數字功放與模擬功放
欄目：行業(yè)新聞
發(fā)布時(shí)間：2019-04-25
一、D類(lèi)輸出功率和消耗功率與AB類(lèi)功率放大器消耗比例
采用低頻音頻信號調制一個(gè)固定高頻頻率的脈寬的一種放大器被人們稱(chēng)為D類(lèi)放大器又有人稱(chēng)為數字音頻放大器，他最大的特點(diǎn)是效率特別高(理論上可以達到100%，實(shí)際在85%以上)，采用非常小的電子器件就可以制造出很大功率的音頻放大器。
小功率，即1W-3W的功率放大器而言，在相同播放內容的狀況下，AB類(lèi)功率放大器與D類(lèi)功率放大器的功率效率各約為AB=15%及D=75%。在播放1W音樂(lè )的狀況下，AB類(lèi)功率放大器需要消耗6.7W的功率，但D類(lèi)功率放大器在同樣的播放條件下只消耗1.33W。因此，使用D類(lèi)功率放大器可延長(cháng)電池的使用時(shí)間達5倍(6.7W/1.33W)。低功率的使用除了手機，DVD、MP3及PMP之外還有一些流行產(chǎn)品如iPod、手機、及數字相框。那么中功率的情況下，即10W-30W的功率放大器而言在相同播放內容以語(yǔ)音為主的狀況下，AB類(lèi)功率放大器與D類(lèi)功率放大器的功率效率分別為AB=25%及D=80%。
在播放10W語(yǔ)音的狀況下，AB類(lèi)功率放大器需要損耗40W的功率，但D類(lèi)功率放大器在同樣的條件下播放只損耗12.5Watts。因此使用D類(lèi)功率放大器可降低電源的成本將近3倍(40W/12.5W)，而且D類(lèi)功率放大器所產(chǎn)生的2.5W的熱可由一般功率封裝及PCB設計即可處理不必額外的散熱器。在大功率輸出的情況下，即100W-200W的D類(lèi)數字功率放大器在汽車(chē)音響亦將占有一席之地，在此高功率之下D類(lèi)功率放大器仍免不了使用散熱片，但散熱面積與散熱量比AB類(lèi)功率放大器所需的要小，由于高效率的原因，D類(lèi)功率放大器可以在不啟動(dòng)汽車(chē)引擎的狀況下有較長(cháng)的使用時(shí)間而不消耗太多電瓶的電量，D類(lèi)功率放大器成為現在汽車(chē)音響的主要應用產(chǎn)品。
電子制作網(wǎng)的老鐸先生認為，由于D類(lèi)數字音頻放大器技術(shù)十分成熟，準備在一段時(shí)間內設計一些比較有代表的D類(lèi)數字音頻放大器電路和放大器專(zhuān)用的音響電源供大家學(xué)習和制作。
二、D類(lèi)數字音頻功率放大器的電源成本及散熱成本優(yōu)勢
廠(chǎng)家在計算功率時(shí)并不以聲音內容做標準，而延用傳統的正弦波訊號當輸入。如以正弦波訊號而言AB類(lèi)功率放大器與D類(lèi)功率放大器的功率效率各約為45%及80%。如果以15W×2來(lái)計算D類(lèi)功率放大器的總供應功率約為30W/80%=37.5W，AB類(lèi)功率放大器的總供應功率約為30W/45%=66.7W，所以使用D類(lèi)功率放大器可節省將近30W的功率。由于功率放大器的電源由電源器件所提供，因此D類(lèi)功率放大器的電源器件成本將大大降低。同時(shí)電源器件的散熱器及功率放大器散熱器的成本及電路版空間的成本都有很大的降低。
數字功放由于工作方式與傳統模擬功放完全不同，因此克服了模擬功放固有的一些缺點(diǎn)，并且具備了一些獨有的特點(diǎn)。
1.過(guò)載能力與功率儲備
數字功放電路的過(guò)載能力遠遠高于模擬功放。模擬功放電路分為A類(lèi)、B類(lèi)或AB類(lèi)功率放大電路，正常工作時(shí)功放管工作在線(xiàn)性區;當過(guò)載后，功放管工作在飽和區，出現諧波失真，失真程度呈指數級增加，音質(zhì)迅速變壞。而數字功放在功率放大時(shí)一直處于飽和區和截止區，只要功放管不損壞，失真度不會(huì )迅速增加。
全數字功放與普通功放過(guò)載失真度比較
由于數字功放采用開(kāi)關(guān)放大電路，效率極高，可達75%~90%(模擬功放效率僅為30%~50%)，在工作時(shí)基本不發(fā)熱。因此它沒(méi)有模擬功放的靜態(tài)電流消耗，所有能量幾乎都是為音頻輸出而儲備，加之前后無(wú)模擬放大、無(wú)負反饋的牽制，故具有更好的“動(dòng)力”特性，瞬態(tài)響應好，“爆棚感”極強。
2.交越失真和失配失真
模擬B類(lèi)功放在過(guò)零失真，這是由于晶體管在小電流時(shí)的非線(xiàn)性特性而引起的在輸出波形正負交叉處的失真(小信號時(shí)晶體管會(huì )工作在截止區，無(wú)電流通過(guò)，導致輸出嚴重失真)。而數字功放只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，不會(huì )產(chǎn)生交越失真。
模擬功放存在推挽對管特性不一致而造成輸出波形上下不對稱(chēng)的失配失真，因此在設計推挽放大電路時(shí)，對功放管的要求非常嚴格。而數字功放對開(kāi)關(guān)管的配對無(wú)特殊要求，基本上不需要嚴格的挑選即可使用。
3.功放和揚聲器的匹配
由于模擬功放中的功放管內阻較大，所以在匹配不同阻值的揚聲器時(shí)，模擬功放電路的工作狀態(tài)會(huì )受到負載(揚聲器)大小的影響。而數字功放內阻不超過(guò)0.2Ω(開(kāi)關(guān)管的內阻加濾波器內阻)，相對于負載(揚聲器)的阻值(4~8Ω)完全可以忽略不計，因此不存在與揚聲器的匹配問(wèn)題。
4.瞬態(tài)互調失真
模擬功放幾乎全部采用負反饋電路，以保證其電聲指標，在負反饋電路中，為了抑制寄生振蕩，采用相位補償電路，從而會(huì )產(chǎn)生瞬態(tài)互調失真。數字功放在功率轉換上沒(méi)有采用任何模擬放大反饋電路，從而避免了瞬態(tài)互調失真。
5.聲像定位
對模擬功放來(lái)說(shuō)，輸出信號和輸入信號之間一般都存在著(zhù)相位差，而且在輸出功率不同時(shí)，相位失真亦不同。而數字功放采用數字信號放大，使輸出信號與輸入信號相位完全一致，相移為零，因此聲像定位準確。
6.升級換代
數字功放通過(guò)簡(jiǎn)單地更換開(kāi)關(guān)放大模塊即可獲得大功率。大功率開(kāi)關(guān)放大模塊成本較低，在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展前景廣闊。
7.生產(chǎn)調試
模擬功放存在著(zhù)各級工作點(diǎn)的調試問(wèn)題，不利于大批量生產(chǎn)。而數字功放大部分為數字電路，一般不需調試即可正常工作，特別適合于大規模生產(chǎn)。
三、數字功放和“數字化”功放、“數碼”功放的區別
所謂的“數字化”功放只是在前置級上采用數字信號處理的方式，在模擬音頻信號或數字音頻信號輸入后，采用現有的數字音頻處理集成電路，實(shí)現一些比如聲場(chǎng)處理、數字延時(shí)、混響等功能，最后再通過(guò)模擬功率放大模塊進(jìn)行音頻放大。其典型電路框圖如圖2所示。由圖2可知，其各模塊的接口都是采用模擬方式。而數字聲場(chǎng)處理模塊的大致原理框圖如圖3所示。
雖然目前各集成電路廠(chǎng)家都推出了數字聲場(chǎng)處理、數字卡拉OK和數字杜比解碼集成電路。但是由于目前功放大都只能接收模擬音頻信號，所以各集成電路的接口也大多是模擬的，這就需要反復地進(jìn)行模/數、數/模轉換，由此會(huì )引入量化噪聲，使音質(zhì)惡化。
全數字功放除了針對揚聲器的接口以外(這是因為目前揚聲器都只能接受模擬音頻信號)，音頻信號在功放內部都是以數字信號的方式進(jìn)行處理(包括功率放大);對于模擬音頻信號，必須轉化成數字信號后才能進(jìn)行處理。
在已經(jīng)具備數字音頻的時(shí)代推出數字功放，將可能對音響技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響
采用低頻音頻信號調制一個(gè)固定高頻頻率的脈寬的一種放大器被人們稱(chēng)為D類(lèi)放大器又有人稱(chēng)為數字音頻放大器，他最大的特點(diǎn)是效率特別高(理論上可以達到100%，實(shí)際在85%以上)，采用非常小的電子器件就可以制造出很大功率的音頻放大器。
小功率，即1W-3W的功率放大器而言，在相同播放內容的狀況下，AB類(lèi)功率放大器與D類(lèi)功率放大器的功率效率各約為AB=15%及D=75%。在播放1W音樂(lè )的狀況下，AB類(lèi)功率放大器需要消耗6.7W的功率，但D類(lèi)功率放大器在同樣的播放條件下只消耗1.33W。因此，使用D類(lèi)功率放大器可延長(cháng)電池的使用時(shí)間達5倍(6.7W/1.33W)。低功率的使用除了手機，DVD、MP3及PMP之外還有一些流行產(chǎn)品如iPod、手機、及數字相框。那么中功率的情況下，即10W-30W的功率放大器而言在相同播放內容以語(yǔ)音為主的狀況下，AB類(lèi)功率放大器與D類(lèi)功率放大器的功率效率分別為AB=25%及D=80%。
在播放10W語(yǔ)音的狀況下，AB類(lèi)功率放大器需要損耗40W的功率，但D類(lèi)功率放大器在同樣的條件下播放只損耗12.5Watts。因此使用D類(lèi)功率放大器可降低電源的成本將近3倍(40W/12.5W)，而且D類(lèi)功率放大器所產(chǎn)生的2.5W的熱可由一般功率封裝及PCB設計即可處理不必額外的散熱器。在大功率輸出的情況下，即100W-200W的D類(lèi)數字功率放大器在汽車(chē)音響亦將占有一席之地，在此高功率之下D類(lèi)功率放大器仍免不了使用散熱片，但散熱面積與散熱量比AB類(lèi)功率放大器所需的要小，由于高效率的原因，D類(lèi)功率放大器可以在不啟動(dòng)汽車(chē)引擎的狀況下有較長(cháng)的使用時(shí)間而不消耗太多電瓶的電量，D類(lèi)功率放大器成為現在汽車(chē)音響的主要應用產(chǎn)品。
電子制作網(wǎng)的老鐸先生認為，由于D類(lèi)數字音頻放大器技術(shù)十分成熟，準備在一段時(shí)間內設計一些比較有代表的D類(lèi)數字音頻放大器電路和放大器專(zhuān)用的音響電源供大家學(xué)習和制作。
二、D類(lèi)數字音頻功率放大器的電源成本及散熱成本優(yōu)勢
廠(chǎng)家在計算功率時(shí)并不以聲音內容做標準，而延用傳統的正弦波訊號當輸入。如以正弦波訊號而言AB類(lèi)功率放大器與D類(lèi)功率放大器的功率效率各約為45%及80%。如果以15W×2來(lái)計算D類(lèi)功率放大器的總供應功率約為30W/80%=37.5W，AB類(lèi)功率放大器的總供應功率約為30W/45%=66.7W，所以使用D類(lèi)功率放大器可節省將近30W的功率。由于功率放大器的電源由電源器件所提供，因此D類(lèi)功率放大器的電源器件成本將大大降低。同時(shí)電源器件的散熱器及功率放大器散熱器的成本及電路版空間的成本都有很大的降低。
數字功放由于工作方式與傳統模擬功放完全不同，因此克服了模擬功放固有的一些缺點(diǎn)，并且具備了一些獨有的特點(diǎn)。
1.過(guò)載能力與功率儲備
數字功放電路的過(guò)載能力遠遠高于模擬功放。模擬功放電路分為A類(lèi)、B類(lèi)或AB類(lèi)功率放大電路，正常工作時(shí)功放管工作在線(xiàn)性區;當過(guò)載后，功放管工作在飽和區，出現諧波失真，失真程度呈指數級增加，音質(zhì)迅速變壞。而數字功放在功率放大時(shí)一直處于飽和區和截止區，只要功放管不損壞，失真度不會(huì )迅速增加。
全數字功放與普通功放過(guò)載失真度比較
由于數字功放采用開(kāi)關(guān)放大電路，效率極高，可達75%~90%(模擬功放效率僅為30%~50%)，在工作時(shí)基本不發(fā)熱。因此它沒(méi)有模擬功放的靜態(tài)電流消耗，所有能量幾乎都是為音頻輸出而儲備，加之前后無(wú)模擬放大、無(wú)負反饋的牽制，故具有更好的“動(dòng)力”特性，瞬態(tài)響應好，“爆棚感”極強。
2.交越失真和失配失真
模擬B類(lèi)功放在過(guò)零失真，這是由于晶體管在小電流時(shí)的非線(xiàn)性特性而引起的在輸出波形正負交叉處的失真(小信號時(shí)晶體管會(huì )工作在截止區，無(wú)電流通過(guò)，導致輸出嚴重失真)。而數字功放只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，不會(huì )產(chǎn)生交越失真。
模擬功放存在推挽對管特性不一致而造成輸出波形上下不對稱(chēng)的失配失真，因此在設計推挽放大電路時(shí)，對功放管的要求非常嚴格。而數字功放對開(kāi)關(guān)管的配對無(wú)特殊要求，基本上不需要嚴格的挑選即可使用。
3.功放和揚聲器的匹配
由于模擬功放中的功放管內阻較大，所以在匹配不同阻值的揚聲器時(shí)，模擬功放電路的工作狀態(tài)會(huì )受到負載(揚聲器)大小的影響。而數字功放內阻不超過(guò)0.2Ω(開(kāi)關(guān)管的內阻加濾波器內阻)，相對于負載(揚聲器)的阻值(4~8Ω)完全可以忽略不計，因此不存在與揚聲器的匹配問(wèn)題。
4.瞬態(tài)互調失真
模擬功放幾乎全部采用負反饋電路，以保證其電聲指標，在負反饋電路中，為了抑制寄生振蕩，采用相位補償電路，從而會(huì )產(chǎn)生瞬態(tài)互調失真。數字功放在功率轉換上沒(méi)有采用任何模擬放大反饋電路，從而避免了瞬態(tài)互調失真。
5.聲像定位
對模擬功放來(lái)說(shuō)，輸出信號和輸入信號之間一般都存在著(zhù)相位差，而且在輸出功率不同時(shí)，相位失真亦不同。而數字功放采用數字信號放大，使輸出信號與輸入信號相位完全一致，相移為零，因此聲像定位準確。
6.升級換代
數字功放通過(guò)簡(jiǎn)單地更換開(kāi)關(guān)放大模塊即可獲得大功率。大功率開(kāi)關(guān)放大模塊成本較低，在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展前景廣闊。
7.生產(chǎn)調試
模擬功放存在著(zhù)各級工作點(diǎn)的調試問(wèn)題，不利于大批量生產(chǎn)。而數字功放大部分為數字電路，一般不需調試即可正常工作，特別適合于大規模生產(chǎn)。
三、數字功放和“數字化”功放、“數碼”功放的區別
所謂的“數字化”功放只是在前置級上采用數字信號處理的方式，在模擬音頻信號或數字音頻信號輸入后，采用現有的數字音頻處理集成電路，實(shí)現一些比如聲場(chǎng)處理、數字延時(shí)、混響等功能，最后再通過(guò)模擬功率放大模塊進(jìn)行音頻放大。其典型電路框圖如圖2所示。由圖2可知，其各模塊的接口都是采用模擬方式。而數字聲場(chǎng)處理模塊的大致原理框圖如圖3所示。
雖然目前各集成電路廠(chǎng)家都推出了數字聲場(chǎng)處理、數字卡拉OK和數字杜比解碼集成電路。但是由于目前功放大都只能接收模擬音頻信號，所以各集成電路的接口也大多是模擬的，這就需要反復地進(jìn)行模/數、數/模轉換，由此會(huì )引入量化噪聲，使音質(zhì)惡化。
全數字功放除了針對揚聲器的接口以外(這是因為目前揚聲器都只能接受模擬音頻信號)，音頻信號在功放內部都是以數字信號的方式進(jìn)行處理(包括功率放大);對于模擬音頻信號，必須轉化成數字信號后才能進(jìn)行處理。
在已經(jīng)具備數字音頻的時(shí)代推出數字功放，將可能對音響技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響
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