家庭音響的消費(fèi)者有一種老觀念，即設(shè)備越大越好，而最強(qiáng)大的系統(tǒng)甚至應(yīng)該令搬運(yùn)工都感到犯難。但新一代音響設(shè)備、DVD播放機(jī)和綜合家庭影院系統(tǒng)正在替代這些龐然大物。
采用數(shù)字放大的新一代音視頻(AV)播放器正變得前所未有的小和輕。借鑒自開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字放大技術(shù)可以使功效提高94%，從而省去了通常與功率晶體管輸出級(jí)相伴的金屬散熱片。因此，制造商能夠把50瓦的立體聲電視與液晶顯示屏一道封裝在塑料機(jī)殼中，并創(chuàng)建帶有AM-FM收音機(jī)、杜比數(shù)字和DTS環(huán)繞聲解碼器的集成式DVD播放機(jī)。
由數(shù)字放大器實(shí)現(xiàn)的多聲道音頻系統(tǒng)包括汽車娛樂(lè)系統(tǒng)以及家庭影院，據(jù)市場(chǎng)研究公司Forward Concepts預(yù)測(cè)，這些應(yīng)用將使2004到2006年間音頻放大器聲道的出貨量超過(guò)10億個(gè)。
目前，整套六聲道家庭影院音頻播放系統(tǒng)的售價(jià)只需100多美元，因此一些音響發(fā)燒友對(duì)音質(zhì)感到擔(dān)憂。事實(shí)是“D類”數(shù)字放大器需要精心設(shè)計(jì)的濾波器。濾波器元件(電感和電容)可能與數(shù)字放大器試圖淘汰的金屬散熱片一樣龐大，但省略它們將給音質(zhì)造成嚴(yán)重影響。
因此，D類及其它類型數(shù)字放大器的半導(dǎo)體供應(yīng)商根據(jù)他們的濾波器設(shè)計(jì)能力來(lái)定位自己的產(chǎn)品。在任何情況下，這些廠商都愿意為他們的潛在客戶將外部濾波器元件的復(fù)雜度、數(shù)量和價(jià)格降至最低。
例如，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體和美信(Maxim)等公司正專注于開(kāi)發(fā)低功耗產(chǎn)品，如用于蜂窩電話和PDA的耳機(jī)放大器。此類手持設(shè)備需要節(jié)電性能出眾的D類放大器和最小的濾波器，而音質(zhì)方面的損失在很大程度上不會(huì)引起用戶的注意。另外，少數(shù)公司試圖完全地消除濾波器設(shè)計(jì)問(wèn)題，他們的典型代表是D2Audio公司，主要面向高端消費(fèi)類產(chǎn)品。
一些半導(dǎo)體制造商，如Tripath Technology、TI和Apogee Technology公司，卻主推面向大眾消費(fèi)類市場(chǎng)的高功率放大器元件。為了將對(duì)外部濾波器的需求降至最低，這些制造商正在采用“零交叉”、擴(kuò)譜和其它降噪技術(shù)。Cirrus Logic公司也宣布要進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)，盡管它的D類產(chǎn)品線一直集中在低功耗耳機(jī)放大器上。
濾波器的設(shè)計(jì)
在工作中，數(shù)字放大器利用一個(gè)數(shù)字脈沖列的寬度和頻率(即脈寬調(diào)制)來(lái)攜帶音頻信號(hào)。 脈沖是由比較器產(chǎn)生的，它們與音頻信號(hào)的電平相匹配。因此，一個(gè)高幅、高頻信號(hào)由一簇密集的短脈沖表示，而低頻、低幅信號(hào)則由較長(zhǎng)、較稀疏的脈沖表示。
通過(guò)將數(shù)字脈沖列輸入一對(duì)MOSFET功率管，就可以產(chǎn)生音頻信號(hào)。通常，這對(duì)MOSFET管被連接成推拉(push-pull)模式。附加的電感電容濾波器以及揚(yáng)聲器線圈本身延長(zhǎng)了信號(hào)的“持續(xù)性”，有效地使脈沖變得平滑。
晶體管不是天然的放大器，它們是開(kāi)關(guān)器件。為了讓晶體管發(fā)揮放大器的作用，正如傳統(tǒng)的AB類放大器一樣，必須施加一個(gè)偏置電流，它迫使晶體管永遠(yuǎn)懸浮在全開(kāi)與全關(guān)之間的區(qū)域內(nèi)。這意味著AB類放大器的晶體管將吸收電流，因而產(chǎn)生熱量，即使在沒(méi)有音頻信號(hào)時(shí)也是如此。
音響設(shè)備制造商已經(jīng)知道，許多類型的功率晶體管在被“熱偏置”時(shí)表現(xiàn)出最佳的線性特征，這就是說(shuō)，當(dāng)它們被施加足夠的偏置電流時(shí)將轉(zhuǎn)入“開(kāi)”的狀態(tài)。這會(huì)使功率晶體管摸起來(lái)極燙，而且毫無(wú)疑問(wèn)，這些高端的A類放大器需要配備一個(gè)十幾公斤的鋁散熱器。
與此相反，數(shù)字放大器可以更高效地使用功率晶體管。脈寬調(diào)制能控制它們的開(kāi)或關(guān)，而且切換的過(guò)程中不必耗費(fèi)太多的時(shí)間或功率。因此，在D類放大器中，PWM、驅(qū)動(dòng)級(jí)與功率晶體管輸出構(gòu)成的鏈條明顯比多級(jí)的AB類放大器短。
問(wèn)題是音頻放大器的輸出必須經(jīng)過(guò)仔細(xì)地過(guò)濾，以防止數(shù)字脈沖列的殘余和諧波。這迫使半導(dǎo)體供應(yīng)商從事濾波器設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)，但沒(méi)有人能保證他們的客戶，即消費(fèi)電子設(shè)備制造商，將采納他們的參考設(shè)計(jì)或聽(tīng)從半導(dǎo)體制造商的推薦。因此，如果終端用戶對(duì)一套家庭影院系統(tǒng)的音質(zhì)不滿意，他很可能會(huì)責(zé)怪半導(dǎo)體供應(yīng)商，盡管事實(shí)上這也許是由濾波器故障導(dǎo)致的問(wèn)題。
Tripath是最早著手解決濾波器問(wèn)題的公司之一。通過(guò)采用一種變頻鋸齒波振蕩器把脈沖擴(kuò)展到大約1MHz的區(qū)域內(nèi)，它有效降低了所需濾波器網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。這種形式的擴(kuò)譜技術(shù)被該公司稱為T(mén)類。例如，Tripath發(fā)現(xiàn)與250kHz開(kāi)關(guān)配合使用的電解電容可以被體積更小、額定值更低的電容所替代，只要讓開(kāi)關(guān)工作在600kHz到1.5MHz。
Tripath提供分立的低功耗(大約10瓦)放大器芯片、功率高達(dá)70瓦的集成式放大器驅(qū)動(dòng)器以及150瓦/聲道的組裝模塊。例如，該公司的TA2024雙聲道(15瓦/聲道)放大器可以驅(qū)動(dòng)日本三洋公司的42英寸等離子顯示屏電視和30英寸LCD顯示屏電視以及JVC公司的26英寸HDTV。90瓦/聲道的TA2022已被用于三洋的5.1聲道DVD播放器中。
事實(shí)上，Tripath宣稱其出貨量已達(dá)2,500萬(wàn)聲道。目前，它的客戶包括Aiwa、蘋(píng)果電腦、Denon、日立、摩托羅拉、Onkyo、三星、夏普、索尼和東芝。
TI公司也表示，它的設(shè)計(jì)中標(biāo)包括三星的DVD混合播放機(jī)。三洋正在使用TI的一款芯片組，它由TAS5026A(一個(gè)六聲道PWM)和TAS5110(一個(gè)50瓦的數(shù)字功率放大器)組成。分立的立體聲半橋(H-bridge)驅(qū)動(dòng)器TAS5182把TI的數(shù)字放大器功率范圍擴(kuò)展到100瓦以上。
但濾波器的復(fù)雜性可能是數(shù)字放大器設(shè)計(jì)唯一致命的弱點(diǎn)。通過(guò)轉(zhuǎn)移在零交叉點(diǎn)負(fù)向脈沖的時(shí)序，TI相信，它能消除許多與D類技術(shù)相關(guān)的可聽(tīng)諧波，從而顯著減少所需的濾波器。不論是好是壞，D類放大器變成了“免濾波器”產(chǎn)品，例如TI的TPA2000D1或Maxim剛推出的MAX9700B都是旨在用作蜂窩電話或PDA耳機(jī)放大器的低功耗產(chǎn)品。即使如此，這類器件仍無(wú)法完全省去電容。
借助DSP的幫助
TI的獨(dú)到之處是在數(shù)字放大器處理鏈中插入一個(gè)DSP。在TI的最初構(gòu)想中，DSP的作用是把來(lái)自DVD或壓縮光盤(pán)的脈沖代碼調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字放大器所使用的PWM信號(hào)。這可以有效地旁路一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換級(jí)。但它很快明白：DSP的使用可以有效地整形在放大器之前的脈沖流，從而使后端的濾波變得更容易。
實(shí)際上，其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Apogee Technology公司就采用這種脈沖整形技術(shù)來(lái)產(chǎn)生“阻尼三態(tài)”的脈寬調(diào)制定時(shí)信號(hào)。該算法被用于控制在全橋配置中功率晶體管的開(kāi)關(guān)。在信號(hào)通過(guò)音頻揚(yáng)聲器之前，一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)源低通濾波器可以用來(lái)去除PWM脈沖列中的高頻成分。
Tripath也在其音頻放大器模塊的前端使用一種形式的DSP，即∑-△ A/D轉(zhuǎn)換器。該∑-△轉(zhuǎn)換器重構(gòu)了一個(gè)44.1kHz音頻脈沖流，就好像它是以12.5MHz(44.1的256倍)的頻率采樣的。這種過(guò)采樣有效地把音頻幅度平滑處理成一個(gè)1位+符號(hào)的數(shù)字流，從而更便于數(shù)字放大器進(jìn)行處理。過(guò)采樣還提升了量化噪音與諧波在頻譜中的位置，從而使電容濾波器能夠更容易地將它們消除。
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