0 引言
近年來(lái)，隨著(zhù)數字化優(yōu)勢的體現，很多尚未數字化的領(lǐng)域正在逐步加入到數字化的行列中來(lái)。數字化處理后的語(yǔ)音信號在到達模擬功率放大器之前，必須進(jìn)行D／A轉換，以便被功率放大器放大，因此從完全數字化的進(jìn)程看，功率放大器數字化模式勢在必行。
功率放大器通常根據其工作狀態(tài)分為5類(lèi)：即A類(lèi)、AB類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)和D類(lèi)。其中，前4類(lèi)均可直接采用模擬音頻信號直接輸入，放大后將此信號用以推動(dòng)揚聲器發(fā)聲。D類(lèi)放大器比較特殊，它只有通和斷兩種狀態(tài)，因此它不能直接輸入模擬音頻信號，而是需要將信號進(jìn)行某種變換后再放大。
數字音頻功率放大技術(shù)就是采用了全新的放大體制，功放管工作于D類(lèi)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，與傳統模擬功放相比，具有體積小、功率大，與數字音源無(wú)縫結合、能有效降低信號間的傳遞干擾、實(shí)現高保真等優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景。
本文提出了高效數字功率放大器的優(yōu)化設計方案，將雙邊帶三電平自然采樣法(NBDD)脈寬調制技術(shù)引入數字功放的脈寬調制設計中，降低了低通濾波器設計階數、改善了信噪比；通過(guò)將Dead-Time(死區時(shí)間)技術(shù)引入開(kāi)關(guān)放大器的設計中，減小了開(kāi)關(guān)放大器的串通損耗和漏源電容損耗。

1 優(yōu)化方案實(shí)現原理
此方案采用的是兩個(gè)獨立的通道，可單獨、同時(shí)完成信號的數字處理和功率放大，并可橋接成一個(gè)通道進(jìn)行信號的數字處理和功率放大。每個(gè)通道工作在半橋工作模式下，又可橋接成全橋工作模式進(jìn)行工作。其實(shí)現原理如圖1所示。


輸入的模擬音頻信號首先經(jīng)隔離放大器進(jìn)行放大，同時(shí)進(jìn)行低通濾波。低通濾波器采用的是二階Butterworth低通濾波器，截止頻率為37 kHz，3 dB帶寬為22 kHz。濾波過(guò)后的信號與反饋回來(lái)的音頻信號一起送到誤差放大器進(jìn)行誤差放大，輸出放大的誤差音頻信號。將放大的誤差信號和載波信號送到脈寬調制器，進(jìn)行NBDD調制產(chǎn)生PWM信號。載波信號是由三角波發(fā)生器產(chǎn)生的高線(xiàn)性度的模擬三角波信號，頻率為230～280 kHz可調。PWM信號插入Dead-Time后送到浮動(dòng)電源和自舉相結合的驅動(dòng)器進(jìn)行預放大，放大了的PWM信號驅動(dòng)由場(chǎng)效應管組成的半橋開(kāi)關(guān)放大器進(jìn)行功率放大，輸出功率PWM信號。經(jīng)開(kāi)關(guān)放大器放大的PWM信號被采樣作為反饋信號送到誤差放大器。功率PWM信號送到低通濾波器還原出模擬音頻信號。當需要橋接單通道輸出時(shí)，只需在兩半橋輸入端送入等幅反相的音頻信號，并將負載接于兩半橋輸出端即可。為了增加模塊的可靠性，設計時(shí)同時(shí)考慮了各種誤操作對模塊造成的損壞，并提供了故障指示功能，幫助整機及時(shí)準確查找問(wèn)題，便于模塊進(jìn)行維修。

2 NBDD調制技術(shù)的實(shí)現
NBDD調制技術(shù)的具體實(shí)現如圖2所示。

輸入的模擬音頻信號首先經(jīng)隔離放大器進(jìn)行放大，再與反饋回來(lái)的音頻信號一起送到誤差放大器，輸出放大的誤差音頻信號。將放大的誤差信號和載波信號送到脈寬調制器，進(jìn)行NBDD調制。載波信號是由三角波發(fā)生器產(chǎn)生的高線(xiàn)性度的模擬三角波信號,頻率為230～280 kHz。
此處的重點(diǎn)在于實(shí)現高線(xiàn)性度的三角波發(fā)生器和高速比較器。三角波的非線(xiàn)性會(huì )直接影響PWM調制器的線(xiàn)性度，整機的失真度；為了能良好的還原音頻，PWM開(kāi)關(guān)頻率不能低于200 kHz，因此需要采用高速比較器。調制方式不僅影響到音頻帶內的性能指標，而且對放大器系統的高頻輻射性能(EMC)有著(zhù)決定性的影響。因此從音頻輸入至脈寬編碼完成鏈路上，所采用的音頻放大器、誤差放大器應具備高的輸入阻抗、低的工作電流、寬的增益帶寬、快的上升速度、良好的共模抑制比、低的漂移電壓等技術(shù)指標；比較器應具備響應速度快、功耗低、輸入偏移電壓小等特點(diǎn)。

3 引入Dead-Time的開(kāi)關(guān)放大器優(yōu)化設計
開(kāi)關(guān)放大器的主要特點(diǎn)就是高效，因此其優(yōu)化設計主要應體現在進(jìn)一步減小各類(lèi)損耗，真正體現其高效率的特點(diǎn)。
通過(guò)串通損耗產(chǎn)生的原理，可以在柵極驅動(dòng)電壓上想辦法，在上管完全截止后再讓下管開(kāi)始導通，在下管完全截止后再讓上管開(kāi)始導通，這樣就可以減小串通損耗，同時(shí)又可以減小結電容Cds損耗。這種為了解決串通損耗而在兩驅動(dòng)信號之間按“延遲導通，正常截止”的原則，加入的時(shí)間稱(chēng)為Dead-Time(死區時(shí)間)，原理詳見(jiàn)圖3。圖中分析的是工作在一個(gè)開(kāi)關(guān)臂上的兩個(gè)N溝場(chǎng)效應管。



4 各項指標測試
指標測試主要采用的是國際上通用的音頻專(zhuān)用測試儀Audio Precision System One。Audio Precision System One是由全球最大的音頻測試儀器制造商美國Audio Precision公司制造。
電源經(jīng)電流表送到被測樣機的電源插座上；電源輸出的正、負端間并聯(lián)電壓表，電壓表和電流表分別用于測試電源輸出的電壓和電流，從而可以計算出電源輸出功率。被測樣機的音頻輸入端接音頻測試儀的音頻輸出端，功率音頻輸出端分別連接音頻測試儀和標準功率電阻，被測樣機輸出的功率信號送到標準負載上，同時(shí)送到音頻測試儀上進(jìn)行分析測試。由計算機控制選擇音頻測試儀Audio Precision System One的輸出信號頻率、幅度等特性，并選擇需要測試的指標，同時(shí)將測試結果顯示到計算機上。
4．1 功能指標測試
將模塊按正常情況進(jìn)行連接。如無(wú)特殊要求音頻輸入頻率為1 kHz的正弦波，電源電壓為±120 V。測試插座XSZ的8腳，如為高電平(+SV)則表示模塊處于保護狀態(tài)，音頻輸出腳無(wú)信號輸出；如為低電平(OV)則表示模塊處于正常工作狀態(tài)，音頻輸出腳有信號輸出。
測試項目及測試情況分別為：
(1)靜音控制：輸入靜音信號，音頻輸出腳無(wú)信號輸出，XSZ的8腳為高，模塊處于保護狀態(tài)，響應外部靜音控制；
(2)電源過(guò)壓保護：將+120 V電源升至+128 V，負電源保持不變，模塊進(jìn)入保護狀態(tài)；將-120 V電源降至-128 V，正電源保持不變，模塊進(jìn)入保護狀態(tài)；
(3)電源欠壓保護：將+120 V電源降至+100 V，負電源保持不變，模塊進(jìn)入保護狀態(tài)；將-120 V電源升至-100 V，正電源保持不變，模塊進(jìn)入保護狀態(tài)；
(4)電源反接保護：將電源正負反接，模塊無(wú)損壞進(jìn)入保護狀態(tài)；
(5)電源過(guò)流保護：輸出標準負載換為2 Ω，加大輸入音頻信號幅度，當輸出功率超過(guò)2 800 W時(shí)，音頻輸出腳無(wú)信號輸出，XS2的8腳為高，模塊處于保護狀態(tài)；
(6)高溫保護：用高溫溫箱對模塊進(jìn)行加熱，當模塊內部溫度達到+80℃時(shí)，音頻輸出腳無(wú)信號輸出，XS2的8腳為高,模塊處于保護狀態(tài)；
(7)輸出對地保護：將模塊輸出音頻腳與地短接，音頻輸出腳無(wú)信號輸出，XS2的8腳為高，模塊處于保護狀態(tài)；
(8)輸出短接保護：將模塊輸出音頻腳相互短接，音頻輸出腳無(wú)信號輸出，XS2的8腳為高，模塊處于保護狀態(tài)；
(9)保護指示：當模塊進(jìn)入任一保護態(tài)時(shí)，XS2的8腳為高，模塊處于保護狀態(tài)。
從以上測試結果可以看出本文數字功率放大器在靜音控制、電源過(guò)壓保護及電源欠壓保護等多方面都可以滿(mǎn)足穩定工作的要求。

4．2 技術(shù)指標測試
音頻輸入頻率為1 kHz的正弦波，電源電壓為±120 V。用計算機控制選擇音頻測試儀Audio Precision System One的設置，根據不同的指標測試選擇測試項，測試結果如表1，圖4～圖6所示。

4．3 測試結果分析
將測試指標與傳統模擬功放和國外一流數字功放制造廠(chǎng)家進(jìn)行對比，結果如表2所示。由對比結果可以看出樣機的各項性能指標與國際知名廠(chǎng)家的專(zhuān)業(yè)功放基本一致。




高效數字功率放大器優(yōu)化設計方案通過(guò)樣機的研制開(kāi)發(fā)驗證合理可行，且實(shí)現了音頻信號高效率、高指標放大，在大功率領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)取得了較為理想的效果，采用NBDD脈寬調制方式，實(shí)現了高質(zhì)量脈寬調制，完美再現脈寬調制波形，失真度指標高，為提高系統可靠性所采取的各種保護措施都取得了預期的效果，提高了系統的可靠性。

5 結語(yǔ)
采用NBDD調制方式對音頻信號進(jìn)行脈寬調制采樣，加入Dead-Time后，再經(jīng)由浮動(dòng)電源和自舉相結合的驅動(dòng)方式對脈寬調制信號進(jìn)行放大，放大了的脈寬調制信號驅動(dòng)半橋工作模式下的開(kāi)關(guān)放大器進(jìn)行功率放大，實(shí)現了高效率數字音頻功率放大器的優(yōu)化設計，在方案設計中所采取的各種優(yōu)化設計取得了一定的效果，分析計算方法合理可行。