数字功率放大器

前言
现代高保真立体声系统都采用数字信号音源：诸如激光唱片（CD）、数字录音带（DAT）、数字音频广播（DAB）等。数字语音和乐音信号通常是脉冲编码调制的，具有12位，16位或更高的分辨率，取样频率分别为32KHz（DAB）；44.1KHz（CD）;或48KHz（DAT）。对这些数字信号，传统的方法是将它送到D/A变换器变换成模拟信号，经低通滤波后再送至模拟功率放大器来驱动系统的扬声器。
数字信号在存储、传输和处理方面的优点是众所周知的，数字系统的保真度、可靠性和经济性大大超过了模拟系统。因此，在信号链最后一环，即功率放大级，采用数字技术也是顺理成章的。一个显而易见的数字功放方案可以采用脉宽调制（PWM）技术，其简化的方框图如图1所示。一个低功率音频信号（该信号可以是模拟的也可以是数字的），送入脉宽调制器，它产生一个二进制PWM波形，对它进行功率放大，放大后的PWM信号再加到PWM解调器（通常是一个低通滤波器），最终得到一个功率音频信号。这类功率放大器也称为D类放大器。
PWM放大器最重要特性是简化了功率放大过程。就二进脉冲信号放大而言，功率放大过程简化为高功率DC电压源和由低功率PWM信号控制的开关电路，如图2所示。图中LC低通滤波器取代了PWM解调器；电阻RL是负载电阻，就是扬声器。在实际电路中，开关用两个快速功率MOSFET构成，为了避免在准静态工作时负载上产生直流偏移，可以采用桥式结构。
与A/AB/B类放大器相比，D类放大器最大的优点是其理想效率可达100%。对开关工作的晶体管，开启时开关上的电压为0；关闭时开关中的电流为0，因其功耗接近于0。这样，D类放大器能提供体积小，成本低的高功率放大器。此外，D类放大器不存在交叉畸变，交叉畸变在B类放大器中最为明显。
模拟PWM与数字PWM
脉宽调制的对象可以是模拟信号，也可以是数字PCM信号。两者的调制过程是相同的，输出的脉冲列也是类似的，但两者变换后的频谱是有本质上差别的，这也直接导致信号处理的差异，下面对这两种信号作简单的分析。
脉冲下降边自然PWM（NPWM）是一种经典的PWM电路，它由锯齿电压发生器和电压比较器构成，如图3。对模拟输入信号，锯齿波的固定频率应大于输入信号最高可能的频率，它直接确定了PWM信号的脉冲速率。输入信号和输出波形的定时关系示于图4（G）。为了深入了解音频信号在PWM后的性质，通常采用频谱分析法。对单频正弦波信号，下降边NPWM频谱由输入频率，载波和它的各次谐波，输入信号与载波及各次谐波的和频和差频组成。它的特点是，输入频率没有谐波，但输入与载波的调制积会向输入频率方向回落，这一点是非常重要的。为了不使调制积影响音频基带，载波频率应大大高于输入信号的最高可能频率。在实际PWM设计中，音频基带覆盖了DC至20KHz的整个频带，PWM载波通常在200KHz至300KHz之间。
与上述模拟PWM相似，我们也可以直接将均匀取样PCM信号变换为数字PWM信号，然后进行功率放大。PCM至PWM变换称为数字PWM。数字PWM不同于PCM信号用D/A变换器变换成模拟信号，再用上面已介绍的方法将模拟信号变换成PWM信号。
一个数字PWM是将幅度取样脉冲直接变换成与取样幅度成正比的脉冲列。倘若仍采用下降低NPWM电路，通常称为均匀取样PWM（UPWM），其取样定时图如图4（b）所示。它的频谱同样包含输入频率，载波和各次谐波，以及两者的调制积。但存在一个明显的区别，即它的基频带中含有输入频率的谐波，且其幅度随调制率和载波频率而增加。
数字PWM线性化技术
频谱分析表明，均匀取样PCM信号直接变换成PWM数据会导致音频基带中的高次谐波成分，造成失真，无法在高保真系统中应用。因此，在PCM数据送入PCM至PWM变换器之前应先进行预处理，以补偿其非线性。在各种线性化方案中，伪NPWM法和动态滤波法尤为常见。下面扼要介绍这两种方案的出发点和基本工作原理。
伪NPWM（PNPWM）法是在均匀取样PCM数据上来摹仿模拟NPWM过程。上面分析表明，模拟NPWM信号在基带内是不存在谐波成分的，而数字UPWM信号却存在谐波成分，试比较图5上两者的取样波形，锯齿波与均匀取样PCM信号的交叉点和锯齿波与原始模拟信号的交叉点确实存在着差别。这意味着，为了补偿非线性，必须在特定PWM脉冲时间间隔内重构模拟信号。全构模拟输入波形的正确分析表达式应是由无数个成比例和时延的正弦函数组成，取样锯齿波则可描述为一个一阶方程，于是重构模拟信号与锯齿波的交叉点需求解这两个相应的联立方程。当然，一种更为实用的方法是用n阶多项式来近似模拟输入波形，每个间隔内的多项式可利用n+1个PCM数据间隔两边的边界条件来重构。近似多项式的阶数越高，其误差越小。为了避免使用高阶方程分析解法，可采用诸如Newton-Raphson等数值算法。
PNPWM法是在基带中更正谐波成分的十分有效手段，但NPWM固有的调制积的和频与差频会落入基带这一基本事实是无法消除的，因而PNPWM仍需采用高载波频率，至少是4倍于音频取样速率。
第二种方案是动态滤波法。为了更好理解这一方法，首先应对数字PWM固有的非线性作更深入的分析，着眼点是对PCM和PWM两种脉冲信号进行比较，这两种信号都是脉冲列，都用低通滤波器解调，前者没有非线性，后者却存在非线性，这说明两种脉冲信号存在着内在的差异。矩形脉冲的Fourier变换为:
f(t)=rect( t/T)     F(t)=Tsin(tT)
参见图6，十分显然，PCM脉冲的宽度是恒定的，其传输函数也是恒定的，只是幅度在按比例变化；而PWM却不同，它在每个时间间隔内的宽度是不同的，具有各自相对于幅度比和频率比的Fourier变换，或者说传输函数是随时间变化的，因而PWM系统可以看成是带时变传输函数的PCM系统。为了线性化PWM系统，需用均衡滤波器来补偿与取样有关的变化。这种随取样而改变的滤波器称为动态滤波器，它最终使总传输函数至少在基带内是恒定的。
在实际使用时，例如每个取样具有自己的4阶FIR均衡滤波器，它的幅度响应近似为PWM取样频谱的倒数，从而使两者乘积在基带内恒定。需要注意的是，每个特定的4阶FIR滤波器存在色散效应，即会影响取样前、后2个取样的响应，改变它们相对应的均衡滤波器输出。此外，取样基均衡法还依赖于确定迭代过程的收敛性。最后还要指出，根据模拟的结果，动态滤波法也要适度的过采样，4倍过取样会取得良好的结果。
几种实用数字功放集成电路
数字功放是一种新型器件，IC厂商自然不会放过这一商机，相继推出了各具特色的数字功放产品。下面简要地介绍一些有代表性的器件。
TA2022是Tripath生产的模拟输入立体声集成化调制器和输出级。它的与众不同之处在于，其调制器采用扩频开关模式，而不是固定的频率，因此公司称为“T类”放大器。该器件在