數字音訊功率放大器——傳承模擬，創新科技
1、 引言
21世紀是數位化的年代，數字音響是追求「原汁原味」音響效果的最有效手段。擴聲音響系統的數位化發展極為迅速，聲源（cd、***、md、***和dat……等）都已實現了數位化，並且繼續向更新、更高的技術邁進。數字調音台已不再是專業錄音的專用品，以panasonic/ramsa奧運現場應用為代表的調音台已開始進入國際現場擴聲工程。
音訊訊號處理裝置的數位化程序發展得很快，各種可程式設計得數字音訊處理器已大量進入市場，任你選用。擴聲工程系統已進入數字網路傳輸年代。
但是，音訊功率放大器至今仍以模擬功放為主，這種模擬功放技術已經發展到了極限，很難再有突破性進展，已無法滿足現已進入數字音訊網路擴聲系統時代的要求了。數字音訊功率放大器（dpa/digital power amplifier）以其特有的許多優越特性取代模擬功放是發展的必然趨勢。
模擬類功放是以線性放大為基礎，功率放大器件有電子管和電晶體兩類。按功放靜態工作點的設定可分為a類放大，a/b類放大和c類放大三種。a類放大的失真最小，音質好，但電源的轉換效率最低，器件的發熱量大，生產成本高，一般用於輸出功率較小的hi-fi發燒級功放。
c類放大的失真比a類大些，尤其是在小訊號放大時（1/100輸出功率）音質失真較明顯，但轉換效率高，器件發熱量少，效能/**比高，一般用於輸出功率大的專業功放。a/b類功放的特點介於a類和c類之間，多用於家庭影院的**功放。
電子管功放已有數十年歷史，一直沿用至今，是功放的元老代。由於它的轉換速率高（影響高音品質的引數）、工作可靠、偶次諧波失真小（聽覺對偶次諧波失真特別敏感）、音質好等因素，一直被人們寵愛，但它的最大缺點是電源利用率極低，電子管a類放大的效率不到10％，c類約為15～17％，大部分電能變為熱量耗散掉。由於耗電大、發熱高、體積和重量大、耗材多、成本高等缺點，在專業音響系統中已被電晶體功放所替代。
電晶體功放是近30多年發展起來的新秀，是音訊功率放大器的第二代產品。它的最大優點是電源轉換功率高（c類功放最大可達55％）、體積小、重量輕、發熱量不大、生產成本低。缺點是轉換速率低、偶次諧波失真較大、音質和可靠性指標都略遜於電子管功放。
隨著電晶體製造技術的不斷提高和新技術的應用，各項實用性指標和可靠性指標都已得到了很好解決。並不斷在向更大的輸出功率、更小的體積、更輕的重量、更多的功能和智慧型化方向發展，如美國crown公司的ma-5000vza功放，他的最大輸出功率可達4000w/8ω（橋接，單通道）；完善的可靠性設計使它在苛刻的環境中可連續工作及三年免維護保證；插入可程式設計的輸入處理模組usp3，可對1－2000臺功放的工作狀態進行遙控調節和檢測各種引數。各種完善的可靠性保護措施，使它的可靠性大大提高，可與電子管功放媲美。
電晶體功放具有許多寶貴優點，它的失真指標可做到萬分之一以上，但其音質聽感總不如
電子 1
管功放那麼逼真、細膩，尤其是在表現瞬態變化快而清脆的打擊樂和渾厚迴盪的鋼琴曲方面感覺最明顯。上個世紀80年代初，歐洲有些專業公司開始研究電晶體功放與電子管功放之間的效能差異和解決辦法。電子管是一種電壓控制器件，需要的控制功率極微，開關速率很快。
電晶體是一種電流控制器件，需有較大的控制電流，轉換速率較慢。這是最基本的差別。80年代中期歐洲首先推出了採用mos fet音訊場效電晶體功放。
mos fet場效應電晶體既具有電晶體的基本優點，又有電子管的電壓控制及轉換速率較快的優點。但使用不久發現這種功放的可靠性不高（無法外電路保護），開關速度提高的不多和最大輸出功率僅為150w/8ω等等。90年代初，mos fet的製造技術有了很大突破，出現了一種高速mos fet大功率開關場效應電晶體。
西班牙藝格公司（ecler）經多年研究，攻克了非破壞性保護系統的spm專利技術，推出了集電子管功放和電晶體功放兩者優點結合的第三代功放產品，在歐洲市場上獲得了認可，並逐步在世界上得到了應用。第三代mos fet功放的中頻和高頻音質接近電子管功放，但低頻的柔和度比電晶體功放差一些，此外mos fet開關場效電晶體容易被輸出和輸入過載損壞。
早在上個世紀60年代就有人提出了數字功放的概念，由於當時技術條件的限制，進展一直較慢。2023年，等學者提出了d類放大的pcm（脈衝編碼調製）數字功放的基本結構。主要技術要點是如何把pcm訊號變成pwm（脈衝調寬訊號）。
美國tripass公司設計了改進的d類數字功放，取名為「t」類功放。2023年義大利powersoft公司推出了數字功放的商業產品，從此，***音訊功率放大器－數字功放進入了工程應用，並獲得了世界同行的認可，市場日益擴大，最終必將替代各類模擬功放。
2、 數字音訊功率放大器的工作原理
（1） d類數字音訊功率放大器
d類數字音訊功率放大器與上述各類模擬功放的最大區別是不以線性放大音訊訊號為基礎，而是以放大數碼訊號為原理的一種數碼訊號放大技術。
d類數字功放首先把模擬音訊訊號變換為圖1所示的脈衝寬度調製（pwm）訊號。在pwm專換中，以44.1kh2或48 kh2的取樣頻率和8bit或16bit的量化率（即模擬訊號振幅值的讀出刻度）進行a/d（模擬/數字）變換。
然後再把
pwm數碼訊號進行高效率放大（d類放
大）。由於音訊訊號的資訊全部包含在脈衝
的寬度變化中，與脈衝的幅度變化無關，
因此，只要採用截止頻率為30 khz～40
kh2的低通慮波器就可把模擬音訊訊號解
調出來。圖2是d類數字功放的原理圖。
為適應cd光碟等數字聲源直接輸出的脈
衝編碼調製（pcm）數碼訊號輸入，數字
功放內設有乙個pcm轉換為pwm的調製
圖1 脈衝調寬波形（pwm）轉換裝置。
號圖2 d類數字功放原理圖
d類數字功放的電源利用率可達80％以上；它的延時（相移）約為模擬功放的1/6。但是解調出來的音訊訊號過零失真（即交越失真）較大。美國tripass推出的改進過零失真的d類數字功放（取名為「t」類數字功放），採取了對輸入模擬訊號用自適應演算法的脈衝調寬技術，使輸出的失真大大減少。
（2） 1bit數字功率放大器
在pwm數字編碼中，度量模擬訊號的變化範圍由量化bit數決定。每1bit的量化值相當於6db
的訊號變化範圍。例如：採用16bit量化的a/d變換，可獲得16×6＝96db的訊號動態變化值。
實際可獲得的頻率範圍約為1/2取樣頻率，因此44.1 kh2的取樣頻率可獲得的頻率響應特徵範圍為20 hz~20 khz。
1bit數字功放是2023年日本sharp公司另闢新路提出的數字功放方案。1bit數字功放採用
2.8244mh2高取樣率和1bit量化的數字編碼方案。1bit量化對模擬訊號振幅變化的度量是根據訊號變化前後兩個取樣值來判決的。
如果模擬訊號的幅值比前面取樣的幅值增大，則輸出數碼訊號為「1」（輸出乙個脈衝），反之，如果後面取樣訊號的幅值小於前面取樣訊號的幅值小，則輸出的數碼訊號為「0」（沒有脈衝輸出）。這樣形成的數碼訊號流是由「0」和「1」組成的等寬度脈衝序列（即pcm脈衝編碼）。由此可見，1bit訊號所測量的是模擬訊號振幅變化的相對差值，稱為△－σ增量調製編碼法，如圖3所示。
訊號圖3 1bit 數字功率放大器原理
1bit數字功放與d類和t類數字功放相比具有很多優點，完全克服了過零失真問題，電源轉換效率可達到90％以上，頻率響應特性可達到2hz～50khz，訊號動態範圍可達到95db以上，其它的優點包括音訊範圍內的雜訊極微和頻率範圍內的相移極小等等。它的最大缺點是系統複雜，成本太高，尚未達到應用階段。而近年來d類和t類數字功放的**已逐步降到使用者可接受的商業**了。
3、 數字功率放大器的應用
數字功放有許多優秀效能，主要表現在：
1) 轉換速率高，瞬態響應特性好，中音和高音清晰、明亮、層次感好。
2) 訊號動態範圍大，可達到95db以上。
3) 全頻段內的相移極小，不會產生聲音染色。
4) 不需任何附加裝置可方便地實現遙控、群控和監測等功能。
5) 電源轉換效率可高達80～95％以上，機內溫公升極低，散熱簡單。
6) 可連線的最低負載阻抗達1歐姆，並且無論負載阻抗高低而電源轉換效率保持不變。
7) 可適應各種網路音響傳輸系統。
8) 可靠性極高。
9) 體積小，重量輕。12000w÷9.5kg＝1263.15w/1kg
數字功放的缺點目前還沒有什麼集中的反映，有少數使用者反映對於少數具有特別豐富超低音訊號的樂器（如管風琴、低音大提琴等）聲音表達的不夠豐滿柔和，其原因是瞬間大電流**不足，解決辦法是在驅動超低音箱時採用3：1以上的功率配比，實行「大馬拉小車」的方法。一般全頻揚聲器箱可按普通的功率配比驅動。
表1是數字功放與模擬功放的主要技術特性對比。
目前小功率數字功放已廣泛用於***內建功放、組合音響、汽車音響、家庭影院等，在專業音響工程方面，2001義大利powersoft公司推出的digam系列大功率專業數字功放已被世界廣泛採用，且很快進入中國市場，在一些專業音響工程中獲得了應用，並得到了一致的好評。
powersoft 數字功放有q系列和d系列和digam三個系列產品，主要效能如下：
l 頻率響應（1w,8ω）：5h2～30kh2
l 阻尼係數（10h2～400h2）>600
l 轉換速率（8ω負載）：40v/us
l 訊號/雜訊（20h2～20kh2）：≥105db（a）
l 總諧波失真（0.1w～滿負荷）：< 0.1％
l 互調失真（0.1w～滿負荷）：< 0.02％
l 自適應電源電壓範圍：95v～265v，50h2/60h2
l 工作溫度：0℃～45℃
l 重量：d系列9.5kg，q系列8.5kg
l 體積（寬×高×深）：485×55×455mm
l 功率輸出特性：見表2表3
表1 數字功放與模擬功放主要技術特性對比
特性名稱模擬類功放數字功放
訊號瞬態響應特性
（涉及中、高頻音質和轉換速率（slew）＝轉換速率（slew）＝
清晰度） 10v/us~18v/rs 40v/us~70v/us
阻尼係數d（涉及低音
音訊功率放大器設計詳解
一 設計任務 設計乙個實用的音訊功率放大器。在輸入正弦波幅度 5mv，負載電阻等於8 的 條件下，音訊功率放大器滿足如下要求 1 最大輸出不失真功率pom 8w。2 功率放大器的頻頻寬度bw 50hz 15khz。3 在最大輸出功率下非線性失真係數 3 4 輸入阻抗ri 100k 5 具有音調控制功...
音訊功率放大器的設計報告
高效率音訊功率放大器的設計預習報告 一 實驗目的 1 了解高效率功率放大器電路的基本構成 2 了解d類功率放大器電路低功耗 低失真 高效率的特點3 熟悉d類功率放大器的設計過程 4 了解d類功率放大器電路設計的難點 5 熟悉功率放大管等器件 6 掌握小規模電子電路模組除錯 聯調方法 二 題目背景 d...
實踐報告寬頻功率放大器
實踐報告 課程名稱 電子電路設計與實踐 一 題目 寬頻功率放大器 院系班級 學生姓名 學號完成日期 2009 年 10 月 15 日 一 電路可實現的功能 該電路由二級直接耦合放大電路和兩個射級跟隨電路組成，可以將20hz 2000khz的輸入訊號放大100倍，並且無明顯失真，輸入阻抗大於500k，...