖如圖3所示。

　　雖然目前各集成電路廠家都推出了數(shù)字聲場(chǎng)處理、數(shù)字卡拉OK和數(shù)字杜比解碼集成電路。但是由于目前功放大都只能接收模擬音頻信號(hào)，所以各集成電路的接口也大多是模擬的，這就需要反復(fù)地進(jìn)行模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換，由此會(huì)引入量化噪聲，使音質(zhì)惡化。

　　全數(shù)字功放除了針對(duì)揚(yáng)聲器的接口以外(這是因?yàn)槟壳皳P(yáng)聲器都只能接受模擬音頻信號(hào))，音頻信號(hào)在功放內(nèi)部都是以數(shù)字信號(hào)的方式進(jìn)行處理(包括功率放大);對(duì)于模擬音頻信號(hào)，必須轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)后才能進(jìn)行處理。

　　在已經(jīng)具備數(shù)字音頻的時(shí)代推出數(shù)字功放，將可能對(duì)音響技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。