器件与电路
!"#$%"&’()#*+)$
数字音频功率放大器原理及实现
李
挥!，罗
勇"，邹传云"
（!#深圳清华大学研究院$%&与网络应用重点实验室，广东深圳’!()’*）
・电路设计・
"#桂林电子工业学院通信与信息工程系，广西桂林’+!))+）
【摘
要】介绍了数字音频功率放大器的基本原理，并对其关键技术进行了详细论述。通过分析数字功
并结合单片机组率放大器芯片产品的发展动态，选用一套典型芯片研发了’#!声道全数字功率放大器，成一个完整系统，从而向商业化应用推进。
【关键词】,-.；,/.；过采样；噪声整形；0"/总线；数字功率放大器；%1,核
【!"#$%&’$】2345676894:;9?85;38694:?46@8=4
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【()*+,%-#】6>@58H4=8C@7;4@58?@7;4
;8B97;8=?49?>4;J>5；=4B4;7@6
!概述
近年来，随着集成电路集成度、时钟频率、功耗、面
数字信号处理，其性能远不能与&类功率放大器相提在工作并论，但%类放大器的效率能达到O)M左右，时不需要散热片，因而在一些对性能要求不是很高，而又需要节约电源和空间的地方常被运用。
考虑到%类功放的效率和&类功放的性能，很多厂家都在积极研究生产效率高、性能好的真正数字功率放大器。由于集成电路的性能大幅度提高，数字信号处理理论的进一步完善，国外部分厂家已推出高性能、低功耗的数字功率放大集成芯片，在一些高档产品中应用并投放市场。
积等性能的提高，很多尚未数字化的领域也在逐步加入到数字化行列K分享数字化带来的各种优势。目前的语音信号数字化处理系统可用图!简要表示。
从图!可以看出，在整个数字化过程中，模拟部分仅剩下功率放大和扬声器。因此，数字化处理后的语音信号到达模拟功率放大器之前，必须进行%L&转换，以便被功率放大器放大。从完全数字化的进程看，功率放大器数字化模块势在必行。
目前，功率放大器分为&类、E类、&E类和%类。是目前高档功放的主要方式，&类模拟功放保真度高，
但其效率低，还不到!)M。&E类模拟功放保真度比&类稍差，效率提高到")N+)M。采用,-.调制驱动功放管的%类功放，由于使功放管处于导通截止两个状态而被一部分人称为数字功率放大器。对于一般的%类放大器，由于对数字信号处理不够或根本没有进行
"基本原理
数字功率放大器的主要部分是前端的数字信号处
理，以实现把多比特数字信号（如,/.编码）变换成!信号流输出。用,-.信号来控J4;的脉宽调制（,-.）制后端的P桥.Q1R$2功率管的导通和截止，实际上也就实现了对,-.控制信号的能量放大。放大了的滤除,-.信号流在通过一个低阶的无源低通滤波器，高频部分，理论上无失真地还原了模拟音频信号并送扬声器发声。其整体主流程框图如图"所示。
为了将!S
J4;的,/.信号
电声技术
求。
!"!噪声整形
噪声整形就是对量化噪声在频带内的重新分配以减少基带内噪声，增加高频段噪声。噪声整形中，量化器之前也常加入抖动，其原理框图如*所示。
转换成!"#$的%&’信号，在理论上!"#$调制器在每一个变换周期内要执行(!)触发。因此在**+!,-.的取样频率下，!"#$量化器的时钟频率达**+!,-./(!)0(+1这对于目前的技术来讲是不实际的。如果降低传2-.，
输速率来满足硬件的限制，噪声级又增加了。为解决这来些问题，采用了3倍过取样滤波和噪声整形技术，提高取样频率和降低量化噪声。
!"#3倍过取样滤波
3倍过样滤波就是把输入的以!4抽样频率的数字信号用"倍!4的频率再抽样。在两个抽样值之间，插入的"5!个值是按两抽样值计算出来的。在实际过采样中，还常常先在多比特信号上加入!"#$的抖动，再送入!"#$量化器量化。这样可以减少量化噪声和防止空号模式引起的非线性。
当采用%6’调制时，其量化噪声分布在78!49(频带内，则噪声!4是%6’取样频率。现在以"/!4过取样，由于其量化噪声总量是保持不在"/!49(频带内扩散，
变，则单位频带的噪声密度减少了"倍。在低频音频信号内，其噪声总量也就减为原来的!9"。过采样对噪声的影响见图:。
为加入的抖动。%（，分别为在图*中，#（$）$）&（$）输入和输出数字序列。’（为反馈传递函数。通过把(）量化器前后之差通过传递函数)（反馈回%（，从(）$）而实现噪声整形的目的。其*变换的系统传递函数可以表示为
+（*）0,（*）;-（*）（!）
式可以看出，通过噪声整形后，对于输入信从（!）号?@AB没有影响。而量化噪声却因!5’（而改变在整*）个频率内的分布。以一阶噪声整形为例，取’（*）0*5!则相当于对噪声加上一阶微分。则经过微分，噪声频谱而是以)CD9倍频程的低频并不如图:所示均匀分布，
截止滤波器形状呈现，也即是对噪声实现了高通。这
样，可听频带内的噪声被减少，而频带外的噪声增加，使噪声分布状态变形，此为噪声整形的由来。
!"$功率驱动及低通滤波
用噪声整形后的%&’信号控制起功率放大作用的-桥’EFGHI，来实现对信号的放大。%&’控制-桥各个臂的轮流导通及导通时间，受%&’控制的输出电流在经低通滤波后，直接推动扬声器发声。
通过过取样滤波器后，输出的数字信号频谱以更高的抽样频率"!4为中心，频谱镜像也是出现在过取样频率（的整数倍处。因而基带和阻带的距离变得"!4）更远了，一个低阶模拟滤波器可以在不导致失真和相
移的条件下滤除信号中音频信号的镜像频谱成分。这样就减少了对模拟滤波器的要
:J+!声道全数字功率放大器的实现
$"#
数字功放芯片发展现状
目前，全数字音频功率放大器芯片的研究及应用，正在国际上全面起步。主流的数字功放芯片有KLMNOO的PPQ系列，IR的IKF系列，6#SST4UMN#V的以及FE3W，6F**(!7，IK6I等公司的相关产品。每一个公司的产品都各有特色。但其基本原理如上所述。由于都采用了各自相关的数字信号处理技术，使得用这些芯片做成的数字功率放大器有很高的性能。IK6I
电声技术
"$期
器件与电路
!"#$%"&’()#*+)$
!"#$%公司用这类数字功率放大器制成专业音频功放开始投放于高端音响市场。业内人士预计&年内，全数字音频功率放大器将占音频功放市场的’()以上。
!"#$$%&’((和$$%#()(套片
基于对上面所提数字功率放大器的理解和一些详细的考虑。笔者选用*+%,--公司开发的../01((和
音调、C$FG%FH$+公司的:78138
../2(3(设计了一款&41声道的全数字功率放大器。
多通道数字音频处理器../01((原理图如图&。
!"!*+,控制的可编程数字功率放大器的实现
:78138
是通过软728总线的初始化，件来实现的。C8J作为728的主设备，../01((为从设备。在每一次通过728传输数据之前，先用函数KL*.M*..=M>发送从设备地址，然后用728MB=M9JN写数据到指定芯片的寄存器。
!"&整机性能
通过把数字功放和C8J结合在一起工作，就构成了完整的数字功率放大器。组成的数字功率放大器每通道的额定输出功率为E&B，其电路板面积为1&
该处理器除了完成上面提及到的最主要的信号变换过程外，还有输入信号选择、增益控制、可编程56控制、728控制接口等。../01((把输入数字信号（729，通过9=8（采样频率转换）模块转换成固9:.7;、*8’?@A提供.9:处理。.9:处理后输出数字信号供其它设备（如其他数字音频信号处理器）使用或者是直接通过../模块输出双极性:BC编码。
../2(3(是*+%,--的全数字高效功率放大器，它用../01((处理后的:BC驱动内部;5D桥，以实现功率放大的目的。此外，它还具有输出过压保护和温度保护逻辑。
使用../01((和../2(3(的组合，就可以设计出低功耗、小体积、保真度高的数字功率放大器。图3是一个声道的原理框图。
基于此，笔者用2片../01((和E片../2(3(组成&41声道的数字功率放大器。通过728总线，用
电声技术
基于)*+%#$,#$-立体声
数字测试仪的设计
郝程鹏’，侯朝焕’，韦博荣#
（北京$%%%-%；9,北京广播学院，北京$%%%9
【摘
・系统设计・
要】研究了用(1C技术实现导频制立体声测试系统，提出了一种使用低档(1C芯片&W169%X9%T
和高速:S(芯片W:Q$9$，实现高精度立体声解码的方案。具有实现简单、抗干扰能力强、性能指标高、与数字显示电路接口设计方便等优点，达到了较高的性能S价格比。【关键词】导频制立体声；数字锁相；过零检测
【./012341】&EIKGHNI!FAJHAKABNKNEAKNO4PDBNEAOKADL(1CLDHNA!EBI!GFHAGFI/GNIDBDLKNAHAD4A!D4Y
IBMKPKNA"VGKA4DBJIFDNLHAZOAB!PGB4VHIBMKLDH[GH4GBA[K!EA"ANDHAGFI/AKNAHAD4A!D4IBMDLEIMEJHA!IKIDB,&EIKK!EA"AEGK"GBPG4\GBNGMAKKO!EGKKI"JFA4AKIMB，VANNAHGBNIRIBNAHLAHAB!AGVIFIYNP，EIMEJAHLDH"GB!A，AGKIFP!DBBA!NA4[INE4IMINGF4IKJFGP!IH!OINNI\ABAKK,
【567892:0】KNAHADVGKA4DBJIFDNLHAZOAB!P；4IMINGFFD!]A4JEGKA；/AHDR!HDKKIBM4ANA!NIDB
AN!,8NJHD\I4AKEIMEAH!DKNRALLA!Y
$引言
立体声测试仪是通过对立体声基带信号解码，从而测量立体声信号的各项指标、评测立体声信号质量的仪器。早期的立体声测试系统是采用传统的模拟方法实现的，电路比较复杂，并且主要质量指标依赖于模拟电路的设计及工艺水平，容易受噪声、环境温度、器
件自身稳定性等因素影响。(1C技术的出现和飞速发展，突破了传统模拟设计功能单一、可扩展性差的设计局限性，强调以开放性的最简硬件为通用平台，可重配置的应用软件来实现立体声测试系统的新思路，使系统的改进、升级更为容易，性能指标更高。笔者设计的立体声测试仪就是采用&W169%X9%T定点(1C实现的。
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
主要的性能指!"#$%!"。在试音室对其性能测试时，标为
路，各项指标均达到了商用化程度，为数字音源和功率放大的整合提供了完整的解决方案。针对目前三网合一，多媒体迅速发展的趋势，开发能进一步提供简洁高效高性能的音频功率放大解决方案还在进行中。
参考文献
电>$?@AB;,CDEF"GBB,CHIB!IJFAKDL(IMINGF:O4ID,北京：
子工业出版社，9%%9,
数字语音处理,武昌：华中科技大学出版社，>9?姚天任，
!&’()*+%,%-.（$’/，$0）!1*2：-345
!--.的电源利用率（6%0时测量）
最后对该数字功率放大器进行试听。信号源直接从(7(芯片引脚引出891音频信号，作用于数字功放充分消除了的891引脚。其效果和:类功放难分优劣，人们对数字功放的音色生硬、动态范围低的顾虑。
由于该数字功率放大器体积小，性能高，不但可以置于(7(，7;(，’(&7机内实现音源和功放的有机统一，其未来更高级套片还可以做成专业级功放。
9%%9,
国防工业出版>6?张绍高,数字声频技术原理及应用,北京：
社，9%%%,
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该套基于家庭音响的=,$声道全数字功率放大电
：>=?沈山豪,数字音频中的$VIN技术,电声技术，9%%9（
!收稿日期"#$$%&$’&$(
电声技术
"$期
器件与电路
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数字音频功率放大器原理及实现
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【摘
要】介绍了数字音频功率放大器的基本原理，并对其关键技术进行了详细论述。通过分析数字功
并结合单片机组率放大器芯片产品的发展动态，选用一套典型芯片研发了’#!声道全数字功率放大器，成一个完整系统，从而向商业化应用推进。
【关键词】,-.；,/.；过采样；噪声整形；0"/总线；数字功率放大器；%1,核
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【()*+,%-#】6>@58H4=8C@7;4@58?@7;4
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!概述
近年来，随着集成电路集成度、时钟频率、功耗、面
数字信号处理，其性能远不能与&类功率放大器相提在工作并论，但%类放大器的效率能达到O)M左右，时不需要散热片，因而在一些对性能要求不是很高，而又需要节约电源和空间的地方常被运用。
考虑到%类功放的效率和&类功放的性能，很多厂家都在积极研究生产效率高、性能好的真正数字功率放大器。由于集成电路的性能大幅度提高，数字信号处理理论的进一步完善，国外部分厂家已推出高性能、低功耗的数字功率放大集成芯片，在一些高档产品中应用并投放市场。
积等性能的提高，很多尚未数字化的领域也在逐步加入到数字化行列K分享数字化带来的各种优势。目前的语音信号数字化处理系统可用图!简要表示。
从图!可以看出，在整个数字化过程中，模拟部分仅剩下功率放大和扬声器。因此，数字化处理后的语音信号到达模拟功率放大器之前，必须进行%L&转换，以便被功率放大器放大。从完全数字化的进程看，功率放大器数字化模块势在必行。
目前，功率放大器分为&类、E类、&E类和%类。是目前高档功放的主要方式，&类模拟功放保真度高，
但其效率低，还不到!)M。&E类模拟功放保真度比&类稍差，效率提高到")N+)M。采用,-.调制驱动功放管的%类功放，由于使功放管处于导通截止两个状态而被一部分人称为数字功率放大器。对于一般的%类放大器，由于对数字信号处理不够或根本没有进行
"基本原理
数字功率放大器的主要部分是前端的数字信号处
理，以实现把多比特数字信号（如,/.编码）变换成!信号流输出。用,-.信号来控J4;的脉宽调制（,-.）制后端的P桥.Q1R$2功率管的导通和截止，实际上也就实现了对,-.控制信号的能量放大。放大了的滤除,-.信号流在通过一个低阶的无源低通滤波器，高频部分，理论上无失真地还原了模拟音频信号并送扬声器发声。其整体主流程框图如图"所示。
为了将!S
J4;的,/.信号
电声技术
求。
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噪声整形就是对量化噪声在频带内的重新分配以减少基带内噪声，增加高频段噪声。噪声整形中，量化器之前也常加入抖动，其原理框图如*所示。
转换成!"#$的%&’信号，在理论上!"#$调制器在每一个变换周期内要执行(!)触发。因此在**+!,-.的取样频率下，!"#$量化器的时钟频率达**+!,-./(!)0(+1这对于目前的技术来讲是不实际的。如果降低传2-.，
输速率来满足硬件的限制，噪声级又增加了。为解决这来些问题，采用了3倍过取样滤波和噪声整形技术，提高取样频率和降低量化噪声。
!"#3倍过取样滤波
3倍过样滤波就是把输入的以!4抽样频率的数字信号用"倍!4的频率再抽样。在两个抽样值之间，插入的"5!个值是按两抽样值计算出来的。在实际过采样中，还常常先在多比特信号上加入!"#$的抖动，再送入!"#$量化器量化。这样可以减少量化噪声和防止空号模式引起的非线性。
当采用%6’调制时，其量化噪声分布在78!49(频带内，则噪声!4是%6’取样频率。现在以"/!4过取样，由于其量化噪声总量是保持不在"/!49(频带内扩散，
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为加入的抖动。%（，分别为在图*中，#（$）$）&（$）输入和输出数字序列。’（为反馈传递函数。通过把(）量化器前后之差通过传递函数)（反馈回%（，从(）$）而实现噪声整形的目的。其*变换的系统传递函数可以表示为
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截止滤波器形状呈现，也即是对噪声实现了高通。这
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移的条件下滤除信号中音频信号的镜像频谱成分。这样就减少了对模拟滤波器的要
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数字功放芯片发展现状
目前，全数字音频功率放大器芯片的研究及应用，正在国际上全面起步。主流的数字功放芯片有KLMNOO的PPQ系列，IR的IKF系列，6#SST4UMN#V的以及FE3W，6F**(!7，IK6I等公司的相关产品。每一个公司的产品都各有特色。但其基本原理如上所述。由于都采用了各自相关的数字信号处理技术，使得用这些芯片做成的数字功率放大器有很高的性能。IK6I
电声技术
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器件与电路
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!"#$$%&’((和$$%#()(套片
基于对上面所提数字功率放大器的理解和一些详细的考虑。笔者选用*+%,--公司开发的../01((和
音调、C$FG%FH$+公司的:78138
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多通道数字音频处理器../01((原理图如图&。
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该处理器除了完成上面提及到的最主要的信号变换过程外，还有输入信号选择、增益控制、可编程56控制、728控制接口等。../01((把输入数字信号（729，通过9=8（采样频率转换）模块转换成固9:.7;、*8’?@A提供.9:处理。.9:处理后输出数字信号供其它设备（如其他数字音频信号处理器）使用或者是直接通过../模块输出双极性:BC编码。
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基于此，笔者用2片../01((和E片../2(3(组成&41声道的数字功率放大器。通过728总线，用
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郝程鹏’，侯朝焕’，韦博荣#
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要】研究了用(1C技术实现导频制立体声测试系统，提出了一种使用低档(1C芯片&W169%X9%T
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立体声测试仪是通过对立体声基带信号解码，从而测量立体声信号的各项指标、评测立体声信号质量的仪器。早期的立体声测试系统是采用传统的模拟方法实现的，电路比较复杂，并且主要质量指标依赖于模拟电路的设计及工艺水平，容易受噪声、环境温度、器
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主要的性能指!"#$%!"。在试音室对其性能测试时，标为
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参考文献
电>$?@AB;,CDEF"GBB,CHIB!IJFAKDL(IMINGF:O4ID,北京：
子工业出版社，9%%9,
数字语音处理,武昌：华中科技大学出版社，>9?姚天任，
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最后对该数字功率放大器进行试听。信号源直接从(7(芯片引脚引出891音频信号，作用于数字功放充分消除了的891引脚。其效果和:类功放难分优劣，人们对数字功放的音色生硬、动态范围低的顾虑。
由于该数字功率放大器体积小，性能高，不但可以置于(7(，7;(，’(&7机内实现音源和功放的有机统一，其未来更高级套片还可以做成专业级功放。
9%%9,
国防工业出版>6?张绍高,数字声频技术原理及应用,北京：
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该套基于家庭音响的=,$声道全数字功率放大电
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