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数字功率放大器的设计与实现

俞世杰  
【摘要】:1982年CD开创了数字音响时代,1997年问世的DVD开创了数字视听时代,目前大部分音响系统中的功放是模拟功放,1台典型的模拟功放相当于一种反馈控制系统,是一种利用电压控制的功放。理论上,输出电压等于输入电压乘以增益。例如功放的增益是20,那么输出电压刚好是输入电压的20倍,其特点是线性增益,响应曲线平直、失真甚小,时序排列完善、群延迟很少。但是,这种理想的模拟功放从未实现过。对于大功率模拟功放的设计会面临许多困难的选择,包括变压器、整流器、滤波电容、线性稳压、散热等,通常只能采取折衷的方式解决,但是耗电大的问题无法解决。而数字功率放大器以其全新的设计理念和工作原理越来越体现出它的优越性:效率高,功耗小,所需散热片小,可应用场合多等特点。但是现有的数字功放也有一些缺点:失真、音质、EMI干扰等诸多问题。随着数字功放的优点越来越广泛地被上游芯片厂家和消费者所认可后,越来越多的IC厂家致力于开发数字功放的芯片,同时也提出了自己解决数字功放固有问题(失真大、音质差、EMI等)的技术,如Tripath的DPP(Digital Power Processing)、Ti的DAP(Digital Audio Processing)、Apogee和ST的DDX(Direct Digital Amplification)等,而且也取得了一些突破。 根据市场的需求,设计一款数字功率放大器是夏新公司2002底的一个项目,要求2003年5-6月上市。作为项目负责人,主要从以下几个方面考虑:1、外观时尚、轻小;2、音质要好;3、解决好EMI等问题;4、注意成本控制。为了达到设计要求,在外观上,参考工业设计中心的设计式样,结合营销部的要求选用。要解决好音质和EMI的问题,方案的选择至关重要,在对市面上的主流厂家包括Ti、Tripath、ST、Mitsubishi、Pulsus、Philips、Microsemi、成都天奥等厂家的方案评估完(主要是通过厂家提供的DEMO板)之后,通过比较:音质比较好的是Philips、Tripath、Ti;EMI指标比较好的是Tripath、Ti;通过综合平衡考虑最终选定Tripath的方案。由于DEMO的供电、装配结构、PCB布板和最后整机有较大的区别,这些都造成了整机性能的不确定性。对于EMI问题,在结构设计前期,充分考虑整机的布局、装配,确保整机良好接地,并使整机结构件形成一个屏蔽体。在电路设计方面,从开关电源滤波、接地,数字功放部分的PCB布板,滤波电路的设计,以及接地的预留,使得整机顺利通过EMI的测试。对于音质的问题,从以下几个方面改善解决:1、减少开关电源纹波,提高数字功放的电源抑制比。2、解决好整机特别是电源接地的问题,避免引入交流声。3、尽量使数字功放的前级地接近参考地,因为前级为小信号,为易受干扰源。4、注意后级功放的PCB布板以及输出滤波的设计,减少数字功放开关频率对于音频信号的影响。在陈老师的指导下,通过项目组的共同努力,项目顺利完成。


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