數(shù)字音頻功率放大器的基本原理及市場分析

摘 要：近年來，隨著集成電路集成度、時鐘頻率、功耗、面積等性能的提高，很多尚未數(shù)字化的領(lǐng)域也在逐步加入到數(shù)字化行列，分享數(shù)字化帶來的各種優(yōu)勢。在整個數(shù)字化過程中，模擬部分僅剩下功率放大和揚聲器。因此，數(shù)字化處理后的語音信號到達(dá)模擬功率放大器之前，必須進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，以便被功率放大器放大。從完全數(shù)字化的進(jìn)程看，功率放大器數(shù)字化模塊勢在必行。本文通過對數(shù)字音頻功率放大器的原理分析，探討了相關(guān)產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)，闡述了數(shù)字音頻功率放大器產(chǎn)品的市場應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：基本原理；關(guān)鍵技術(shù)；市場前景

一、引言

隨著數(shù)字存儲技術(shù)的日臻完善，絕大多數(shù)的音源已經(jīng)以數(shù)字形式存儲，模擬功率放大器效率低的缺點也越來越明顯，而數(shù)字音頻功率放大器以其獨有的高效率受到了越來越多的重視。數(shù)字音頻功率放大器早在20世紀(jì)70年代中期就已經(jīng)問世，由于受到大功率開關(guān)技術(shù)不成熟的限制，未能得到廣泛應(yīng)用。近年來，隨著開關(guān)技術(shù)和輸出解調(diào)濾波技術(shù)的成熟，數(shù)字音頻功率放大器得到了快速發(fā)展。以TI公司為代表的國外電子廠商已推出了實用化的數(shù)字音頻功率放大器產(chǎn)品，并迅速占領(lǐng)了世界音頻功率放大器的小功率市場。

目前，數(shù)字音頻技術(shù)已簡化到一兩個芯片，制造成本大大降低，在價格上能夠與模擬音頻功率放大器相當(dāng)。1995年，日本松下電器公司利用A/D轉(zhuǎn)換器原理，開發(fā)出PDM方式的數(shù)字音頻功率放大器。1998年，TI公司采用集成電路技術(shù)，推出面向高端用戶的數(shù)字放大器。Maxim公司、國家半導(dǎo)體公司、索尼公司等，也相繼推出了數(shù)字音頻功率放大器產(chǎn)品。

二、數(shù)字音頻功率放大器的基本原理

數(shù)字功率放大器的主要部分是前端的數(shù)字信號處理，以實現(xiàn)把多比特數(shù)字信號（如PCM編碼）變換成1bit的脈寬調(diào)制（PWM）信號流輸出。用PWM信號來控制后端的H橋MOSFET功率管的導(dǎo)通和截止，實際上也就實現(xiàn)了對PWM控制信號的能量放大。放大了的PWM信號流在通過一個低階的無源低通濾波器，濾除高頻部分，理論上無失真地還原了模擬音頻信號并送揚聲器發(fā)聲。

為了將16bit的PCM信號轉(zhuǎn)換成1bit的PWM信號，在理論上1bit調(diào)制器在每一個變換周期內(nèi)要執(zhí)行二的十六次方觸發(fā)。因此在44.1kHz的取樣頻率下，1bit量化器的時鐘頻率達(dá)2.9GHz，這對于目前的技術(shù)來講是不實際的。如果降低傳輸速率來滿足硬件的限制，噪聲級又增加了。為解決這些問題，采用了N倍過取樣濾波和噪聲整形技術(shù)，來提高取樣頻率和降低量化噪聲。

三、數(shù)字音頻功率放大器產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)

1.輸入PCM信號變換成PWM信號的比特變換技術(shù)。對于數(shù)字音源，采用能實現(xiàn)全數(shù)字鏈接的數(shù)字音頻功率放大器為主要發(fā)展方向。比特變換電路是為了把再量化噪聲移至頻帶的高端和減少比特壓縮引起的信噪比惡化而使用的多比特調(diào)制器，目的是減小失真而不必引入負(fù)反饋。如果采用PDM方式，為確保相同的信噪比和動態(tài)范圍，使用的開關(guān)頻率比PWM方式的要高，開關(guān)頻率高達(dá)數(shù)MHz，必須使用輸入電容小的開關(guān)器件。

2.布線設(shè)計技術(shù)。開關(guān)電路的抗電磁干擾（EMI）設(shè)計以及熱設(shè)計在保證產(chǎn)品性能方面起著至關(guān)重要的作用。因此，模塊電路的布局、布線設(shè)計顯得極為重要，必須保證最小的干擾和最優(yōu)的熱分布。

3.輸出濾波器設(shè)計技術(shù)?？傊C波失真（THD）主要是由電路的非線性引起的，通過輸出低通濾波器的平均作用，可以使D類放大器的THD系數(shù)<1%。另外，數(shù)字音頻功率放大器工作在開關(guān)狀態(tài)，容易產(chǎn)生聲音發(fā)硬、干澀等失真問題。因此，低通濾波器的設(shè)計直接影響著數(shù)字音頻功率放大器的性能。在低通濾波器設(shè)計時，必須選擇最恰當(dāng)?shù)慕刂诡l率，達(dá)到最佳的濾波效果，并具有盡量低的功耗。

四、數(shù)字音頻功率放大器的市場分析

與傳統(tǒng)的模擬功率放大器相比，數(shù)字音頻功率放大器具有以下優(yōu)點：（1）高效率，這是最為突出的優(yōu)點，一般都在90%以上；（2）可以使用開關(guān)電源供電；（3）以純數(shù)字化結(jié)構(gòu)完成了音頻信號的鏈接，大大提高了音源的音質(zhì)；（4）可以用軟件實現(xiàn)調(diào)試；（5）功率越大（40 W以上），其成本優(yōu)勢越明顯。

由于其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均能滿足Hi-Fi音響的要求，又具有以上的優(yōu)點，必然會成為未來音頻功率放大器市場中的主流產(chǎn)品。

1.市場前景。中小功率以下的數(shù)字音頻功率放大器芯片具有廣闊的市場應(yīng)用前景，主要應(yīng)用于個人數(shù)字助理（PDA）、掌上型個人計算機、MP3、CD、DVD播放器、移動電話、便攜式電子設(shè)備等多媒體產(chǎn)品中。

以手機為例，2002年，我國手機產(chǎn)量為1.2億臺，國內(nèi)銷售的手機數(shù)量就多達(dá)6800萬臺。

在汽車音響領(lǐng)域，目前國產(chǎn)汽車的音響配置較低，普通轎車一般只裝配收音機、卡帶機。但隨著轎車在家庭中的普及，在汽車?yán)锩嫦硎軔偠囊魳穼⒊蔀槠囈繇懓l(fā)展的趨勢。2005年，我國轎車產(chǎn)能將達(dá)到200萬輛，超過60億元的汽車音響市場需要開發(fā)。

數(shù)字音頻功率放大器以其功率、體積小、重量輕、省電的優(yōu)勢，成為未來家用數(shù)碼音響設(shè)備的首選。在Hi-Fi音響和家庭影院系統(tǒng)中，輸出聲道多至2～10個，每聲道功率40～100 W，總功率在500～1000 W。功率放大器的效率成為越來越重要的參數(shù)。因此，數(shù)字音頻功率放大器的應(yīng)用前景非常廣闊。

2.國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。目前的國內(nèi)市場上，數(shù)字音響功率放大器每年大約1億美元的市場份額基本為國外公司所瓜分。其中，TI公司約占國內(nèi)市場的70%，其它公司（索尼公司、Maxim公司和國家半導(dǎo)體公司等）共同占有其余30%的產(chǎn)品市場。

因此，數(shù)字音頻功率放大器主要面對的是國外專業(yè)集成電路公司的競爭。目前，數(shù)字音頻功率放大器的主要廠商及其主流產(chǎn)品如下：

TI公司已推出幾十款數(shù)字音頻PWM處理器和數(shù)字音頻功率放大器。其中，TPA2000D2型無濾波器D類放大器，其輸出功率2 W、關(guān)斷模式電流≤1μA、功耗小、無輸出濾波器和反饋元件，它的尺寸減少75%，成本降低40%。

索尼公司有CXD9634（PWM處理器），CXD96462（60W數(shù)字音頻功率放大器）及Hi-Fi用100 W混合集成電路。

Maxim已推出二款D類放大器，其中，MAX4297，其輸出功率2 W，效率大于90%，價格只售1.5美元/片。

中國電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所已推出了SWH201功率放大器，其輸出功率100 W，效率90%，采用MCM工藝，TO-3封裝。

在國內(nèi)的便攜式電子產(chǎn)品、汽車音響及Hi-Fi系統(tǒng)中，有很大部分目前仍然采用線性功率放大器。因此，如何將數(shù)字音頻功率放大器技術(shù)及產(chǎn)品應(yīng)用于目標(biāo)市場，以及將數(shù)字音頻功率放大器產(chǎn)品盡快產(chǎn)業(yè)化，并占據(jù)一定的市場份額，是目前面臨的最大問題。

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