摘要：  本文論述了純數(shù)字DDX音頻放大器的基本結(jié)構(gòu)，基本工作原理和優(yōu)點，以及如何利用DDX音頻放大器進行產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)。
關(guān)鍵詞： DDX調(diào)制；數(shù)模轉(zhuǎn)換器；DDX音頻放大器

前言

隨著數(shù)字音源與數(shù)字音頻技術(shù)的迅速發(fā)展，直接對數(shù)字音頻信號進行功率放大而不需要進行模擬轉(zhuǎn)換(DAC)的數(shù)字音頻放大器得到了迅速發(fā)展，它具有效率很高并且能與數(shù)字音源直接對接，實現(xiàn)端到端的純數(shù)字音頻處理和放大等優(yōu)點。這種DDX音頻放大器可以接受來自DSP直接輸入的數(shù)字音頻編碼信號，采用專利的DDX信號處理技術(shù)來控制高效的功率器件，不需要為每個聲道準備D/A轉(zhuǎn)換器，從而減少了中間不必要的轉(zhuǎn)換層級，音質(zhì)得到顯著的改善，成本也隨著零部件數(shù)目的減少而下降，從而把高音質(zhì)、低功耗和低制造成本帶到人氣很旺的高速增長的應用領(lǐng)域，如平板電視機、無線產(chǎn)品和個人音響系統(tǒng)。

DDX音頻放大器的基本結(jié)構(gòu)

DDX音頻放大器包括2個主要部分：第一部分是采用專利DDX技術(shù)的調(diào)制器，它把數(shù)字音頻接口得到的或者A/D轉(zhuǎn)換得到的PCM數(shù)字音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三態(tài)調(diào)制信號輸出；第二部分是功率輸出級，它包括三態(tài)驅(qū)動邏輯電路和全橋電路。經(jīng)過三態(tài)調(diào)制的脈沖信號控制全橋電路中晶體管的導通與截止，在負載的兩端產(chǎn)生極性相反的脈沖信號，脈沖的頻率成份包含還原的音頻信號和與調(diào)制過程相關(guān)的高頻分量，因此通常需要在輸出級和揚聲器之間插入一個低通濾波器，避免高頻分量直接驅(qū)動揚聲器，從而在揚聲器上得到還原并且放大的音頻輸出(如圖1所示)。

圖1  DDX基本功能塊圖

DDX音頻放大器驅(qū)動方式和調(diào)制方式

DDX音頻放大器的輸出級采用全橋電路，它包含兩個半橋輸出級。每個半橋電路包括兩個輸出晶體管，一個是連接到正電源的高端功率管，另一個是連接到負電源的低端功率管。全橋電路可以由單電源供電，在相同的電源電壓下，全橋電路的輸出信號擺幅是半橋電路的兩倍，理論上可以提供的最大輸出功率是其四倍。傳統(tǒng)的D類放大器采用差分工作方式，開關(guān)信號控制兩個半橋電路中功率管的導通與截止，半橋A的輸出極性必須與半橋B的輸出極性相反，使負載電流從一個半橋流入，從另一個半橋流出，為濾波器提供極性相反的脈沖信號，因此只存在正態(tài)和負態(tài)這兩種差分工作狀態(tài)。

圖2  DDX驅(qū)動狀態(tài)

DDX音頻放大器的調(diào)制器采用DDX專利的三態(tài)調(diào)制技術(shù)，增加了一個共模工作狀態(tài)，即兩個半橋輸出的極性相同(都為低)，從而使濾波器的兩端被連接到地。這個共模狀態(tài)稱為陰尼態(tài)，和差分工作狀態(tài)配合產(chǎn)生DDX三態(tài)調(diào)制，如圖2所示。陰尼態(tài)用于表示低功率水平，代替兩態(tài)方案中在正態(tài)和負態(tài)之間的開關(guān)。當音頻信號處于低功率水平的時候，傳統(tǒng)的兩態(tài)方案仍然使輸出晶體管處于開關(guān)狀態(tài)，輸出正負抵消的無用信號給濾波器和揚聲器，這樣不但增加了的開關(guān)損耗和能量開銷，降低了音頻放大器的效率和信噪比，而且不斷地處于開關(guān)狀態(tài)不可避免地產(chǎn)生EMI。DDX三態(tài)調(diào)制方案利用陰尼態(tài)表示低功率水平，正態(tài)和負態(tài)用于對揚聲器提供大功率。在相同測試條件下，DDX三態(tài)調(diào)制方案比采用兩態(tài)調(diào)制方案的傳統(tǒng)D類放大器產(chǎn)生的高頻載波分量低16dB，在低功率水平時的放大器效率提高了20%。DDX三態(tài)調(diào)制方案的獨有特性也改善了電源抑制比(PSRR)，因為在低功率水平時，濾波器的差分動作非常小，陰尼態(tài)使揚聲器的兩端接地，從而使電源的噪聲不被聽見。

許多D類放大器采用PWM輸出至器件輸入的負反饋環(huán)路以改善器件的線性，通過控制環(huán)路對輸出進行校正，以減少失真問題和電源問題。閉環(huán)設(shè)計的優(yōu)勢是以可能出現(xiàn)的穩(wěn)定性問題為代價的，這也是所有反饋系統(tǒng)共同面臨的問題。而DDX音頻放大器采用數(shù)字開環(huán)的設(shè)計，即使在驅(qū)動低阻抗揚聲器的時候也不會產(chǎn)生放大器的穩(wěn)定性問題。同時，利用先進的數(shù)字信號處理技術(shù)(DSP)，對預期的輸出級誤差進行預補償或者校正，也可以改善放大器的線性輸出特性。并且可以在數(shù)字域?qū)γ總€通道音頻信號獨立地編程，進行諸如分段EQ控制，低音/高音控制和音量控制等處理，而這些都可以通過I2C數(shù)字接口對內(nèi)部寄存器進行編程來實現(xiàn)，不僅方便了用戶的開發(fā)和使用，而且為用戶增加了附加價值。

DDX音頻放大器種類

DDX音頻放大器芯片主要分成兩類，一類是完全獨立的設(shè)計，即DDX控制芯片和音頻功率放大器芯片是分開的，最多能處理八個音頻通道，最大輸出功率為單通道350W；另一類是單芯片設(shè)計，即集成了DDX控制和音頻功率放大器功能，同時擁有2.1通道的DDX控制和音頻放大器，輸出總功率為40W至160W。用戶可以根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)的實際需要進行靈活地選擇和搭配組合。

參考設(shè)計方案-平板電視專用音箱

下面我們以意法半導體(STM)最新推出的一款DDX音頻放大器STA328為例，來具體了解DDX音頻放大器的結(jié)構(gòu)和功能，以及如何利用DDX音頻放大器進行產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)。

該解決方案的主要特征：
*音頻放大器的輸出為2.0通道(2×80W)或者2.1通道(2×40W+1×80W)；
*32條預設(shè)音頻EQ曲線；
*四選一HDMI選擇開關(guān)控制器；
*接收模擬立體聲音頻信號；
*接收光纖和同軸接口的真數(shù)字編碼音頻信號(立體聲PCM)；
*紅外線遙控。

隨著平板電視設(shè)計變得更薄，揚聲器變得更小，機箱聲學特性越來越不理想，修正音頻信號變得十分重要。我們?yōu)槠桨咫娨曉O(shè)計的這種2.1通道專用音箱，就是充分利用了DDX單芯片的高集成度，結(jié)合從聲源到揚聲器的純數(shù)字流處理能力，為平板電視提供低成本、高效能、高音質(zhì)的外置音響系統(tǒng)。這套專用音箱參考方案的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3  平板電視專用音箱參考方案的電路結(jié)構(gòu)示意圖

這套音箱可以通過紅外線遙控進行操作，意法半導體(STM)- ST72324作為人機界面控制MCU，接受來自紅外遙控器的指令，向DDX音頻放大器STA328發(fā)出相應的控制命令。

另外，ASAHI KASEI MICROSYSTEMS (AKM)- AK4113是一個24位立體聲數(shù)字音頻接收器，可以接收來自光纖接口和同軸接口的高保真數(shù)字編碼音頻信號，然后轉(zhuǎn)化為PCM音頻信號，通過I2S總線輸出，可以支持高達216KHz的采樣率；AKM - AK5358A是一個高性價比的24位立體聲A/D轉(zhuǎn)換器，把立體聲模擬音頻信號轉(zhuǎn)換為PCM音頻信號，通過I2S總線輸出。AK4113和AK5358A可以分別接收來自數(shù)字接口和模擬接口的音頻信號源，為DDX音頻放大器STA328提供PCM數(shù)字音頻信號。設(shè)置STA328的輸出級為2.1通道(2×40W+1×80W)，搭配相應的音箱，還原并且放大來自前端數(shù)字音源或者模擬音源的音頻信號。

由于是針對平板電視這樣的顯示播放平臺，當面臨多個高清內(nèi)容源的輸入選擇時，大多數(shù)平板電視的HDMI接口在使用上就會顯得不方便，因此我們加入了英特矽爾(Intersil)-ISL54100。它是一個四選一HDMI選擇開關(guān)控制器，不僅可以切換各路數(shù)字視頻和音頻信號，而且具有重新整理功能，通過一個內(nèi)置的鎖相環(huán)進行重新同步調(diào)整和均衡，可有效恢復因線材物理上的問題造成的信號衰變，能將高清信號傳輸距離延長15米。

結(jié)語

利用DDX音頻放大器對數(shù)字音源輸出的音頻信號進行直接處理和放大，可以方便地實現(xiàn)高保真，高效率和低成本的音頻放大器，為數(shù)字音源，音頻處理和功率放大的整合提供了完整的端到端數(shù)字解決方案。

參考文獻：
1. Apogee DDX application documents
2. STM DDX solution seminar documents
3. STM STA328 datasheet