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徹底引領數字革命 數字功放原理與發展

徹底引領數字革命 數字功放原理與發展

1數字功放原理與發展趨勢

在近幾年中我們越來越多地聽見一些新的名詞出現,在發燒圈中也同樣如此,很多新的聆聽方式開始興起。雖然不能確定這些新的聆聽方式是否能夠超越傳統聆聽的體驗,但更加先進是肯定的,這些新的東西為人們的聆聽帶來了更大的便利化,大有將會取代傳統聆聽方式的趨勢。

好像隨著電腦應用成為了主流什么東西都開始數字化了,數字音樂取代傳統物理存儲介質給我們帶來了全新的聆聽方式,但數字革命卻并未停止。“數字功放”這個詞就在近幾年中相當流行,其實這種東西隨著多媒體音箱的出現就已經有了,只是那時候只是作為有源音箱內部的集成電路,并且筆記本和聲卡都是采用數字功放電路,但之前并沒有單獨存在過。

D類功放
徹底引領數字革命! 數字功放原理與發展

而后來數字功放由于利用效率高,散熱結構小巧簡單,電路也更加小巧不僅僅應用于這些桌面聆聽的產品上,也逐漸開始出現在音響領域。但雖然數字功放已經出現了十幾年,但聆聽傳統功放的發燒友們對于這種功放的接受程度仍然不高,首先對于這種東西的了解程度并不算多,另外也不是很相信它能夠達到好的效果。

那么本文,我們就為大家來專門介紹一下數字功放,這或許能夠提起很多音樂發燒友們的興趣。


2數字功放與傳統模擬功放

數字功放也稱D類功放,與模擬功放的主要差別在于功放管的工作狀態。

功放
純甲類功放

傳統模擬放大器有甲類、乙類和甲乙類、丙類等,一般的小信號放大都是甲類功放,即A類;這類功放放大器件需要偏置、放大輸出的幅度不能超出偏置范圍,所以能量轉換效率根低,理論效率最高才25%。

功放
B類功放

乙類放大也稱B類放大,它不需要偏置,靠信號本身來導通放大管,理想效率高選78.5%。但因為這樣的放大在小信號時失真嚴重,實際電路都要略加一點偏置,形成甲乙類功放,這么一來效率也就隨之下降。雖然高頻發射電路中還有一種丙類,即C類放大,效率可以更高,但電路復雜、音質更差,音頻放大中一般都不采用。

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甲乙合并功放

這幾種模擬放大電路的共同特點是晶體管都工作在線性放大區域中,它按照輸人音頻信號的大小控制輸出的大小,就像串在電源與輸出間的一只可變電阻,控制輸出,但同時自身也在消耗電能。

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多媒體音箱采用的就是D類數字功放電路

數字功放的功放管工作在開關狀態,理論狀態晶體管導通時內阻為零,兩端沒有電壓,當然沒有功率消耗;而截止時,內阻無窮大,電流又為零,也不稍耗功率。所以作為控制元件的晶體管本身不消耗功率,電積的利用率就特別高。

3D類功放的工作原理

D類功放處理的是經脈寬調制(PWM)的音頻數字信號,聲音信息埋藏在脈沖的占空比或脈沖密度中。如下圖所示。

D類功放 EL34電子管
D類功放工作原理框架圖

而下面這張圖是音頻信號的一種PWM調制方法,最為直觀;較多采用的是以脈沖密度來表示信號大小的,脈沖密度大的地方,表示電壓高;稀的地方電壓就低。雙向信號可用其他方式調制,如占空比50%,即脈沖寬度與間隔寬度1:1,標識信號幅值為零;占空比大于50%,幅度為正,這是數值越大,正幅度越高;占空比小于50%,幅度為負,越小越負。因為這種信號并不需要與外接設備直接相連,也就不需要格式完全統一,各廠可按自行研發的最佳方案調制。

D類功放 EL34電子管
音頻信號的一種PWM調制方法

音頻PWM編碼可以從兩種途徑獲得,一是對模擬音頻信號進行模數變換直接生成PWM數字音頻;二是對其它編碼的數字音頻,如CD的PCM編碼,通過數字信號處理技術變換成PWM碼。獲得后用此信號去控制開關型晶體管:現在一般都用小信號就能控制大電流的開關型功率MOSFET,由功率管輸出一個大能量的PWM信號。輸出電壓的大小由電源電壓高低決定,輸出的電流由負載揚聲器的阻抗和電路形式決定。

功率管工作在開關狀態,只要開關特性好,線性要求幾乎沒有,制造成本比音響對管低,工業控制上這類MOSFET已用得很普遍,取材方便。由于開關管導通時的飽和壓降和截止時的漏電流也會損失一些電能,但總效率仍有百分之九十幾,為各類放大電路效率之冠。

D類功放 EL34電子管
濾波原理

開關晶體管輸出的是脈寬調制波形,要成為可聽的模擬音頻信號,還需經過一路帶寬為20000Hz的低通濾波器,濾去脈沖波形中的高頻成分,見上圖。一般說來功放的輸出電壓對選取電容的耐壓不成問題,只是電感最大允許電流要設計正確。

4數字功放的優勢和應用

數字功放由于效率高,管子的耗損小,功放的散熱結構可以做得非常小巧簡單,整個電路可以做得很小。所以,首先在筆記本電腦、有源音箱和聲卡上采用。帶有數字功放的聲卡可直接接普通音箱,這樣使用就方便得多。但這些我們已經比較常見,只是作為普通的消費者可能并不知道它們內部集成的就是數字功放電路。

D類功放
TACT Audio Millennium Mk3就是一臺出色的數字功放

D類功放
小型的數字解碼耳放采用的也是數字電路

隨著技術的發展,數字功放也已進入音響領域,TACT公司2000年推出的一款數字功放TACT Audio“黃金時代”令發燒音響界改變了對數字功放的成見,國內成都天奧公司更早就推出了用于家庭影院的數字多聲道功放,深圳的三諾公司也在研發數字功放的有源音箱。國外多家芯片公司已推出帶各種功能的數字功IC器件,為整機生產廣更新產品提供了便利條件。一場功放革命正在悄然興起。

D類功放
無源桌面書架搭配獨立數字功放

D類功放
桌面音箱大都采用D類功放

可以看出數字功放的另一大優點是可以直接放大數字音頻信號。CD和DVD碟片上輸出的音頻信號是數字化的,現在的播放機解碼后要經過數模變換,變成模擬音頻后再送出,而采用數字功放后,就可把解碼后的PCM數字音頻信號直接進人數字信號處理電路處理成PWM碼進行放大。省去了播放機中的數模變換和數字功效中的模數變換兩個較貴重部分,不但音質受損少,成本也可降低。

5數字功放的未來

利用數字功放技術生產整機時,音量調節方案會成為機種檔次的分界線。簡單方案就像傳統模擬功放那樣由電位器衰減模擬信號的輸人幅度,實現音量衰減。這種方式數字信號的量化比特率得不到充分利用,小音量時信噪比下降、動態范圍變小,且也不能用于數字音頻直接輸入的系統。

D類功放 EL34電子管
電腦聲卡采用的都是數字功放

較好的方案是采用調節電源電壓的方式來衰減音量,以改變加到低通濾波器上的脈沖電壓幅度來改變輸出功率。這樣量化比特率仍可充分利用,由于電壓下降,量化噪聲也隨之下降,所以音量減小了,但信噪比和動態范圍仍能保持不變。

D類功放 EL34電子管
外置聲卡使用的也是數字功放電路

由于功放電源的功率較大,改變電源電壓不能用電阻衰減或分壓方式來實現,必須從電源整流穩壓部分就開始。TACT公司采用的方案是在數字穩壓電源的DC-DC逆變過程中,改變占空比來改變最終輸出電壓。這類方案目前還只能在分立元件做功率輸出部分的整機中采用,集成化數字功設lC仍用衰減模擬輸人為主來調節音量。

D類功放 EL34電子管
這種小型的數字功放就能夠帶動書架音箱

寫在最后:

從現狀來看,數字功放已能商品運用在功率一般的普通用途放大器上,性價比和小型、節電等方面都有長處。幾瓦的小功率型集成功放芯片、控制電路和功率開關器件已一體化,使用非常方便。幾十瓦以上的大功率用數字功放芯片,一般只集成控制電路部分,大功率開關器件需另外集成或自行配置,以便整機設計靈話。在HiFi領域中,數字功效還只能算是在探索,離商品化還有一段過程。但數字功放是功率放大的后起之秀這點是不容置疑的。


從現狀來看,數字功放已能商品運用在功率一般的普通用途放大器上,性價比和小型、節電等方面都有長處。幾瓦的小功率型集成功放芯片、控制電路和功率開關器件已一體化,使用非常方便。

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