对数字功率放大器的讨论

CD机数字接口出来的数据格式是如何的，笔者暂时还没有在有关文献中查到。如果在知道CD机数字接口的数据格式，对于“PCM到并行二进制代码转换模块”的设计就不成问题了。由于暂时还不知道这一格式，所以这一模块设计暂时省略，以后有待进一步完善。 

4.2  后级电路的设计 

　在本系统中采用的CPLD芯片是Altera公司的EPM7128SLC84-15，它的工作电压为5V，所以它输出的双路反宽度PWM的高电平也是5V。笔者在实验过程中发现，EPM7128SLC84-15在工作时的静态电流高达几十个毫安，能耗较大不利于功率放大器的效率的提高。由于这一损耗基本上是固定损耗，固采用CPLD芯片为核心的数字功放不适宜在小功率的场合使用，所以我们尽量提高本功率放大器的输出功率，以提高效率。 

后级开关控制与无源滤波电路Q1和Q2、Q3和Q4为两对开关对管，其中N管为IRF540，P管为IRF9540它们的最大工作电压可上到百伏以上。L1、L2、C组成无源低通滤波器，经低通滤波后，音频信号从扬声器输出。在要求不太严格的场合，该低通滤波器可以省略，因为扬声器本身是一个感性负载，也具有低通滤波的能力，这时我们把利用负载本身进行滤波的滤波器称为负载滤波器。由于开关对管的开关电容较大所以加大电容退耦。 

应当注意，在负载和输入信号不变的情况下，电源电压越大则输出功率越大,其输出功率近似值求为： 

POUT=(VCC×加在滤波器两端的PWM占空比)2 /RL 

所以增大输出功率的最好的办法是增大VCC。 

开关对管中的P管和N管是增强型金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET管）。从转移特性曲线图可以看出，要使两个管子都导通在开关状态并且只有一个处于导通需要满足一定的条件，也就是PWM信号的高电平应当接近VCC，因为如果PWM的高电平低过VCC一定值时，则PWM处于高电压时N管开关导通了，但是对于P管来主｜VGS｜的值仍然较大，这时P管也会处于导通状态，这样就达不到设计要求。所以要求起开关控制作用PWM信号其高电平应当为VCC或接近VCC。前面说了为了获得较大功率输出，VCC应当先取较大的值，而从CPLD出来的双路反宽度PWM幅值仅为5V，所以要进行电平转换。PWM(幅值为5V)是来自CPLD的输出端，其幅值为5V，经过一个集电极开路的缓冲器74HC07和1K的电阻，将PWM信号幅值变为VCC，再经过两级缓冲从而获得幅值为VCC并具有一定开关驱动能力的PWM信号。PWM(幅值为VCC)直接驱动后级，它与图-18的输入端相接。(电平转换电路有两路，由于两路相同所以在这里只给出一路的电路)。 

另外CPLD的系统时钟为66.66MHz，双路PWM信号频率约为260KHz，A/D采样率为20.833Hz。电路工作所需的电源由外部提供，其中有74HC07、TLC549和EPM7128SLC84-15所需的5V电源以及运算放大器、后级驱动所需的12V电源。 

负载(扬声器)内阻为8欧姆，模拟输入为CD机出来的音频信号时。 听音效果表明，在未加输出滤波器时，也能回复CD的音频信号，但噪声比线性功放大。　 

本文对全数字音频功率放大器的设计与实现进行了研究与探讨。本文在全数字音频功率放大器的设计中采用了CPLD实现将PCM数字语音数据转换成PWM信号，并在D类放大器的实现上采用了改进的PWM方案，实现的D类放大器具有效率高、滤波器设计简化等特点。 

系统的测试与优化有待进一步的进行，包括提高D类功率放大器的效率以及减小失真，有关数字音源的数字接口格式也要进一步研究，以实现实用的真正意义的全数字音频功率放大器。 

 下图、由输入电压放大、脉宽调制、负反馈、功放和ＬＣ低通滤波器电路组成。ＨＩＰ４０８０Ａ芯片为小型２０脚双列直插式ＩＣ芯片，其输入有两个端子，即ＩＮ＋⑥脚和ＩＮ－⑦脚，分别输入音频信号和基准三角波，内部脉宽调制后，分两路去驱动４只大功率场效应三极管Ｔｒ１～Ｔｒ４，经功率放大后的音频脉冲送至巴特奥兹型ＬＣ低通滤波器，实现Ｄ／Ａ转换，以推动扬声器。
    音频信号由ＲＣＡ插座输入，经１μＦ电容隔直后，送至ＣＡ５４７０芯片中一组进行电压放大，然后再送至另一组②脚，与负反馈信号综合后，由①脚输出送至ＨＩＰ４０８０Ａ的ＩＮ－端。ＩＮ＋端输入的是由三级门电路ＣＤ４０６９组成的标准基准三角波，１０ｋΩ电位器起三角波幅值的微调作用。ＨＩＰ４０８０Ａ将这两个输入信号进行脉宽调制成脉冲波，即让脉冲波的宽度受音频信号波幅度调制，称为ＰＷＭ信号。调制原理为：当三角波幅大于音频波幅部分时，变换电路输出为“０”；而三角波幅小于音频波幅时，变换电路输出为“１”，这样就将输入的音频信号变为宽度随音频信号波幅变化的ＰＷＭ波。经脉宽调制后的音频脉冲由两路驱动器输出，Ａ路包括ＡＬＳ、ＡＬＯ、ＡＨＳ、ＡＨＯ，Ｂ路包括ＢＬＳ、ＢＬＯ、ＢＨＳ、ＢＨＯ。去推动４只功率管Ｔｒ１～Ｔｒ４，４只管互相独立交替工作，即Ｔｒ１、Ｔｒ４导通时，Ｔｒ２、Ｔｒ３截止，反之亦然。为防止管子短路贯通，在ＨＩＰ４０８０Ａ⑧和⑨脚装有管子导通延迟调节电阻２００ｋΩ，相应延时为９０～１００ｎｓ。放大后的脉冲音频电流，经４级巴特奥兹低通滤波器，滤去高频，完成Ｄ／Ａ转换后，送到扬声器发声。 为降低失真和防止过电流，还加有相应的负反馈和保护电路。负反馈在电路结构上稍有特殊，反馈信号取自滤波器之前。其原因是由于低通滤波器的滤波作用会形成较大的相位延迟，在某些频率上容易造成相位改变使放大器工作不稳定，甚至造成自激。反馈信号经ＣＡ５４７０中一组比较放大后，由其⑧脚输出。过电流保护电路由两路二极管ＵＦ４０６２和电容组成。
    目前的Ｈｉ－Ｆｉ音响和家庭影院系统中，输出声道多至２～６个，每声道功率达２０～８０Ｗ，按以前甲类、乙类和甲乙类功放效率３０％计算，电源直流功率需达３００多瓦，而采用Ｄ类放大器效率可提高到８０％以上，直流功率仅１２５瓦。