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数字放大器使家庭音响走向小型化

上网日期: 2004年01月17日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:家庭音响? 数字放大? D类? 脉宽调制?

家庭音响的消费者有一种老观念,即设备越大越好,而最强大的系统甚至应该令搬运工都感到犯难。但新一代音响设备、DVD播放机和综合家庭影院系统正在替代这些庞然大物。

采用数字放大的新一代音视频(AV)播放器正变得前所未有的小和轻。借鉴自开关电源的数字放大技术可以使功效提高94%,从而省去了通常与功率晶体管输出级相伴的金属散热片。因此,制造商能够把50瓦的立体声电视与液晶显示屏一道封装在塑料机壳中,并创建带有AM-FM收音机、杜比数字和DTS环绕声解码器的集成式DVD播放机。

由数字放大器实现的多声道音频系统包括汽车娱乐系统以及家庭影院,据市场研究公司Forward Concepts预测,这些应用将使2004到2006年间音频放大器声道的出货量超过10亿个。

目前,整套六声道家庭影院音频播放系统的售价只需100多美元,因此一些音响发烧友对音质感到担忧。事实是“D类”数字放大器需要精心设计的滤波器。滤波器元件(电感和电容)可能与数字放大器试图淘汰的金属散热片一样庞大,但省略它们将给音质造成严重影响。

因此,D类及其它类型数字放大器的半导体供应商根据他们的滤波器设计能力来定位自己的产品。在任何情况下,这些厂商都愿意为他们的潜在客户将外部滤波器元件的复杂度、数量和价格降至最低。

例如,美国国家半导体和美信(Maxim)等公司正专注于开发低功耗产品,如用于蜂窝电话和PDA的耳机放大器。此类手持设备需要节电性能出众的D类放大器和最小的滤波器,而音质方面的损失在很大程度上不会引起用户的注意。另外,少数公司试图完全地消除滤波器设计问题,他们的典型代表是D2Audio公司,主要面向高端消费类产品。

一些半导体制造商,如Tripath Technology、TI和Apogee Technology公司,却主推面向大众消费类市场的高功率放大器元件。为了将对外部滤波器的需求降至最低,这些制造商正在采用“零交叉”、扩谱和其它降噪技术。Cirrus Logic公司也宣布要进入这个市场,尽管它的D类产品线一直集中在低功耗耳机放大器上。

滤波器的设计

在工作中,数字放大器利用一个数字脉冲列的宽度和频率(即脉宽调制)来携带音频信号。 脉冲是由比较器产生的,它们与音频信号的电平相匹配。因此,一个高幅、高频信号由一簇密集的短脉冲表示,而低频、低幅信号则由较长、较稀疏的脉冲表示。

通过将数字脉冲列输入一对MOSFET功率管,就可以产生音频信号。通常,这对MOSFET管被连接成推拉(push-pull)模式。附加的电感电容滤波器以及扬声器线圈本身延长了信号的“持续性”,有效地使脉冲变得平滑。

晶体管不是天然的放大器,它们是开关器件。为了让晶体管发挥放大器的作用,正如传统的AB类放大器一样,必须施加一个偏置电流,它迫使晶体管永远悬浮在全开与全关之间的区域内。这意味着AB类放大器的晶体管将吸收电流,因而产生热量,即使在没有音频信号时也是如此。

音响设备制造商已经知道,许多类型的功率晶体管在被“热偏置”时表现出最佳的线性特征,这就是说,当它们被施加足够的偏置电流时将转入“开”的状态。这会使功率晶体管摸起来极烫,而且毫无疑问,这些高端的A类放大器需要配备一个十几公斤的铝散热器。

与此相反,数字放大器可以更高效地使用功率晶体管。脉宽调制能控制它们的开或关,而且切换的过程中不必耗费太多的时间或功率。因此,在D类放大器中,PWM、驱动级与功率晶体管输出构成的链条明显比多级的AB类放大器短。

问题是音频放大器的输出必须经过仔细地过滤,以防止数字脉冲列的残余和谐波。这迫使半导体供应商从事滤波器设计业务,但没有人能保证他们的客户,即消费电子设备制造商,将采纳他们的参考设计或听从半导体制造商的推荐。因此,如果终端用户对一套家庭影院系统的音质不满意,他很可能会责怪半导体供应商,尽管事实上这也许是由滤波器故障导致的问题。

Tripath是最早着手解决滤波器问题的公司之一。通过采用一种变频锯齿波振荡器把脉冲扩展到大约1MHz的区域内,它有效降低了所需滤波器网络的复杂性。这种形式的扩谱技术被该公司称为T类。例如,Tripath发现与250kHz开关配合使用的电解电容可以被体积更小、额定值更低的电容所替代,只要让开关工作在600kHz到1.5MHz。

Tripath提供分立的低功耗(大约10瓦)放大器芯片、功率高达70瓦的集成式放大器驱动器以及150瓦/声道的组装模块。例如,该公司的TA2024双声道(15瓦/声道)放大器可以驱动日本三洋公司的42英寸等离子显示屏电视和30英寸LCD显示屏电视以及JVC公司的26英寸HDTV。90瓦/声道的TA2022已被用于三洋的5.1声道DVD播放器中。

事实上,Tripath宣称其出货量已达2,500万声道。目前,它的客户包括Aiwa、苹果电脑、Denon、日立、摩托罗拉、Onkyo、三星、夏普、索尼和东芝。

TI公司也表示,它的设计中标包括三星的DVD混合播放机。三洋正在使用TI的一款芯片组,它由TAS5026A(一个六声道PWM)和TAS5110(一个50瓦的数字功率放大器)组成。分立的立体声半桥(H-bridge)驱动器TAS5182把TI的数字放大器功率范围扩展到100瓦以上。

但滤波器的复杂性可能是数字放大器设计唯一致命的弱点。通过转移在零交叉点负向脉冲的时序,TI相信,它能消除许多与D类技术相关的可听谐波,从而显著减少所需的滤波器。不论是好是坏,D类放大器变成了“免滤波器”产品,例如TI的TPA2000D1或Maxim刚推出的MAX9700B都是旨在用作蜂窝电话或PDA耳机放大器的低功耗产品。即使如此,这类器件仍无法完全省去电容。

借助DSP的帮助

TI的独到之处是在数字放大器处理链中插入一个DSP。在TI的最初构想中,DSP的作用是把来自DVD或压缩光盘的脉冲代码调制信号转换成数字放大器所使用的PWM信号。这可以有效地旁路一个A/D转换级。但它很快明白:DSP的使用可以有效地整形在放大器之前的脉冲流,从而使后端的滤波变得更容易。

实际上,其竞争对手Apogee Technology公司就采用这种脉冲整形技术来产生“阻尼三态”的脉宽调制定时信号。该算法被用于控制在全桥配置中功率晶体管的开关。在信号通过音频扬声器之前,一个简单的无源低通滤波器可以用来去除PWM脉冲列中的高频成分。

Tripath也在其音频放大器模块的前端使用一种形式的DSP,即∑-△ A/D转换器。该∑-△转换器重构了一个44.1kHz音频脉冲流,就好像它是以12.5MHz(44.1的256倍)的频率采样的。这种过采样有效地把音频幅度平滑处理成一个1位+符号的数字流,从而更便于数字放大器进行处理。过采样还提升了量化噪音与谐波在频谱中的位置,从而使电容滤波器能够更容易地将它们消除。

作者:光斯帝







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