今的世界已經(jīng)成為移動(dòng)多媒體設備的海洋，從個(gè)人計算機到手機、從平板電腦到MP3播放器，幾乎每個(gè)人每天都要隨身攜帶至少一個(gè)這樣的設備。面對如此龐大市場(chǎng)，系統廠(chǎng)商必須提供令人滿(mǎn)意的用戶(hù)體驗才能夠在競爭激烈的市場(chǎng)中脫穎而出。對于便攜裝置而言，電池壽命和視音頻能力越來(lái)越成為影響用戶(hù)體驗的重要因素。在進(jìn)行多媒體產(chǎn)品設計時(shí)，設計者需要對性能、質(zhì)量、電池壽命和成本進(jìn)行綜合考慮來(lái)選擇元器件。在進(jìn)行音頻元件的選取時(shí)，設計者應該選擇效率更高的D類(lèi)功率放大器作為揚聲器解決方案，并且這一選擇已經(jīng)深入人心。這主要由于D類(lèi)功放相對于傳統模擬功放有著(zhù)巨大的優(yōu)勢，尤其是在電池供電的裝置中，其優(yōu)勢更加明顯。然而，D類(lèi)功放是否還有改進(jìn)和提升的余地呢？

直接數字放大(DDX)技術(shù)是一種全數字高效率的專(zhuān)利放大器技術(shù)，該技術(shù)的出現滿(mǎn)足了當今對于高性能電池供電多媒體應用在音頻功放領(lǐng)域的需求。DDX技術(shù)與傳統D類(lèi)數字功放技術(shù)同樣都實(shí)現了音頻輸出到揚聲器之間的數字處理，而其改進(jìn)之處在于，DDX技術(shù)提供了獨特的三態(tài)調制(阻尼三態(tài))，使得DDX技術(shù)能夠提供比傳統D類(lèi)數字功放更高的效率、更好的EMI/RFI特性以及更佳的音質(zhì)表現。

功放技術(shù)比較

當今的便攜設備，主要采用兩類(lèi)放大器技術(shù)：A/B類(lèi)和D類(lèi)。談到兩者的區別，可以簡(jiǎn)單的將它們比作電壓調制器：A/B類(lèi)功放類(lèi)似于線(xiàn)性穩壓調節器，而D類(lèi)功放則與開(kāi)關(guān)調節器相類(lèi)似。下面我們來(lái)詳細分析兩者的特點(diǎn)：

Class-A/B 放大器 A/B類(lèi)放大器是現有音頻放大器中最常見(jiàn)的，由于應用廣泛且深入人心，它常被作為其他種類(lèi)放大器的參考標準。A/B類(lèi)放大器也被稱(chēng)作推挽式放大器，源于其在功率輸出級采用兩個(gè)放大器件(通常使用三 級管結構)。其中一個(gè)放大器件用來(lái)產(chǎn)生輸出波形的高電壓部分(推負載)，而另一個(gè)放大器則用來(lái)驅動(dòng)輸出波形的低電壓部分(拉負載)，從而構成推挽機構。然而為了避免過(guò)度的放大失真，兩個(gè)放大器會(huì )有一段同時(shí)工作的重合區(見(jiàn)圖1)。該區域通過(guò)偏置電流來(lái)設定，這也是導致A/B類(lèi)放大器效率不高的內在因素。典型的A/B類(lèi)放大器的效率在sine波輸出時(shí)一般在65%到75%之間，而在半波輸出時(shí)僅為20-30%。

D類(lèi)放大器 不同于依賴(lài)放大器件在線(xiàn)性區工作的A/B類(lèi)放大器，D類(lèi)放大器在放大源信號時(shí)會(huì )采用一種完全不同的方法，即通過(guò)快速的將輸出級完全打開(kāi)或關(guān)斷來(lái)獲得輸出脈沖。就像前面提到過(guò)的，D類(lèi)放大器的工作原理類(lèi)似于開(kāi)關(guān)電源的工作原理。該開(kāi)關(guān)頻率遠高于人耳的聽(tīng)覺(jué)頻率范圍，因此在輸出時(shí)不會(huì )被人耳感知。而從長(cháng)時(shí)間看來(lái)，輸出的脈沖會(huì )與輸入信號的波形等價(jià)。圖2示意了D類(lèi)放大器的典型輸出樣式。

D類(lèi)放大器的優(yōu)勢在于其輸出級極大的提升了效率，使得散熱和供電要求大大降低，并且占用面積也大為減少。典型的D類(lèi)放大器的效率在滿(mǎn)幅輸出時(shí)能夠達到85%到90%。然而，由于D類(lèi)放大器本質(zhì)上是一種開(kāi)關(guān)元件，它的副作用是會(huì )帶來(lái)開(kāi)關(guān)頻率和更高頻率的載波段能量。在運用D類(lèi)放大器進(jìn)行設計時(shí)，電磁干擾問(wèn)題是需要注意的一個(gè)關(guān)鍵因素。

DDX放大器 與D類(lèi)放大器相似，DDX放大器技術(shù)也采用開(kāi)關(guān)輸出。然而，DDX技術(shù)采用一種獨特的阻尼三態(tài)調制技術(shù)來(lái)解決D類(lèi)放大器在載波段的效率缺點(diǎn)，同時(shí)還通過(guò)減少載波段能量減少了電磁干擾。

為了便于理解DDX技術(shù)，來(lái)看一下圖3中所示意的DDX放大器的三種工作狀態(tài)和圖4所示的DDX放大器的輸出波形圖：

從圖2可以看到，傳統的D類(lèi)放大器的兩態(tài)輸出在輸出小信號時(shí)需要采用雙向抵消的方式，這樣，即使是在源信號為小信號(這在音頻應用中很常見(jiàn))時(shí)，兩態(tài)的D類(lèi)放大器仍然要一直對濾波器和負載持續的輸出能量。

相比較，DDX技術(shù)所采用的阻尼三態(tài)技術(shù)(如圖4)僅輸出必要的能量，當沒(méi)有源信號時(shí)，負載將被連接到地端，形成對揚聲器的阻尼輸出，因此被命名為阻尼三態(tài)技術(shù)。

DDX技術(shù)的優(yōu)勢

相對于標準的D類(lèi)功放，DDX放大器所采用的阻尼三態(tài)技術(shù)有著(zhù)多種優(yōu)點(diǎn)，從圖2和圖4的比較上，第一個(gè)優(yōu)勢顯而易見(jiàn)。

減少電磁干擾和輻射 由于DDX技術(shù)僅在需要時(shí)才輸出能量，因此相較于傳統的D類(lèi)放大器設計，可以明顯的減少載波段能量。在采用相同的硬件和相同的濾波器的條件下，DDX的阻尼三態(tài)技術(shù)使得載波能量比傳統D類(lèi)放大器采用的兩態(tài)開(kāi)關(guān)方式低16dB。這一能量降低使得系統應用設計時(shí)，可以簡(jiǎn)化輸出濾波器設計，從而使系統成本降低的同時(shí)減少PCB板面積。

為了更好的理解其原理，圖6示意了傳統D類(lèi)放大器的PWM信號經(jīng)過(guò)濾波器后的輸出和DDX方案的輸出。傳統的D類(lèi)功放的輸出在整個(gè)輸出波形上都具有持續的紋波幅度，而DDX方案的輸出減少了紋波的幅度，特別是在波形幅度低的時(shí)候。

信噪比(SNR) 由于采用完全的數字設計，DDX技術(shù)提供了非常優(yōu)秀的信噪比性能，在標準的模擬信號放大器設計中，其輸出總會(huì )對輸入的任何信號進(jìn)行放大，由于輸入信號不能完全置0，其輸出總存在一個(gè)放大的小信號。而采用DDX技術(shù)的音頻編解碼器(CODEC)，其數字輸入端為0時(shí)，其輸出端會(huì )進(jìn)入阻尼狀態(tài)，將負載接地，這樣的結果可以獲得幾乎是無(wú)限的SNR。DDX技術(shù)的內在機理保證了從阻尼狀態(tài)到小信號輸出的平滑過(guò)渡，因此還可以避免模擬設計中常遇到的爆音和咔嗒聲問(wèn)題。

電源抑制 因為在小信號放大時(shí)供電系統的變化將導致音頻失真，因此傳統的放大器設計需要其供電電源有高的電源抑制比。而DDX調制技術(shù)工作在開(kāi)環(huán)模式，其內在的工作機理保證了其小信號時(shí)的電源變化不會(huì )產(chǎn)生音頻失真。這得益于，在大多數時(shí)間，輸出負載不與輸入電源相連，而是會(huì )被置于地端(也就是工作在阻尼三態(tài)狀態(tài))。事實(shí)上，在信號幅度較小時(shí)這種對電源電壓變化的對抗能力尤其明顯。

更高的效率 對當今的電池供電的多媒體裝置而言，DDX技術(shù)最大的吸引力也許正是其更高的效率，特別是在其音頻播放時(shí)，能夠有效提升裝置的電池續航力。從圖4和圖6已經(jīng)可以看到DDX技術(shù)對于載波段能量發(fā)射的減少，而它們也顯示出DDX技術(shù)如何提升電池供電裝置的效率。圖7用歸一化的曲線(xiàn)來(lái)比較傳統A/B類(lèi)放大器、標準的D類(lèi)放大器和采用DDX技術(shù)的放大器在不同輸出功率上的效率。該圖表以所有比較放大器工作在THD+N低于1%為前提。

在與標準的D類(lèi)放大器同樣處于滿(mǎn)功率輸出時(shí)，設計者會(huì )發(fā)現DDX技術(shù)的效率優(yōu)勢并不明顯。一般來(lái)說(shuō)，就最大效率指標而言，DDX放大器與傳統D類(lèi)放大器非常接近。然而，在真實(shí)應用中這一最大效率指標往往造成誤解，這是由于該指標的測定標準是讓設備以最大功率播放一個(gè)0dBFS(滿(mǎn)幅度)的sine波，而沒(méi)有用戶(hù)在實(shí)際使用中會(huì )愿意去聽(tīng)這樣一個(gè)滿(mǎn)幅的sine波。

用戶(hù)會(huì )使用設備聽(tīng)各種音樂(lè )，而絕大多數音樂(lè )的平均功率為-12dBFS到-3dBFS之間，具體取決于藝術(shù)家、演播室或者是調音師的偏好。一般而言，現代的rock、R&B、pop、hip-hop音樂(lè )可以達到或超過(guò)-5dBFS功率水平，而大多數其他流派音樂(lè )的平均功率大約為-10dBFS水平。這些因素轉化為放大器效率時(shí)便會(huì )產(chǎn)生戲劇性的結果。DDX放大器在音樂(lè )播放時(shí)，可以比傳統的D類(lèi)功放獲得15%到20%的效率提升，而在與A/B類(lèi)放大器比較時(shí)更可以提升到300%的優(yōu)勢。

設想一臺7寸平板電腦整個(gè)系統的功率預算為2瓦，而該平板由一塊理想的3800mAH的3.7V鋰電池供電，該設備的音頻系統最大可以給滿(mǎn)功率工作時(shí)的立體聲揚聲器各提供1W的功率，并且假設用戶(hù)播放音樂(lè )平均所占的電池壽命占整個(gè)電池壽命的20%。在上述參數條件下，采用D類(lèi)放大器將比采用A/B類(lèi)放大器使得用戶(hù)可以獲得額外的53分鐘的電池使用時(shí)間，而如果采用DDX技術(shù)的放大器則可以在此基礎上再額外提高10分鐘的電池續航時(shí)間！

結論

DDX技術(shù)是一項已申請專(zhuān)利的、高效的音頻放大器架構，它的開(kāi)發(fā)和應用滿(mǎn)足了當前和未來(lái)電池供電的手持多媒體裝置的需求。DDX的獨特功能使得它易于系統集成，使整個(gè)系統獲得更低的功耗、更小的體積、更低的EMI元件需求，同時(shí)獲得了更高的音質(zhì)保真度。

IDT已經(jīng)計劃針對PC市場(chǎng)和消費類(lèi)市場(chǎng)推出了多種具備DDX技術(shù)的集成電路產(chǎn)品，并且DDX控制器可以很容易的為通信市場(chǎng)的話(huà)音處理應用特別優(yōu)化。新的數字功能(比如數字均衡等)可以很容易的集成進(jìn)設計，從而使用戶(hù)的可配置設計成為可能。另外，DDX模塊可以和其他數字音頻功能相結合達到優(yōu)化芯片面積的目的。

目前艾迪悌(IDT)公司已經(jīng)出品了兩款具備專(zhuān)利DDX技術(shù)的產(chǎn)品：

* IDT 92HD9x單芯片音頻系統是一款低功耗高保真四通道音頻編解碼器，其內部集成有DDX揚聲器放大器、免電容耳機放大器以及片上LDO。片上同時(shí)具備的雙高清音頻(HD audio)和I2S接口使得單個(gè)編解碼器就能夠支持音頻擴展塢的應用。片上集成的插頭檢測功能使得系統設計者方便的設計雙功能的耳機和聽(tīng)筒。內部集成的高通和帶通濾波器可以實(shí)現硬件均衡和揚聲器保護功能。92HD9x芯片的高集成度使得音頻系統設計獲得最低BOM數目和成本的同時(shí)，實(shí)現了最小的PCB占用面積。該芯片為筆記本和商務(wù)臺式機應用提供了高質(zhì)量的高清音頻能力。

* IDT的P95020是IDT公司推出的新一代標準化專(zhuān)用電源控制器，該芯片包括內置的MCU，搭載耳機輸出和2.5W DDX音頻放大器的高效率音頻編解碼器，具有完善的電源管理功能、觸摸屏控制器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能。該芯片幾乎提供了手機、手持游戲機、數碼播放機、手持導航儀等便攜消費裝置所需的所有外圍功能。