CN1110891C - 数字功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字功率放大器，包括数字接收电路、滤波和音量控制电路，以及数字信号处理器和个数相等的若干个正负多比特功率单元组成，其特征是数字信号处理器按照设定的程序处理输入信号，输出控制若干个正负多比特功率单元的脉冲信号；所述的功率单元相互独立工作，输出稳定，负载的总功率为各多比特功率单元功率的合成。本发明输出的功率与输入的音频数码一一对应，响应迅速，保真度高，结构简单，是模拟功放的换代产品。

Description

数字功率放大器

本发明涉及一种放大器，尤其是音频功率放大器。

音频功率放大器是对声音放大的一种装置，应用很广泛，如电台、广播、电影院、汽车音响、家庭卡拉ok和影院等，与人们的工作生活关系非常密切。目前市场上和人们使用的音频功率放欠器基本都是采用甲类、乙类、甲乙类、OTL和OCL等形式的模拟音频功率放大器。此类功率放大器电路人们研究发展了数十年，其中也有不少优良的电路，为音响事业作出了一定的贡献。但是，由于晶体管的传输特性所限制，在全频段内的动态范围，无绝对的线性，必然会产生非线性失真。还有，所选用的元件的不对称，也会引起失真；反馈电路、补偿电路、电容器和电感器的响应和变值等，都会产生失真，使保真度下降，音质变劣。同时还增大整个装置的体积，及重量提高了整机成本。近年来，数字技术在音响视频领域的研究及应用发展很快，如数字视频光盘DVD、杜比数字环绕声AC-3、数字影院系统DTS和数字信号处理器DSP，以及计算机多媒和数字移动电话的广泛应用等。这说明，数字电路比模拟电路更具有优越性，随着数字技术的进一步发展逐步取代模拟电路，在音响领域中，现在只剩下功放器和音箱(或扬声器)还是模拟形式，这说明是一个较大的难题，影响了数字技术在这一领域的发展。根据最近《电子报》及有关资料记载，英国、西班牙、荷兰和丹麦等西方国家的有关公司对音频数字功率放大器研究多年，至今的没有成功的产品面市。日本夏普公司在1997年制造了一个完全数字化的1比特扩音/扬声器系统，在音质、成本和体积等方面均大大优于模拟音频功率放大器。但是，该产品在技术、生产工艺上还有许多难题，主要是在原理上、生产工艺上与现有的系统完全不兼容，可以说要完全淘汰现有模拟放大器及扬声器系统的生产设备、工艺、产品和消费者现有的音响器材，与现实差距太大，不利于人们的需要。

本发明的目的是提供一种高保真、工作可靠、结构简单，与模拟音响(扬声器)兼容、体积小和成本低高品质的数字功率放大器。

上述目的的数字功率放大器的输出功率，遵循公式：P(d)＝dn×P2/21+dn-1×Po/22+...d2×Po/2n-1+d1×Po/2no，其中，dn＝0或1，两种状态，由数字音量控制输出脉冲决定；n＝1、2、3、4...no，n≤no，表示位从数级，确定多比特功率单元的个数，由数字信号处理器输出的数字信号字长决定，如no＝19，则数字音频信号的字长为20位，多比特功率单元有正负各19个不同比例级的功率单元，从1、2、3、4、5...到19个，n_o可为15、19、23、31等；Po为要求的最大输出功率，由数字音量控制设定。实现该公式的电路包括：(1)数字信号接收电路；(2)对接收的数字信号进行数字滤波处理，并根据需要进行音量控制的电路；(3)含有设定程序，对输入的数字信号进行处理，产生控制各功率单元的数字脉冲的数字信号处理器；(4)正、负单元个数相等的若干个功率单元模块电路，其输出是多电平，等脉宽的功率，满足上述公式；(5)滤去高频成份低通滤波电路。以上各电路按照处理输入信号的顺序，输入和输出依序连接，构成数字功率放大器。

上述结构的数字功率放大器的前两部份数字接收、数字滤波和数字音量控制在现有技术中都有较成熟的电路，可直接采用；其中的数字音量控制电路，因为在数字领域里处理，对音量的调节，就是对一个数字的运算输出结果，因此，不会产生时间延迟、相应失真和新的非性线杂波，或引入干扰成份。第三部份是专用于处理数字信号，并产生相应控制数字脉冲信号的微计算机芯片，含有设定的程序，其处理数字信号的效率和质量是任何模拟电路所不能比拟的。数字信号的功率放大由正负若干位功率单元模块组成，每一模块功率单元都工作于固定的功率状态，每个模块功率单元的工作状态只有两种，就是“1”输出功率，“0”不输出功率，每一时刻的功率输出，与输入的音频数码一一对应，定位准确，响应非常快。它们的工作状态不同于模拟功放，无反馈电路，无补偿网络，不会产生非线性失真和时间延迟响应，幅频响应都可达到前所未有的高水平。若干个功率单元的输出的等脉宽、多电平的功率在总线上合成后驱动负载或扬声器。因此，本数字功率放大器，结构简单，选材容易，不存在模拟信号的传输及放大环节，信噪比极高，失真极小，声象定位极佳，是现在模拟功放的换代技术和产品，物美价廉，满足大众高水平听音的需求。

下面结合附图，对本发明进行详细说明。

图1所示，是本数字功率放大器原理框图。

图2所示，是本发明的数字脉冲时序例图。

图3所示，是本发明多比特功率单元及功率合成的电路原理图。

在图1中的数字音频输入，可以是数字视频光盘DVD、VCD、杜比数字环绕声输出AC-C、数字影院系统DTS等数字音频信号源，将数字音频信号输给数字接收电路，数字接收电路采用现有技术中的集成电路CS8412(为美国型号，以下同)。数字滤波电路和音量控制电路也采用现有技术中的集成电路PMD100，对数字接收电路给出的信号进行滤波和音量控制，并产生晶振时钟脉冲XICLK、声道数字信号DRO、位时钟信号出BCRO、字时钟信号WCRO、位时钟信号进BCR1、字定位时钟脉冲DG和公共地线GND等，分别输给数字信号处理器P1016的44～38相应的脚。其中，对音量的调节，是对一个数字的运算输出的结果，不会产生其它干拢和不良成份，所设定的音量功率为Po。数字信号处理器P1016，根据所输入的信号，经该处理器中设定的程序处理，产生控制各功率单元的数字脉冲，如：第n位负功率输出控制数字开关脉冲DL-n、第n位负动态功率输出控制数字开关脉冲SDL-n、第n位功率正输出控制数字开关脉冲DH-n、第n位正动态功率输出控制数字开关脉冲SDH-n；其中n为1、2、3、...19的功率单元数，正负功率单元各有19个，每个单元负责相同宽度的信号进行放大，并工作于固定的功率状态，单元数越多，每单元负责的信号宽度越小，音频的还原精度愈高，保真度愈好。本发明所述的功率是音频功率，实质上是声能转换成变化的电流和变化的电压的乘积，由于电流和电压在各时刻的变化方向不同，有向正向变化瞬间，也有向负方向变化的另一瞬间，其变化的大小用一定的数值来表示，因此有正、负值之分，它们的乘积也有正负值。电流和电压乘积为正值时叫正功率，为负值时叫负功率。由于瞬间功率取决于变化电压与变化电流的乘积，故瞬间功率也是一个变量。物体振动发出声音，产生声能，可经转换变成相应变化的电流和电压，经放大后，再推动扬声器振动发出声音，正负功率是使扬声器发出声音的主要动力。用于功率放大的构件组成叫功率放大器。关于功率放大器在现有的晶体管电路、电子技术和无线电等教科书及出版物上都有大量的介绍，这里就不再赘述。图1中，在数字信号处理器P1016的两侧分别有正负各19个功率单元。功率单元的功率大小决定于根据要求所设定的输出功率Po和数字位的位置，例如，第19位功率单元为设定输出功率Po的1/2，而第1位则为Po/524288，在负载上得到总的输出功率是正负各功率单元的叠加合成，满足公式：P(d)＝dn×Po/21+dn-1×Po/22+...d2×Po/2n-1+d1×Po/2no其中，n＝1、2、3...no，no＝19；dn＝0或1，由数字音量控制输出脉冲决定；po为要求的最大输出功率。在图1中，各功率单元的位和功率的大小都在每单元功率模块上作了标示，如：负第2位功率单元，-(1/218)Po3：正第18位功率单元，+(1/22)Po等。每功率单元都工作于固定的功率状态，每功率单元模块都受动态功率输出控制数字开关脉冲SDL-n或SDH-n，以及功率输出控制数字开关脉冲DL-n或DH-n的控制，它们的输出通过负功率总线和正功率总线，在负载(扬声器)上合成，即功率合成。在总线上，可设置低通滤波器，将一些高频信号滤去，提高信号质量。所述的低通滤波器是现有技术很简单的滤波电路，在现有一般的电子电路、无线电和电子技术出版物上都有记载，例如最常见的是在线路上串接一电感，在该电感的后端与地之间并接一电容构成的低通滤波电路，只由两个元件组成的电路，该电路仅允许频率较低的信号通过，滤去高频信号，故称低通滤波器。当然，还有其它结构的低通滤波器。因为声音的频率处于较低的频段，采用低通滤波器可去掉一些高频干扰信号。在本发明中，若电路器件的性能允许，功率系统的功率脉冲间隔时间足够的短，脉冲的台阶很小，频率高，高于扬声器的频率响应，此时，可取消低通滤波器。在图2中，举例示意了在动态功率输出控制数字开关脉冲SDH-18T和SDH-19的控制下，第18和19位正功率单元的输出，在负载上得到的合成功率的时序图，从图中可以看出，此功率合成是第18和19功率单元输出的叠加。

在图3中，在正负各19个功率单元中任选了正负各一个功率单元电路来说明其工作原理(其余的正负功率单元电路各自相同)，并一起说明功率合成的工作过程。在图中的第n位负输出功率单元，由两个NPN晶体管N2和N3、一个PNP晶体管P3、电阻R2和R3、恒流源(1/2n)I。组成，其中Io是上述设定音量功率Po中的电流。三个晶体管N2、N3和P3的发射极连接在一起；晶体管N3的集电极接负载RL一端，基极接数字信号处理器P1016的第n位负功率输出控制数字开关脉冲DL-n的输出端，该基极还与一反相器的输入端连接(图中未画出)。晶体管N2的集电极通过电阻R2接正电源，基极接晶体管N3基极所接反相器的输出端，即与负功率输出控制数字脉冲DL-n反相，为脉冲DL-n。晶体管P3的基极通过电阻R3接数字信号处理器P1016的第n位负动态功率输出控制端，集电极接恒流源(1/2n)Io的输入端，该恒流源的输出接公共地。在三个晶极管N2、N3和P3基极输入端的左侧，是表示各输入端的输入脉冲时序图，从时序图可知，该功率单元电路的工作原理，晶体管P3为负功率预加速数字动态功率开关，晶体管N3为负功率输出开关，晶极管N2为功率旁路开关；当无负功率加速数字动态功态开关脉冲时，

晶体管P3和N3关断，晶体管N2导通，恒流源不工作，无功率输出；当有负动态功率开关脉冲时，即脉冲SDL-n＝-1，晶极管P3先导通，起到预加速的作用，晶体管N2原导通，恒流源(1/2n)Io启动，电流从电阻R2到晶体管N2和P3，经恒流恒(1/2n)Io到负电流源，负功率输出控制脉冲DL-n＝1到晶体管N3基极时，电流源已经稳定，并达到标准值，晶体管N3通导，晶体管N2基极输入脉冲DL-n＝-1，晶体管N2关断，电流从负载RL到晶体管N3和P3，经恒流源(1/2n)Io到负电源，即晶体管N3对负载RL有输出，在负载上得到负向的功率。输出结束时，先关断晶体管N3，后关断晶体管P3，保证输出电流的平稳、准确。以上由晶体管N2、N3和P3，以及电阻R2、R3和恒流源(1/2n)Io构成的电路叫多比特负功率单元电路。由于所需的输出功率较大，如100～300W或更大，多比特功率单元中的晶体管P3、N2和N3常工作在高压欠电流的状态，这就要求所述晶体管有高耐压(300V以上)、大电流(10A以上)的特性，也可以这么说，如果需要大功率的输出，只需在未n位多比特功率单元电路选用高耐压大电流的晶体管即可。需要说明的是多比特功率单元电路一般都做成模块，简化结构，方便使用。同理，正功率单元由NPN型晶体管N1、PNP型晶体管P1和P2、电阻R1和R4、恒流源(1/2n)Io构成；恒流源的输入端接正电流，输出接晶体管N1的集成电极；晶极管N1的基极通过电阻R4接数字信号处理器P1016的第n位正动态功率输出控制端，发射极与晶体管P1和P2的发射极连接。晶极管P1的基极接信号处理器P1016的第n位正功率输出开关脉冲输出控制端，基极还与一个在图中未画出的反相器的输入端相接，集电极接负载RL。晶体管P2的基极接晶体管P1基极所接的反相器的输出反相端，集电极通过电阻R1与负电源相接。在三个晶体管基极输入端的右侧有其相应的脉冲时序图。上述结构的正功率单元电路叫多比特正功率单元电路，其工作原理与多比特负功率单元的相同，只是在负载RL上得的功率为正向的功率而已。正负功率单元工作时流经负载RL的电流时间不同，方向相反，它们的工作时序由处理器1016发出的脉冲控制，两者流经负载的电流不会发出冲突。正负功率单元在处理器1016的控制下，将输入的音频信号有序地分成多个脉冲信号，再有序地将该脉冲信号放大，然后在负载RL，即扬声器上“上按时，按量”地将多个脉冲的音频信号合成复原，即功率合成。由于正负功率单元在时序上流经扬声器的功率脉冲大小与方向均不同，使扬声器振膜产生相应的振动，发出声音。多个功率脉冲有序连续地作用在扬声器上，即在场声器上得到合成的脉冲功率，使扬声器有序地发出连贯的声音，这声音的音频信号与输入功率放大器的原音频信号相同，但量值增大了，这就是经音频功率放大的结果。当然，在负载RL的电路上，为了消除残余的高频信号，可接入低通滤波电路，进一步提高输出功率的质量。

本数字功率放大器是这样工作的：数字音频信号由数字接收电路接收，经数字滤波和数字音量控制电路后，产生的各种信号，送数字信号处理器处理，产生控制各多比特正负功率单元的数字脉中DL-n、SDL-n、DH-n和SDH-n，各多比特正负功率单元根据音量控制所设定的音量功率大小，工作于恒定的功率状态，对音频信号进行放大，各功率单元按输入的数码顺序，一一对应放大与合成，再经低通滤波，最后驱动负载或扬声器，即声音放大后还原。

Claims (2)

1、一种数字功率放大器，包括数字接收电路、数字滤波和音量控制电路，以及低通滤波电路，其特征在于还包括：

(1)含有设定程序，按程序处理输入信号，输出包括控制各多比特正负功率单元的数字脉冲的数字信号处理器；

(2)个数相等的若干个正负多比特功率单元，各功率单元的合成功率满足：P(d)＝dnPo/21+dn-1×Po/22+...+d2×Po/2n-1+d1×Po/2no公式，其中，dn＝0或1，两种状态，由数字音量输出脉冲决定；n＝1、2、3...no自然数，n≤no，no可为15、19、23、31等，确定多比特功率单元的个数；Po为要求的最大输出功率，由数字音量控制设定。

2、根据权利要求1所述的数字功率放大器，其特征在于：各负多比特功率单元均由两个NPN型晶体管(N2和N3)、一个PNP型晶体管(P3)、两个电阻(R2和R3)和一个恒流源构成；三个晶体管的发射极相互连接，晶体管(N2)的集电极通过电阻(R2)接电正源，基极接一个反相器的输出端；晶体管(N3)的集电极接负载(RL)，基极接数字信号处理器的负功率输出控制端，基极还接晶体管(N2)基极所接反相器的输入端；晶体管(P3)的集电极接恒流源的输入端，基极通过电阻(R3)接所述数字信号处理器的负动态功率输出控制端；恒流源的输出端接负电源；各正多比特功率单元均由两个PNP型晶体管(P1和P2)、一个NPN型晶体管(N1)、两个电阻(R1和R4)、和一个恒流源构成，三个晶体管的发射极相互连接，晶体管(N1)的集电极接恒流源输出端，基极通过电阻(R4)接所述数字信号处理器的正动态功率输出控制端；恒流源的输入接正电源；晶体管(P1)的集电极接负载(RL)，基极接所述数字信号处理器的正功率输出控制端，基极还接一个反相器的输入端；晶体管(P2)的集电极通过电阻(R1)接负电源，基极接晶体管(P1)基极所接反相器的输出端。