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彻底引领数字革命 数字功放原理与发展

发布时间:2017/10/15 业内资讯 新闻资讯 未分类 浏览次数:1924

1数字功放原理与发展趋势

在近几年中我们越来越多地听见一些新的名词出现,在发烧圈中也同样如此,很多新的聆听方式开始兴起。虽然不能确定这些新的聆听方式是否能够超越传统聆听的体验,但更加先进是肯定的,这些新的东西为人们的聆听带来了更大的便利化,大有将会取代传统聆听方式的趋势。

好像随着电脑应用成为了主流什么东西都开始数字化了,数字音乐取代传统物理存储介质给我们带来了全新的聆听方式,但数字革命却并未停止。“数字功放”这个词就在近几年中相当流行,其实这种东西随着多媒体音箱的出现就已经有了,只是那时候只是作为有源音箱内部的集成电路,并且笔记本和声卡都是采用数字功放电路,但之前并没有单独存在过。

D类功放
彻底引领数字革命! 数字功放原理与发展

而后来数字功放由于利用效率高,散热结构小巧简单,电路也更加小巧不仅仅应用于这些桌面聆听的产品上,也逐渐开始出现在音响领域。但虽然数字功放已经出现了十几年,但聆听传统功放的发烧友们对于这种功放的接受程度仍然不高,首先对于这种东西的了解程度并不算多,另外也不是很相信它能够达到好的效果。

那么本文,我们就为大家来专门介绍一下数字功放,这或许能够提起很多音乐发烧友们的兴趣。


2数字功放与传统模拟功放

 

数字功放也称D类功放,与模拟功放的主要差别在于功放管的工作状态。

功放
纯甲类功放

传统模拟放大器有甲类、乙类和甲乙类、丙类等,一般的小信号放大都是甲类功放,即A类;这类功放放大器件需要偏置、放大输出的幅度不能超出偏置范围,所以能量转换效率根低,理论效率最高才25%。

功放
B类功放

乙类放大也称B类放大,它不需要偏置,靠信号本身来导通放大管,理想效率高选78.5%。但因为这样的放大在小信号时失真严重,实际电路都要略加一点偏置,形成甲乙类功放,这么一来效率也就随之下降。虽然高频发射电路中还有一种丙类,即C类放大,效率可以更高,但电路复杂、音质更差,音频放大中一般都不采用。

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甲乙合并功放

这几种模拟放大电路的共同特点是晶体管都工作在线性放大区域中,它按照输人音频信号的大小控制输出的大小,就像串在电源与输出间的一只可变电阻,控制输出,但同时自身也在消耗电能。

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多媒体音箱采用的就是D类数字功放电路

数字功放的功放管工作在开关状态,理论状态晶体管导通时内阻为零,两端没有电压,当然没有功率消耗;而截止时,内阻无穷大,电流又为零,也不稍耗功率。所以作为控制元件的晶体管本身不消耗功率,电积的利用率就特别高。

3D类功放的工作原理

 

D类功放处理的是经脉宽调制(PWM)的音频数字信号,声音信息埋藏在脉冲的占空比或脉冲密度中。如下图所示。

D类功放 EL34电子管
D类功放工作原理框架图

而下面这张图是音频信号的一种PWM调制方法,最为直观;较多采用的是以脉冲密度来表示信号大小的,脉冲密度大的地方,表示电压高;稀的地方电压就低。双向信号可用其他方式调制,如占空比50%,即脉冲宽度与间隔宽度1:1,标识信号幅值为零;占空比大于50%,幅度为正,这是数值越大,正幅度越高;占空比小于50%,幅度为负,越小越负。因为这种信号并不需要与外接设备直接相连,也就不需要格式完全统一,各厂可按自行研发的最佳方案调制。

D类功放 EL34电子管
音频信号的一种PWM调制方法

音频PWM编码可以从两种途径获得,一是对模拟音频信号进行模数变换直接生成PWM数字音频;二是对其它编码的数字音频,如CD的PCM编码,通过数字信号处理技术变换成PWM码。获得后用此信号去控制开关型晶体管:现在一般都用小信号就能控制大电流的开关型功率MOSFET,由功率管输出一个大能量的PWM信号。输出电压的大小由电源电压高低决定,输出的电流由负载扬声器的阻抗和电路形式决定。

功率管工作在开关状态,只要开关特性好,线性要求几乎没有,制造成本比音响对管低,工业控制上这类MOSFET已用得很普遍,取材方便。由于开关管导通时的饱和压降和截止时的漏电流也会损失一些电能,但总效率仍有百分之九十几,为各类放大电路效率之冠。

D类功放 EL34电子管
滤波原理

开关晶体管输出的是脉宽调制波形,要成为可听的模拟音频信号,还需经过一路带宽为20000Hz的低通滤波器,滤去脉冲波形中的高频成分,见上图。一般说来功放的输出电压对选取电容的耐压不成问题,只是电感最大允许电流要设计正确。

4数字功放的优势和应用

 

数字功放由于效率高,管子的耗损小,功放的散热结构可以做得非常小巧简单,整个电路可以做得很小。所以,首先在笔记本电脑、有源音箱和声卡上采用。带有数字功放的声卡可直接接普通音箱,这样使用就方便得多。但这些我们已经比较常见,只是作为普通的消费者可能并不知道它们内部集成的就是数字功放电路。

D类功放
TACT Audio Millennium Mk3就是一台出色的数字功放

D类功放
小型的数字解码耳放采用的也是数字电路

随着技术的发展,数字功放也已进入音响领域,TACT公司2000年推出的一款数字功放TACT Audio“黄金时代”令发烧音响界改变了对数字功放的成见,国内成都天奥公司更早就推出了用于家庭影院的数字多声道功放,深圳的三诺公司也在研发数字功放的有源音箱。国外多家芯片公司已推出带各种功能的数字功IC器件,为整机生产广更新产品提供了便利条件。一场功放革命正在悄然兴起。

D类功放
无源桌面书架搭配独立数字功放

D类功放
桌面音箱大都采用D类功放

可以看出数字功放的另一大优点是可以直接放大数字音频信号。CD和DVD碟片上输出的音频信号是数字化的,现在的播放机解码后要经过数模变换,变成模拟音频后再送出,而采用数字功放后,就可把解码后的PCM数字音频信号直接进人数字信号处理电路处理成PWM码进行放大。省去了播放机中的数模变换和数字功效中的模数变换两个较贵重部分,不但音质受损少,成本也可降低。

5数字功放的未来

 

利用数字功放技术生产整机时,音量调节方案会成为机种档次的分界线。简单方案就像传统模拟功放那样由电位器衰减模拟信号的输人幅度,实现音量衰减。这种方式数字信号的量化比特率得不到充分利用,小音量时信噪比下降、动态范围变小,且也不能用于数字音频直接输入的系统。

D类功放 EL34电子管
电脑声卡采用的都是数字功放

较好的方案是采用调节电源电压的方式来衰减音量,以改变加到低通滤波器上的脉冲电压幅度来改变输出功率。这样量化比特率仍可充分利用,由于电压下降,量化噪声也随之下降,所以音量减小了,但信噪比和动态范围仍能保持不变。

D类功放 EL34电子管
外置声卡使用的也是数字功放电路

由于功放电源的功率较大,改变电源电压不能用电阻衰减或分压方式来实现,必须从电源整流稳压部分就开始。TACT公司采用的方案是在数字稳压电源的DC-DC逆变过程中,改变占空比来改变最终输出电压。这类方案目前还只能在分立元件做功率输出部分的整机中采用,集成化数字功设lC仍用衰减模拟输人为主来调节音量。

D类功放 EL34电子管
这种小型的数字功放就能够带动书架音箱

写在最后:

从现状来看,数字功放已能商品运用在功率一般的普通用途放大器上,性价比和小型、节电等方面都有长处。几瓦的小功率型集成功放芯片、控制电路和功率开关器件已一体化,使用非常方便。几十瓦以上的大功率用数字功放芯片,一般只集成控制电路部分,大功率开关器件需另外集成或自行配置,以便整机设计灵话。在HiFi领域中,数字功效还只能算是在探索,离商品化还有一段过程。但数字功放是功率放大的后起之秀这点是不容置疑的。


从现状来看,数字功放已能商品运用在功率一般的普通用途放大器上,性价比和小型、节电等方面都有长处。几瓦的小功率型集成功放芯片、控制电路和功率开关器件已一体化,使用非常方便。

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