數字功率放大器

張飛碧

（北京理工大學，北京 100081）

隨著數字技術在擴聲領域應用的不斷擴大，擴聲系統的各部分，如聲源（CD、DVD、MD、MP3、硬盤錄音機）、調音臺、音頻處理器等都已實現了數字化，并已應用在各類擴聲系統中。現在，功率放大器也已逐步由傳統的模擬類向數字化、網絡化方向發展，使擴聲系統的數字化結構更加完善，使用功能更為強大。

1 模擬功率放大器

傳統擴聲系統一直采用模擬類功率放大器，從最初發展到現在，經歷了漫長的過程。模擬功率放大器分電子管功率放大器、晶體管功率放大器和MOS FET音頻場效應管功率放大器等三個發展階段。

電子管功率放大器的轉換速率（影響高音品質的參數）高、工作可靠、偶次諧波失真小（聽覺對偶次諧波失真特別敏感）、音質好，一直深受專業人士喜愛；但是，它的體積大、電源利用率低、發熱量大、耗材多。電子管功率放大器的電源轉換效率一般在10%～20%，大部分能量都轉換為熱量耗散掉了。20世紀80年代晶體管功率放大器面市后，電子管功率放大器在專業擴聲領域中己被逐步淘汰。

晶體管功率放大器有3種工作類型：A類（甲類）、B類（乙類）和AB類（甲乙類）。其中，A類失真最小、音質最好，但它的轉換效率最低，一般只有20%左右；主要用于輸出功率不大、專門追求音質的Hi-Fi發燒友音響。B類的轉換效率一般可達到50%～60%，但會產生一些小的交越失真（不到0.1%），聽覺難以覺察；主要用于輸出功率大、數量多的各類專業擴聲系統。AB類綜合了A類和B類的優點，它的轉換效率處于A類和B類之間，失真較小；主要用于小型音樂廳和家庭影院多聲道AV功率放大器。由于B類功率放大器的失真小、效率高、重量輕、耗材少、輸出功率大和性價比高等優點，因此，在專業擴聲領域獲得廣泛應用。表1是各類模擬功率放大器的性能對比。

雖然晶體管功率放大器的總諧波失真度等多項技術性能指標都比電子管功率放大器要高，且B類晶體管功率放大器的電源利用率已提高到50%～60%，技術上很成熟，但是，不管哪一類晶體管功率放大器，其主觀聽音評價總不及電子管功率放大器那么細膩、逼真。因此，許多功率放大器廠商都在不斷研究電子管功率放大器和晶體管功率放大器之間的性能差異。從工作原理上分析，電子管是一種電壓控制器件，只需極小的控制功率，屬于剛性開關器件，轉換速率高；晶體管是一種電流控制器件，需要較大的控制電流，屬于軟性開關器件，轉換速率較慢；這是二者最基本的差別。20世紀80年代中期，歐洲首先推出了采用MOS FET音頻場效應管模擬功率放大器，它既有晶體管的基本優點，又有電子管的電壓控制及轉換速率快等優點。但后來發現這種功率放大器的可靠性不高，而且輸出功率比較小，最大輸出功率僅為2×150 W/8 Ω。因此，未被市場認可。

2 數字功率放大器的原理和分類

早在20世紀60年代，就有人提出了數字功率放大器的概念，但由于技術不成熟而一直沒有進展。1983年，M.B.Sandler等學者提出了D類數字功率放大器的基本結構，它的設計重點在于如何將PCM脈沖編碼調制信號轉變為PWM脈沖寬度調制信號，然后將PWM信號進行數字大功率放大和解調。20世紀90年代，美國TRIPASS公司設計了改進的D類數字功率放大器，取名為“T”類數字功率放大器。1999年，意大利POWERSOFT公司推出了采用大功率MOS FET開關場效應管數字功率放大器的商業產品，從此，數字功率放大器進入了工程應用，并獲得業內認可，市場日益擴大。

現在市場上的數字功率放大器主要有Class-D、1bit和Class-I三種類型。

2.1 Class-D類數字功率放大器

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Class-D類數字功率放大器與模擬功率放大器相比，最大的區別是它放大的音頻信號不是線性模擬信號，而是數字開關信號。當模擬音頻信號輸入到Class-D類數字功率放大器時，首先，將音頻信號轉換成脈寬調制信號（PWM）；然后，把PWM進行高效率數據放大（Class-D類放大）；最后，通過低通濾波器解調為大功率模擬音頻信號，輸出到揚聲器系統。圖1是意大利POWERSOFT公司推出的Class-D類數字功率放大器的工作原理。

在PWM轉換過程中，由于PWM調制的音頻信息全部包含在脈沖的寬度變化中，與脈沖的幅度變化無關。因此，只要采用截止頻率為20 kHz的低通濾波器就可以把全部模擬音頻信號解調出來。圖2是PWM調制信號的波形圖。

PWM采用200 kHz～500 kHz高采樣率和8 bit或16 bit的量化率。如此高的脈沖采樣頻率是為了保證PWM的功率解調低通濾波器能高效、可靠地濾除采樣脈沖頻率成份。另外，為了適應PCM格式的數字聲源直接輸入，功率放大器內部還設有一個將PCM轉換為PWM格式的轉換裝置。

Class-D類數字功率放大器的電源利用率可達到85%～90%。由于電源轉換效率很高，功率放大器產生熱量很少，因此，功率放大器只需要自然散熱，不需使用風扇強制散熱，消除了風扇噪聲。

雖然Class-D類數字功率放大器效率高、熱量小，但音質上低頻的豐滿度不夠，而且輸入信號過載時會產生數字削波問題，與模擬功率放大器相比它的低頻輸出能量不足，因此，主要用于會議擴聲系統和公共廣播系統。

2.2 1bit數字功率放大器

在PWM數字編碼中，度量模擬信號的動態變化范圍由量化bit數決定，每bit的量化值相當于6 dB的信號動態變化范圍。例如，采用16 bit量化的A/D轉換，可獲得16×6 = 96 dB的信號動態范圍。此外，為便于調寬脈沖解調，PWM數字功率放大器的采樣頻率都需設置在200 kHz以上，因此，產生的碼率可達到16 bit×200 kHz = 3 200 bps（3.2 Mbps）以上，對PWM脈沖功率放大器件提出了高速率、大功率的苛刻要求。那么，能否在降低量化bit的同時又不降低96 dB動態范圍性能呢？

1999年，日本SHARP公司首先提出了1bit數字功率放大器概念。它采用2.824 4 MHz高采樣率和1bit量化的數字編碼方案。1bit量化是根據對模擬信號振幅變化的前后兩個取樣值判決的。如果當前模擬信號的幅值比前面取樣的幅值大，則輸出數字信號為“1”（輸出一個脈沖）；反之，如果當前模擬信號的幅值比前面取樣的幅值小，則輸出數字信號為“0”（沒有脈沖輸出）。這樣形成的數字信號流是由“0”和“1”組成的脈沖序列。由此可見，1bit信號測量的是模擬信號振幅變化的相對差值，稱為Δ-Σ增量調制編碼法，圖3是1bit數字功率放大器的工作原理。1 bit取樣產生的碼率為：1 bit×2.824 4 MHz = 2.824 4 Mbps，比上述編碼方法產生的碼率更低一些。

1bit數字功率放大器與D類數字功率放大器相比具有很多優點，失真更小，電源轉換效率可達90%以上，頻響特性可達2 Hz～50 kHz，動態范圍可達95 dB以上，而且噪聲極低，頻響范圍內的相移也很小；缺點是系統復雜，成本太高。因此，目前只用于少數專業錄音產品。

2.3 Class-I數字功率放大器

美國CROWN公司經過多年的研究，在保留Class-D類功率放大器高效率、低熱量等優點的基礎上，利用Class-I專利技術開發了性能更好的Class-I數字功率放大器。

Class-I采用Balanced Current Amplifier（平衡電流放大）技術，它是CROWN最新一代的數字功率放大器技術。與D類數字功率放大器相比，提高了功率放大器的阻尼系數，增加了低頻功率輸出，電源轉換效率更高，輸出功率更大，改進了音質，為數字功率放大器真正應用到各類專業擴聲領域開辟了一條全新的路徑。現在CROWN的CTs、I-Tech、MAi和I-Tech HD等系列數字功率放大器都應用了這項先進技術。

2.3.1 技術剖析

Class-I數字功率放大器的技術基礎仍是PWM脈沖調寬技術，但數字功率放大部分采用了全新概念的大功率開關型平衡電流放大技術。

在普通D類數字功率放大器設計中，PWM信號在正負兩個極性開關晶體管中交替開啟或關閉，即當正極性晶體管關閉的時候，負極性晶體管必須立即同步打開，它們同步運作的時間基準是PWM脈沖的前沿（或后沿），這個時間一定要控制得非常精確，任何微小的時間差都會導致正負兩種極性晶體管不能完全同步打開和關閉，產生的差值電流會擊穿輸出晶體管。換句話說，正負兩種極性的晶體管必須精確地輪流打開及關閉，如圖4所示；此外，如果任何一種極性晶體管沒有正常打開，還會產生大量失真。如果正負兩種極性的晶體管同時打開，就會產生穿透電流，導致開關晶體管損壞。實際工作中，由于正負脈沖前、后沿斜率的差異，常常會導致不能精確地同步開與關。

Class-I數字功率放大器采取了下列技術措施，并獲得了更優秀的性能：

（1）失真更小、可靠性更高的脈沖功率放大技術

在全新設計的Class-I功率放大器中，推挽開關電路的時間基準不是像D類功放那樣，按照脈沖的前沿（或后沿）為基準交替進行，而是以正極性脈沖和負極性脈沖的中心時間為基準同步工作。也就是說，所有正負極性的晶體管是以同樣的基準中心點進行運作，這種時間基準的同步誤差極小，產生的失真也很小，而且不會產生穿透電流，因此，可達到更小的失真和更高的可靠性。

此外，為防止輸入信號過載產生數字削波失真問題，Class-I數字功率放大器在模擬信號輸入端，設置一個高性能的壓縮限幅器，這樣可有效防止因輸入過載而產生的數字削波問題。

（2）輸出功率更大、電源轉換效率更高的平衡電流放大技術

Class-I專利技術的另一個關鍵點是平衡電流放大技術。該技術的工作原理分述如下：

將輸入信號分為零電壓、正電壓和負電壓3種狀態。

a. 零電壓輸入狀態

當功率放大器沒有輸入信號時，正負極性兩種晶體管開關同時以50%狀態進行開、關轉換。也就是說，在一個PWM脈沖周期中，每個晶體管有50%的時間保持開啟，正極性晶體管如此，負極性晶體管亦然。它們產生的能量相等、電流方向相反，在輸出端，這些電流相互抵消，沒有輸出電流，如圖5所示。換句話說，正、負電流在能量和時間上完全相等，它們是完全平衡的，像兩匹馬反方向同時拉一輛車，如果兩匹馬勢均力敵，力量相等，車子不會向任何一個方向移動。所以，稱作電流平衡放大（Balanced Current Ampli fi er）。

b. 正電壓輸入狀態

正電壓輸入時，PWM的脈沖寬度隨模擬輸入信號振幅的大小作相應展寬，由于正負兩個極性的開關晶體管是反向激勵的，在正極性脈沖展寬的同時，負極性脈沖相應變窄（即相位相反），則正極性晶體管在每個正電壓輸入周期內的輸出電流增大，同時負極性晶體管減少同樣的輸出量，如圖6所示。在兩匹馬理論中，如果一匹馬的拉車力量比另一匹馬大，車子就會向力大的一方移動。

c. 負電壓輸入狀態

同理，負電壓輸入時，PWM的脈沖寬度隨模擬輸入信號振幅的大小而相應變窄，由于正負兩個極性的開關晶體管是反向激勵的，正極性脈沖變窄，負極性脈沖展寬，則正極性晶體管在每個負電壓輸入周期內的輸出電流減小，同時，負極性晶體管反方向增加同樣的輸出量。兩者相加，得到如圖7所示的負極性輸出信號。

（3）采用更高的PWM脈沖采樣頻率和高效的解調濾波器

Class-I數字功率放大器的PWM脈沖采樣頻率為250 kHz，16 bit量化，無論正負極性脈沖的寬窄，它們的中心點都是始終保持在同一位置上。當它們疊加時，就會在合成輸出端上生成兩倍頻率的脈沖波形，如圖8所示，即輸出信號的取樣頻率變成為500 kHz（濾波前）；Class-I功率放大器使用橋接模式，則信號頻率還要翻番。

這樣，250 kHz的采樣脈沖就成為500 kHz的PWM高頻輸出信號。500 kHz的高頻采樣信號頻率，使低通濾波器的工作效率更高、內阻更小、阻尼系數更大，同時，還可減少濾波器的相位偏移，得到更豐滿、更清晰細膩、更平滑、更悅耳的聲音。

功率放大器的阻尼系數是直接影響低音的清晰度和豐滿度的重要指標。Class-I數字功率放大器的高采樣頻率和高效的低通解調濾波器是提高數字功率放大器阻尼系數的關鍵。

（4）回收利用揚聲器負載的自感電動勢能量，進一步提高電源轉換效率

Class-I功率放大器除具有D類功率放大器高的電源轉換效率，還回收利用了揚聲器自感電動勢的能量。在驅動揚聲器時，功率放大器通過線纜將驅動功率傳送給揚聲器，驅動紙盆向前振動，推動空氣，發出聲音。當紙盆向后振動時，會有一個反電動勢從揚聲器返回給功率放大器，這時功率放大器會接收到從揚聲器返回的能量。模擬功率放大器接收到這個能量之后，只能將它轉換成熱能散發出去，這也是模擬功率放大器熱量大的原因之一。而Class-I功率放大器接收到揚聲器返回的能量后，通過內部的存儲電路，將這個能量存儲起來，再轉換成電動勢送給揚聲器。所以Class-I功率放大器的熱量很低，增大了輸出功率，其最小的一個型號功率也能達到1 250 W/8 Ω。圖9 是Class-I功率放大器與傳統功率放大器熱量對比。

2.3.2 Class-I功率放大器的主要技術特點

（1）音質好、功率大

Class-I數字功率放大器的阻尼系數大，頻響特性寬，與其他同類數字功率放大器相比，具有更強大的數字信號處理功能和更大的低頻功率儲備、更好的中頻、高頻特性，因此，低音豐滿柔和、中音明亮、高音清晰細膩，音質特別純真；能夠很輕松地驅動2 Ω或更低阻抗（最低可達到0.5 Ω）的大功率超低音揚聲器負載；不會出現因為功率放大器過熱或限幅等原因造成聲音突然中斷的現象。可用傳統模擬功率放大器的測試條件和方法測定全部音頻特性指標，參見表7。

表2 POWERSOFT 測試方法

（2）效率高

Class-I功率放大器的電源轉換效率可達到90%以上，能在有限的供電能源條件下，提供高功率輸出，降低能耗，減少發熱量。

（3）熱量少、高可靠

與模擬功率放大器相比，Class-I數字功率放大器產生的熱量是其十分之一，有效解決了風扇噪音，減少了灰塵等污染物。而且，由于功率放大器溫度低，也提高了它的安全可靠性。Class-I功率放大器可采用體積不大的散熱片，使它的體積和重量都大大減小。

（4）網絡化

Class-I功率放大器可與網絡連接，實行遠距離監控，便于升級擴展和資源共享。

3 數字功率放大器的測試條件

數字功率放大器各項參數指標的測試是在一定條件下進行的，各品牌產品的測試方法尚未統一，與模擬功率放大器的測試條件差異很大。因此，這些特性指標的運用也與模擬功率放大器不能完全相同，尤其是它與揚聲器負載的功率配比，不能與模擬功率放大器相提并論。表2是POWERSOFT數字功率放大器的測試方法，供參考。