基于网络音频系统的数字功放的设计

陈昕

（安徽电子信息职业技术学院，安徽 蚌埠，233060）

1 引言

CobraNet技术和数字功率放大器技术的发展和集成是网络音频系统的发展趋势。很多专业音响设备制造商已认可了这一应用方向。在众多系统中，CobraNet技术和数字功放技术以其良好的互操作性、低成本、可靠和稳定的测试迅速发展。功率放大器是音频系统必不可少的组成部分，A类、B类和AB类模拟功率放大器仍占有重要地位。此类功率放大器在线性状态下工作，通常不使用电感装置，线性电路中的输出和输入之间是严格的比例关系。因此，线性电路通常可以实现良好的保真性，即最小失真。然而，由于放大器始终在线性范围内工作，将持续产生较大的功耗，并导致电路效率显著降低。

数字功放也叫开关类功放和D类功放，其工作原理类似于稳压电源，功率转换是通过控制晶体管的开关状态来完成的。如果晶体管处于导通模式，则电流最大，但其管电压非常低；在截止模式下，尽管存在最大电压，但电流为零。因为开关器件有很小的饱和电压，这时功耗只与晶体管的特性有关，与信号输出的大小无关[1]。因此，器件上的功耗非常低，适合高功率放大器的输出。

2 数字功放技术

与模拟信号不同，数字信号是振幅和时间都不连续的离散信号，它是一系列独立的脉冲信号，将具有连续振幅和时间的模拟信号转换为不连续的脉冲信号，这种转换称为模数转换，简称为ADC或者A/D。振幅和时间连续变化的音频信号转换为数字信号，即音频信号数字化，缩写为PCM（Pulse-Code Modulation）或称脉冲编码调制。数字信号传输、计算和存储都很方便，抗干扰能力强，优势明显。

2.1 各类功率放大器特性

2.1.1 A类功放

又称甲类功放，电路中两个半导体晶体管始终处于导通状态，无论是否有信号输入，都会有大电流流过。所以，A类功率放大器的导通角为360°，是效率最低的放大器。同时，A类功率放大器具有大体积、大重量和高工作温度等特点，但其优点是失真非常小，音质完美。

2.1.2 AB类功放

由于B类功放会导致严重的交越失真，因此很少用于音频放大。AB类功率放大器是一种改进的B级放大器，在效率和性能之间进行了折衷。当输入信号较小时，它采用A类工作模式，以提高电路的线性度；当输入信号上升到一定水平时，它会自动切换到B类模式，以便放大器能够实现高效率。AB类功率放大器的导通角大于180°，它的设计克服了A类功放效率低和AB类功放存在交越失真的缺点，是目前最常用的模拟功率放大器。

2.1.3 D类功放

D类功放中使用以开关模式工作的半导体装置，这种半导体器件要么完全导通，要么完全截止，如果它导通并流过大电流，则半导体器件上的压降为零。如果完全截止，则半导体器件上的电流为零，理论上可实现零损耗。

在实际应用中，由于半导体元件的导通阻抗和漏电流，其功率损耗是不可避免的，但这种损耗非常小[2]。开关功放的主要损耗是开关损耗，即两种状态之间的转换而导致的功耗。显然，这种功耗比线性功率放大器造成的损耗小得多。

3 数字功放的电路组成及工作原理

3.1 CobraNet接口数字功放系统

在CobraNet接口数字功放系统中，CobraNet交换机向CobraNet接口数字功放发送实时音频信号和控制信号。数字功率放大器根据控制信号命令处理音频信号，然后由数字功率放大器放大并送至扬声器。同时，还可以实时地将数字功率放大器的工作状态传输到控制中心。

图1 CobraNet接口数字功放系统框图

图2 数字功放组成框图

3.2 数字功放基本组成

输入级将模拟音频信号经隔离放大器放大，再与反馈的音频信号一起送误差放大器，接下来将此信号与三角波发生器产生的三角波送至脉冲宽度调制电路，调制输出PWM信号。PWM信号经放大级电路放大，最后由输出级的低通滤波器还原为放大的模拟音频信号。

3.2.1 脉宽调制电路

脉冲宽度调制PWM电路包括三角波发生器和比较器。经过放大器处理的音频信号和三角波合成为数字信号——脉宽调制信号，来驱动后级开关功率放大电路。这个过程是一个A/D转换过程。PWM信号包含音频信号的信息，实际为数字信号，其占空比随信号强度的变化而变化。

图3 PWM输入输出信号关系

按照PWM调制的方法不同，可分为NPWM调制和UPWM调制两类。本设计选用NPWM调制，其原理是从模拟音频信号中减去由功率放大器输出端反馈回来的模拟输入音频信号，信号经误差放大器处理后，发送至NPWM调制器，通过NPWM调制器输出的PWM信号由开关功率放大器放大，最后由低通滤波器恢复为模拟音频信号。

数字功率放大器的NPWM调制直接对模拟信号进行调制，所以又称为自然脉宽调制（NPWM）。NPWM中没有量化过程，理论上没有量化误差，可以保证音频恢复的高指标；NPWM具有较短的处理延迟，输入和输出均为模拟信号，因此可以使用线性控制来补偿从输入到输出的每个过程中产生的非线性和噪声，以确保音频信号的高精度[3]。

3.2.2 放大级开关功率放大电路

开关功率放大器由前置驱动器和开关放大器电路组成，开关放大器性能对数字功率放大器的效率和性起着决定性作用。开关放大器电路中的MOSFET工作在开关模式，如果功率管处于低阻抗，电流流过功率管，产生的损耗非常小；如果功率管处于高阻抗状态，则施加在功率管上的电压为电源电压，但此时流过功率管的电流为零，损耗同样非常小。

图4 开关功率放大电路

3.2.3 输出滤波电路

PWM信号中携带有音频信号，用低通滤波器作为解调滤波器可以从PWM开关信号中恢复出音频信号。巴特沃兹二阶低通滤波器是一种带内平坦．过渡带衰减快，能较好地实现音频还原的滤波器。截止频率、带内波动、带外衰减是设计低通滤波器时考虑的主要指标；MOSFET的开关频率决定输出滤波器的阶数，频率越高，阶数越低，为了简化低通滤波器的结构，开关频率应尽可能高；然而，开关频率的增加会引起明显电磁干扰，因此有必要在两者之间进行平衡。每十倍频程的二阶低通滤波器的带外阻尼为40dB。通过使用更多元件实现高阶滤波器，可以进一步增加带外阻尼。

低通滤波器的传递函数为：

图5 低通滤波器

4 结论

按照D类功放设计的数字功放可以在基于CobraNet技术的网络音频系统中实现音频信号的高质量传输，实现了音频信号的低失真放大。主要技术指标达到了设计需求。

该CobraNet接口数字功放，可以用于推动由数个音箱组成的线阵，由于其体积小、重量轻、性能可靠，因此能够适用于多种场合。CobraNet接口数字功放产品涉及计算机网络、数字信号处理、单片机、数字电路、模拟电路、自动控制原理和功率转换等多个领域的多项技术，是先进技术的集中体现。