什麼叫做數字功放?它的電路原理是什麼?

小維尊


數字功放的概念

顧名思義,數字功放就是將數字信號進行放大的放大器。數字信號只有0、1兩種狀態,所以放大器在對數字信號放大時,放大器完全可以工作在開關狀態(沒有交越失真了),這樣就會大大減小功放管的靜態損耗,提高了效率。

數字功放也稱D類放大器,是一種具有失真小、噪音低、動態範圍大等特點的放大器。應用在音質功放電路上具有強大的透明度和保真率,其低頻的效果是傳統的功率放大器不可比擬的,在低音炮的音響上,數字功放的效果很好。數字功放價格相對來說較貴,而且應用數字功放對工程師的要求較高。但隨著集成技術的發展,數字功放的價格在逐漸下降。主要應用在汽車音響和要求較高的重低音有源音響中。

數字功放的原理

數字功放放大的是數字信號,所以為了實現數字功放,就必須將模擬信號轉化為數字信號,類似與AD轉換,得到的時一連串的0、1組合——PWM波。得到PWM後,對它進行功率放大。由於我們需要的還是模擬信號,所以我們還必須將PWM波通過濾波器變成模擬信號。所以,數字功放電路主要組成:電源電路、A/D轉換、功率放大、濾波電路。

無論是從電路設計還是PCB製圖的角度來說,數字功放電路的設計對工程師的要求較高。電路設計必須得考慮各種因素,而且一個數字功放電路的元器件成本價也得幾十、甚至幾百人民幣。好在數字功放的數據手冊上有滿足一定要求的電路原理圖和PCB佈局、佈線圖,如果真想自己做一塊數字功放的板子出來,一定要參考數據手冊。


電路解析式


理解這個問題需要有一定的模擬信號和數字信號處理的背景知識。簡單說:就是模擬信號經過PWM調製後,將調製後的高頻信號由開關電路(H橋類型的DC-DC電路)放大,並利用低通濾波器濾除高頻成分後輸入到揚聲器中。

特點

此外,數字功放具有失真小、噪音低、動態範圍大等特點,在音質的透明度、解析力,背景的寧靜、低頻的震撼力度方面是傳統功放不可比擬的。

原理

數字功放和DC-DC開關型逆變電路類似。輸入的音頻模擬信號經過PWM電路調製處理後,形成佔空比同輸入信號成一定比例的脈衝鏈,經過開關電路放大後,由低通濾波器濾除高頻成分,還原出已放大的輸入信號波形,由揚聲器放音。圖1為D類放大器的典型電路,採用場效應管H-橋式連接。眾所周知,從上述場效應管H-橋式電路輸出的脈衝波是不便直接驅動揚聲器發聲的。為了重現放大的音頻信號,輸出波形必須恢復到原來的正弦波。前幾年D類放大器的設計,大都採用低通濾波器來解決。由於音頻的頻帶範圍為20Hz~20kHz,而載波頻率通常是它的5倍以上,因此,濾除載波頻率的過程相當簡單,就是在揚聲器前面接一個截止頻率約為25kHz左右的低通濾波器。而在運用到重低音功放時,由於處理的是低頻,低通的截止頻率可以降低到5kHz左右。濾波器可根據性能要求採用Chebyshev、Butterworth或Bessel等電路。濾波器的設計要求較高,弄得不好會引起射頻干擾。為降低功耗,一般採用被動元件。

應用

由於功耗和體積的優勢,數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用。隨著DVD家庭影院、迷你音響系統、機頂盒、個人電腦、LCD電視、平板顯示器和移動電話等消費類產品日新月異的發展,尤其是SACD、DVD Audio等一些高採樣頻率的新音源規格的出現,以及音響系統從立體聲到多聲道環繞系統的進化,都加速了數字功放的發展。近年來,數字功放的價格呈不斷下降的趨勢,有關這方面的專利也層出不窮。

在數字功率領域,現在有針對HIFI發燒友而出現了一種新的名詞“純數字功放", 它直接傳輸數字信號,然後PCM數字信號升頻並重整時鐘後再經過PCM->PWM轉換,直接PWM對數字信號進行放大,PWM功率輸出再經過LC組成的LPF電路構成1BIT DAC後直接推動喇叭,帶來的好處時數字信號在傳輸過程中不會帶來相位廷遲、相位失真、交越失真等,聽感的好處就是聲音會更通透、定位更準、聲音更接近真實。


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