CN1115770C - 1比特全数字高效率功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种1比特全数字高效率功率放大器，它由数字接口电路及模拟信号模数转换(ADC)电路共同连接数字加法器电路，数字加法器电路的输出端再连接超取样数字滤波器电路及噪声整形1比特量化电路，该噪声整形电路连接脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)调制输出驱动器、此驱动器再连接1比特功率输出级，该输出级连接低通滤波器电路；上述电路重复使用后组成5.1声道1比特全数字AV功率放大器，上述的每一电路均与大规模数字处理器DSP相连接。本装置使视听设备完全数字化使系统更加匹配，信号更易控制、传输和处理，提高保真度及电源效率，其提高幅度可达600%。
Description
本发明涉及一种全数字功率放大器。具体说是一种1比特全数字高效率功率放大器。
目前各类音响设备、通讯广播设备及工业设备所用的功率放大器为模拟功率放大器，其特点是所有晶体管都工作于线性导通区，即模拟波形放大状态，其缺点是信号容易受干扰，且难于大规模处理，不便于传输，效率低等。
本发明的目的在于提供一种1比特全数字高效率功率放大器，使功放减少失真，提高效率。
本发明的技术方案如下：
它由“数字接口电路”及“模拟信号模数转换(ADC)电路”即“数字输入选择器及接口”和“模拟输入选择器及接口”电路对输入信号进行识别、处理、转换后均连接解码器，用“超取样数字滤波及噪声整形1比特量化”电路即“1比特转换器、脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)器”对处理后的多bit信号转换为1bit信号，话筒预放大器连接卡拉OK电路再连接模数转换(ADC)电路最后连接到1比特转换器脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)器，从而将此类模拟信号转换成1bit信号，上述调制器的输出端第一路连接用于1比特数字功率输出的数字功率输出模块再接低通滤波器，数字功率输出模块同时连接音频数字功率输出电路，完成功率信号数字格式输出；上述调制器的第二路输出端连接同轴数码输出电路，完成小信号数字格式输出；第三路连接光纤数码输出电路，完成光纤数字格式输出；第四路接驱动屏幕显示；DSP处理器分别连接视频选择器、1比特转换器脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)器、解码器、模数转换(ADC)电路、卡啦OK处理电路、输入接口电路及驱动屏幕显示电路。
重复使用上述电路可以组成5.1声道1比特全数字AV功率放大器。
它的“超取样数字滤波及噪声整形1比特量化”电路即“1比特转换器、脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)器”是话筒信号预放大器连接模数转换(ADC)电路，ADC电路再连接话筒信号音量混响控制电路，此电路再连接串行数字接口数字加法器系统识别电路，该电路连接4-16倍数字滤波器，滤波器连3次噪声整形1比特量化电路；同时话筒信号预放大器及系统识别电路连接DSP后再连接声道分离音量音调声道选择测试静音电路，关断控制电路连接到1比特量化脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)调制输出驱动器，3次噪声整形1比特量化电路连接DSP处理器后再连接到声道分离音量音调声道选择测试静音电路，声道分离音量音调声道选择测试静音电路连接1比特脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)器，该调制器输出1比特对偶信号，本装置还有过流过压保护电路，DSP处理器分别连在以上每一电路。
它的1比特数字功率输出级的优选方案为MOS管FET1与FET2推挽连接，FET3与FET4推挽连接，组成桥式推挽电路。
本发明的优点在于：1、可使视听设备完全数字化使系统更加匹配，信号更易于控制、传输和处理。2、提高保真度及电源效率，其提高幅度可达600％。
图1是本发明功率放大器的电路方框图；
图2是本发明具体应用于5.1声道全数字AV功率放大器的电路方框图；
图3是本发明5.1声道1bit量化脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)调制输出驱动器的电路方框图；
图4是本发明1bit全数字功率放大器输出级的电路原理图；
图5是本发明功率放大器的电路原理框图。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
由图1可以看到本全数字功率放大器由数字接口电路及模拟信号模数转换(ADC)电路共同连接数字加法器电路，数字加法器电路的输出端再连接超取样数字滤波器电路及噪声整形1比特量化电路，该噪声整形电路连接脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)调制输出驱动器、此驱动器再连接1比特功率输出级连接低通滤波器电路；上述的每一电路均与大规模数字处理器DSP相连接。图1中系统配置如下：1、系统时钟SCLK：256FS、384FS、512FS、768FS；2、字时钟FS：适应32KHz、44.1KHZ、48KHZ、88.2KHZ、96KHZ、176.4KHZ、192KHZ；3、比特字长：16bit-24bit；4、位时钟BCLK：适应64FS、48FS；5、1bit信号取样频率：4-16FS；6、三阶噪声整形Δ-∑量化；7、功率输出波形为脉宽调制或脉密调制；8、数字接口为I2S接口并兼容SONY/PHILIPS形式；9、输入低通滤波器上限截止频率为30KHZ；根据以上系统配置，本全数字功率放大器有如下放大流程：首先数字接口对输入的信号进行识别，确定其系统时钟、字时钟、位时钟、比特字长，并对以上时钟送锁相环锁定。若输入的是模拟信号则按预定的模数转换(ADC)配置进行模数转换成为多比特数字信号，将以上两部分信号分别送入加法器进行相加，输出后送入4-16倍超取样滤波器进行内插处理，内插处理后输出多比特信号，其取样频率提升为NFS，其中N为滤波器的倍数，中心频率频谱的低频段可远在20KHZ以上，从而达到降低数字噪声的目的。超取样滤波后的多比特数字信号被送入噪声整形及1比特量化，根据配置要求，本数字功放采用三次噪声整形1bit量化(即Δ-∑调制)，从而消除量化噪声后使其输出取样频率为NFS的1bit数字信号。此1bit数字音频信号送入PWM或PDM调制开关电路进行脉宽调制或脉密调制，形成对偶输出驱动信号，用来推动功率输出级。为了能有效地控制功率输出级的导通与关断且不产生贯通短路，由DS P控制输出驱动级的输出信号，进行导通延时，即附加有关断控制信号输出。
由图5可以看到本发明的1比特全数字功率放大器的实施例，数字接口电路用集成电路CS8412，接收模拟信号的模数转换(ADC)电路用集成电路CS5390它们共同接入串行加法器集成电路74HC283，该加法器连超取样数字滤波器、噪声整形1比特量化、PWM或PDM调制输出驱动器这三个电路用集成电路MN4471，该集成电路连由四个MOS管推挽连接组成的1比特功率输出级，该输出级连接低通滤波器电路；低通滤波器电路输出模拟信号，上述的每一电路均与集成电路DSP56009连接并附以其它外围电路构成本全数字功率放大器。
图2是上述的全数字功率放大器组成的5.1声道1bit全数字AV功率放大器的方框图，数字输入选择器及接口电路和模拟输入选择器及接口电路均连接解码器，解码器连接5.1声道1比特转换器脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)调制器，由话筒预放大器经卡啦OK、模数转换(ADC)也连接该调制器，上述调制器的输出端第一路连接5.1声道数字功率输出模块再接低通滤波器，5.1声道数字功率输出模块同时连接音频数字功率输出电路。上述调制器的第二路输出端连接同轴数码输出电路；第三路连接光纤数码输出电路；第四路接驱动屏幕显示；DSP处理器分别连接视频选择器、5.1声道1比特转换器脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)器、解码器、卡啦OK处理电路、输入接口电路及驱动屏幕显示电路。
其中输入信号是从影蝶机中送出的数字音频信号，或模拟音频信号，其输入形式有数字同轴电缆输入端、光纤输入端及模拟输入端，数字音频信号与模拟音频信号通过各自的选择器及接口，进行系统识别、信号选择与处理后送入解码器，解码器对此信号进行识别，确定其形式是MPEG2、AC-3或是DTS并进行相应的解码，若不是以上配置信号则进行杜比逻辑环绕声处理，处理后的5.1声道信号送入1比特转换器及脉宽调制器或脉密调制器；与此同时卡啦OK话筒信号经预放大后进入音量控制，延时和混响电路，之后再进入模数转换(ADC)电路使之数字化。这个话筒数字信号与解码器输出的信号进行数字混合相加，共同送入5.1声道1比特转换器脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)器，并输出5.1声道对偶脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)驱动信号，用以驱动5.1声道数字功率输出级。功率输出信号滤波后推动5.1声道扬声器系统。
由图3可以看到上述5.1声道全数字AV功率放大器中，话筒预放大器、卡啦OK、模数转换(ADC)及5.1声道1比特量化脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)调制输出驱动器是话筒信号预放大器连接模数转换(ADC)，ADC电路再连接话筒信号音量混响控制电路，此电路再连接串行数字接口数字加法器系统识别电路，该电路连接4-16倍数字滤波器，滤波器连3次噪声整形1比特量化电路；同时话筒信号预放大器及系统识别电路连接DSP后再连接声道分离音量音调声道选择测试静音电路，关断控制电路连接到5.1声道1比特量化脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)调制输出驱动器，3次噪声整形1比特量化电路连接DSP处理器后再连接到声道分离音量音调声道选择测试静音电路，声道分离音量音调声道选择测试静音电路连接5.1声道1比特脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)器，该调制器输出5.1声道1比特对偶信号。DSP处理器分别连在以上每一电路。此驱动级可以形成一个专用芯片。且针对不同使用要求形成不同功能和繁简的专用芯片但其基本功能仍然是以数字滤波、噪声整形、1比特量化、脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)调制、过压过流过载控制、关断控制等功能为核心展开。图3中输入信号为5.1声道的多比特串行数字信号，其相当于三个多声道串行信号；串行数字接口系统识别电路确定信号格式后进入4-16倍超取样数字滤波器并经过插补使取样频率为NFs，再送入三次噪声整形及1比特量化(即Δ-∑调制)电路，形成1比特数字信号，此数字信号再进入DSP处理器处理；另一部分是对话筒MIC1、MIC2信号的处理，预放大电路及模数转换(ADC)电路连接DSP延时混响电路及音量控制电路，并由DSP控制处理下再将5.1声道信号DATA1、DATA2、DATA3混合相加一并连接到超取样滤波、噪声整形、1比特量化等。以上混合数字信号的电路连接DSP电路、声道分离、各声道音量控制、音调控制、声道选择静音及关断控制电路后，再连接脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)调制器，此调制器输出信号是对偶输出结构。即同一输出波形有两组正负脉冲输出端子。同样关断控制仍然是防止推挽功放管的短路贯通电流的产生。其方式是根据功放管的有关参数使导通的上升时间稍做延时而达到目的。过流、过压、过载是对本级输出端及功率输出端进行监测控制以免在上述情况下烧毁电路元件。
图4功率放大器中，其1bit数字功率输出级的优选方案的MOS管FET1与FET2推挽连接，FET3与FET4推挽连接、组成桥式推挽电路。
对偶驱动信号使MOS管FET1、FET4与FET2、FET3轮流导通、截止，从而在输出端得到与驱动信号相同的波形但被放大了的数字音频信号V。，由于V。是脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)功率数字信号，将其送入低通滤波器即可将其音频信号滤出，从而推动现有的模拟音箱放音。
Claims (4)
1、一种1比特全数字高效率功率放大器，其特征在于：它由“数字接口电路”及“模拟信号模数转换(ADC)电路”即“数字输入选择器及接口”和“模拟输入选择器及接口”电路对输入信号进行识别、处理、转换后均连接解码器，用“超取样数字滤波及噪声整形1比特量化”电路即“1比特转换器、脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)器”对处理后的多bit信号转换为1bit信号，话筒预放大器连接卡拉OK电路再连接模数转换(ADC)电路最后连接到1比特转换器脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)器，从而将此类模拟信号转换成1bit信号，上述调制器的输出端第一路连接用于1比特数字功率输出的数字功率输出模块再接低通滤波器，数字功率输出模块同时连接音频数字功率输出电路，完成功率信号数字格式输出；上述调制器的第二路输出端连接同轴数码输出电路，完成小信号数字格式输出；第三路连接光纤数码输出电路，完成光纤数字格式输出；第四路接驱动屏幕显示；DSP处理器分别连接视频选择器、1比特转换器脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)器、解码器、模数转换(ADC)电路、卡啦OK处理电路、输入接口电路及驱动屏幕显示电路。
2、根据权利要求1所述的1比特全数字高效率放大器，其特征在于：重复使用上述电路可以组成5.1声道1比特全数字AV功率放大器。
3、根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于：它的“超取样数字滤波及噪声整形1比特量化”电路即“1比特转换器、脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)器”是话筒信号预放大器连接模数转换(ADC)电路，ADC电路再连接话筒信号音量混响控制电路，此电路再连接串行数字接口数字加法器系统识别电路，该电路连接4-16倍数字滤波器，滤波器连3次噪声整形1比特量化电路；同时话筒信号预放大器及系统识别电路连接DSP后再连接声道分离音量音调声道选择测试静音电路，关断控制电路连接到1比特量化脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)调制输出驱动器，3次噪声整形1比特量化电路连接DSP处理器后再连接到声道分离音量音调声道选择测试静音电路，声道分离音量音调声道选择测试静音电路连接1比特脉宽调制(PWM)或脉密调制(PDM)器，该调制器输出1比特对偶信号，本装置还有过流过压保护电路，DSP处理器分别连在以上每一电路。
4、根据权利要求1所述的1比特全数字高效率功率放大器，其特征在于：它的1比特数字功率输出级的优选方案为MOS管FET1与FET2推挽连接，FET3与FET4推挽连接，组成桥式推挽电路。
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