專利名稱：數(shù)字功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種放大器，尤其是音頻功率放大器。
音頻功率放大器是對(duì)聲音放大的一種裝置，應(yīng)用很廣泛，如電臺(tái)、廣播、電影院、汽車音響、家庭卡拉ok和影院等，與人們的工作生活關(guān)系非常密切。目前市場上和人們使用的音頻功率放大器基本都是采用甲類、乙類、甲乙類、OTL和OCL等放大電路的模擬音頻功率放大器。此類電路的功率放大器人們研究發(fā)展了數(shù)十年，也有不少優(yōu)良的電路，為音響事業(yè)作出了一定的貢獻(xiàn)。但是，由于晶體管的傳輸特性所限制，在全頻段內(nèi)的動(dòng)態(tài)范圍，無絕對(duì)的線性，必然會(huì)產(chǎn)生非線性失真。還有，所選用的元件的不對(duì)稱，也會(huì)引起失真；反饋電路、補(bǔ)償電路、電容器和電感器的響應(yīng)和變值等，都會(huì)產(chǎn)生失真，使保真度下降，音質(zhì)不理想。同時(shí)還增大整個(gè)裝置的體積，提高了成本。近年來，數(shù)字技術(shù)在音響視頻領(lǐng)域的研究及應(yīng)用發(fā)展很快，如數(shù)字視頻光盤DVD、杜比數(shù)字環(huán)繞聲AC-3、數(shù)字影院系統(tǒng)DTS和數(shù)字信號(hào)處理器DSP，以及計(jì)算機(jī)多媒和數(shù)字移動(dòng)電話的廣泛應(yīng)用等。這說明，數(shù)字電路比模擬電路更具有優(yōu)越性，并逐步取代模擬電路，在音響領(lǐng)域中，現(xiàn)在只剩下功放器和音箱(或揚(yáng)聲器)還是模擬形式，這說明是一個(gè)較大的難題，影響了數(shù)字技術(shù)在這一領(lǐng)域的發(fā)展。根據(jù)最近《電子報(bào)》及有關(guān)資料記載，英國、西班牙、荷蘭和丹麥等西方國家的有關(guān)公司對(duì)音頻數(shù)字功率放大器研究多年，至今的沒有成功的產(chǎn)品面市。日本夏普公司在1997年制造了一個(gè)完全數(shù)字化的1比特?cái)U(kuò)音/揚(yáng)聲器，在音質(zhì)、成本和體積等方面均大大優(yōu)于模擬音頻功率放大器。但是，該產(chǎn)品在技術(shù)、生產(chǎn)工藝上還有許多難題，主要是在原理上、生產(chǎn)工藝上與現(xiàn)有的系統(tǒng)完全不兼容，可以說要完全淘汰現(xiàn)有模擬放大器及揚(yáng)聲器系統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備、工藝、產(chǎn)品和消費(fèi)者現(xiàn)有的音響器材，與現(xiàn)實(shí)差距太大，不利于人們的需要。
本發(fā)明的目的是提供一種高保真、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單，與模擬音響兼容、體積小和成本低的數(shù)字功率放大器。
上述目的的數(shù)字功率放大器的輸出功率，遵循公式P(d)＝dn×P2/21+dn-1×Po/22+…d2×Po/2n-1+d1×Po/2no，其中，dn＝0或1，兩種狀態(tài)，由數(shù)字音量控制輸出脈沖決定；n＝1、2、3、4…no，n≤no，表示位從數(shù)級(jí)，確定多比特功率單元的個(gè)數(shù)，由數(shù)字信號(hào)處理器輸出的數(shù)字信號(hào)字長決定，如no＝19，則數(shù)字音頻信號(hào)的字長為20位，多比特功率單元有正負(fù)各19個(gè)不同比例級(jí)的功率單元，從1、2、3、4、5…到19個(gè)，no可為15、19、23、31等；Po為要求的最大輸出功率，由數(shù)字音量控制設(shè)定。實(shí)現(xiàn)該公式的電路包括(1)數(shù)字信號(hào)接收電路；(2)對(duì)接收的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波處理，并根據(jù)需要進(jìn)行音量控制的電路；(3)含有設(shè)定程序，對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，產(chǎn)生控制各功率單元的數(shù)字脈沖的數(shù)字信號(hào)處理器；(4)正、負(fù)單元個(gè)數(shù)相等的若干個(gè)功率單元模塊電路，其輸出是多電平，等脈寬的功率，滿足上述公式；(5)除去低頻干擾的低通濾波電路。以上各電路按照處理輸入信號(hào)的順序，輸入和輸出依序連接，構(gòu)成數(shù)字功率放大器。
上述結(jié)構(gòu)的數(shù)字功率放大器的前兩部份數(shù)字接收、數(shù)字濾波和數(shù)字音量控制在現(xiàn)有技術(shù)中都有較成熟的電路，可直接采用；其中的數(shù)字音量控制電路，因?yàn)樵跀?shù)字領(lǐng)域里處理，對(duì)音量的調(diào)節(jié)，就是對(duì)一個(gè)數(shù)字的運(yùn)算輸出結(jié)果，因此，不會(huì)產(chǎn)生時(shí)間延遲、相應(yīng)失真和新的非性線雜波，或引入干擾成份。第三部份是專用于處理數(shù)字信號(hào)，并產(chǎn)生相應(yīng)控制數(shù)字脈沖信號(hào)的微計(jì)算機(jī)芯片，含有設(shè)定的程序，其處理數(shù)字信號(hào)的效率和質(zhì)量是任何模擬電路所不能比擬的。數(shù)字信號(hào)的功率放大由正負(fù)若干位功率單元模塊組成，每一模塊功率單元都工作于恒定的功率狀態(tài)，每個(gè)模塊功率單元的工作狀態(tài)只有兩種，就是“1”輸出功率，“0”不輸出功率，每一時(shí)刻的功率輸出，與輸入的音頻數(shù)碼一一對(duì)應(yīng)，定位準(zhǔn)確，響應(yīng)是足夠的快。它們的工作狀態(tài)不同于模擬功放，無反饋電路，無補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，不會(huì)產(chǎn)生非線性失真和時(shí)間延遲響應(yīng)，幅頻響應(yīng)都可達(dá)到前所未有的高水平。若干個(gè)功率單元的輸出的等脈寬、多電平的功率在總線上合成后驅(qū)動(dòng)負(fù)載或揚(yáng)聲器。因此，本數(shù)字功率放大器，結(jié)構(gòu)簡單，選材容易，減少了一些不必要的傳輸環(huán)節(jié)，信噪比極高，失真極小，是現(xiàn)在模擬功放的換代技術(shù)和產(chǎn)品，物美價(jià)廉，滿足大眾高水平的需求。
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。


圖1所示，是本數(shù)字功率放大器原框圖。
圖2所示，是本發(fā)明的數(shù)字脈沖時(shí)序例圖。
圖3所示，是本發(fā)明多比特功率單元及功率合成的電路原理圖。
在圖1中的數(shù)字音頻輸入，可以是數(shù)字視頻光盤DVD、VCD、杜比數(shù)字環(huán)繞聲輸出AC-C、數(shù)字影院系統(tǒng)DTS等數(shù)字音頻信號(hào)源，將數(shù)字音頻信號(hào)輸給數(shù)字接收電路，數(shù)字接收電路采用現(xiàn)有技術(shù)中的集成電路CS8412(為美國型號(hào)，以下同)。數(shù)字濾波電路和音量控制電路也采用現(xiàn)有技術(shù)中的集成電路PMD100，對(duì)數(shù)字接收電路給出的信號(hào)進(jìn)行濾波和音量控制，并產(chǎn)生晶振時(shí)鐘脈沖XICLK、聲道數(shù)字信號(hào)DRO、位時(shí)鐘信號(hào)出BCRO、字時(shí)鐘信號(hào)WCRO、位時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)BCR1、字定位時(shí)鐘脈沖DG和公共地線GND等，分別輸給數(shù)字信號(hào)處理器P1016的44～38相應(yīng)的腳。其中，對(duì)音量的調(diào)節(jié)，是對(duì)一個(gè)數(shù)字的運(yùn)算輸出的結(jié)果，不會(huì)產(chǎn)生其它干擾和不良成份，所設(shè)定的音量功率為Po。數(shù)字信號(hào)處理器P1016，根據(jù)所輸入的信號(hào)，經(jīng)該處理器中設(shè)定的程序處理，產(chǎn)生控制包括各功率單元的數(shù)字脈沖，如第n位負(fù)功率輸出控制數(shù)字開關(guān)脈沖DL-n、第n位負(fù)動(dòng)態(tài)功率輸出控制數(shù)字開關(guān)脈沖SDL-n、第n位功率正輸出控制數(shù)字開關(guān)脈沖DH-n、第n位正動(dòng)態(tài)功率輸出控制數(shù)字開關(guān)脈沖SDH-n；其中n為1、2、3、…19的功率單元數(shù)，正負(fù)功率單元各有19個(gè)，每個(gè)單元負(fù)責(zé)相同寬度的信號(hào)進(jìn)行放大，并工作于恒定的功率入大狀態(tài)，單元數(shù)越多，每單元負(fù)責(zé)的信號(hào)寬度越小，音頻的還原精度愈高，保真度愈好；圖1中，在數(shù)字信號(hào)處理器P1016的兩側(cè)分別有正負(fù)各19個(gè)功率單元。功率單元的功率大小決定于根據(jù)要求所設(shè)定的輸出功率Po和數(shù)字位的位置，例如，第19位功率單元為設(shè)定輸出功率Po的1/2，而第1位則為Po/524288，在負(fù)載上得到總的輸出功率是正負(fù)各功率單元的疊加合成，滿足公式P(d)＝dn×Po/21+dn-1×Po/22+…d2×Po/2n-1+d1×Po/2no在功中，n＝1、2、3…no，no＝19；dn＝0或1，由數(shù)字音量控制輸出脈沖決定；po為要求的最大輸出功率。在圖1中，各功率單元的位和功率的大小都在每單元功率模塊上作了標(biāo)示，如負(fù)第2位功率單元，-(1/218)Po3正第18位功率單元，+(1/22)Po等。每功率單元都工作于恒定的功率狀態(tài)，每功率單元模塊都受動(dòng)態(tài)功率輸出控制數(shù)字開關(guān)脈沖SDL-n或SDH-n，以及功率輸出控制數(shù)字開關(guān)脈沖DL-n或DH-n的控制，它們的輸出通過負(fù)功率總線和正功率總線，在負(fù)載(揚(yáng)聲器)前的總線上合成，即功率合成。功率合成處，可設(shè)置低通濾波器，將一些低頻干攏信號(hào)濾去，提高信號(hào)質(zhì)量。在圖2中，舉例示意了在動(dòng)態(tài)功率輸出控制數(shù)字開關(guān)脈沖SDH-18T和SDH-19的控制下，第18和19位正功率單元的輸出，在負(fù)載上得到的合成功率的時(shí)序圖，從圖中可以看出，此功率合成是第18和19功率單元輸出的疊加。
在圖3中，在正負(fù)各19個(gè)功率單元中任選了正負(fù)各一個(gè)功率單元電路來說明其工作原理，其余的正負(fù)功率單元電路各自相同，并一起說明功率合成的工作過程。在圖中的第n位負(fù)輸出功率單元，由兩個(gè)NPN晶體管N2和N3、一個(gè)PNP晶體管P3、電阻R2和R3、恒流源(1/2n)I。組成，其中Io是上述設(shè)定音量功率Po中的電流。三個(gè)晶體管N2、N3和P3的發(fā)射極連接在一起；晶體管N3的集電極接負(fù)載RL一端，基極接數(shù)字信號(hào)處理器P1016的第n位負(fù)功率輸出控制數(shù)字開關(guān)脈沖DL-n的輸出端，該基極還與一反相器的輸入端連接(圖中未畫出)。晶體管N2的集電極通過電阻R2接正電源，基極接晶體管N3基極所接反相器的輸出端，即與負(fù)功率輸出控制數(shù)字脈沖DL-n反相，為脈沖DL-n。晶體管P3的基極通過電阻R3接數(shù)字信號(hào)處理器P1016的第n位負(fù)動(dòng)態(tài)功率輸出控制端，集電極接恒流源(1/2n)Io的輸入端，該恒流源的輸出接公共地。在三個(gè)晶極管N2、N3和P3基極輸入端的左側(cè)，是表示各輸入端的輸入脈沖時(shí)序圖，從時(shí)序圖可知，該功率單元電路的工作原理，晶體管P3為負(fù)功率預(yù)加速數(shù)字動(dòng)態(tài)功率開關(guān)，晶體管N3為負(fù)功率輸出開關(guān)，晶極管N2為功率旁路開關(guān)；當(dāng)無負(fù)功率加速數(shù)字動(dòng)態(tài)功態(tài)開關(guān)脈沖時(shí)，晶體管P3和N3關(guān)斷，晶體管N2導(dǎo)通，恒流源不工作，無功率輸出；當(dāng)有負(fù)動(dòng)態(tài)功率開關(guān)脈沖時(shí)，即脈沖SDL-n＝-1，晶極管P3先導(dǎo)通，起到預(yù)加速的作用，晶體管N2原導(dǎo)通，恒流源(1/2n)Io啟動(dòng)，電流從電阻R2到晶體管N2和P3，經(jīng)恒流恒(1/2n)Io到負(fù)電流源，負(fù)功率輸出控制脈沖DL-n＝1到晶體管N3基極時(shí)，電流源已經(jīng)穩(wěn)定，并達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，晶體管N3通導(dǎo)，晶體管N2基極輸入脈沖DL-n＝-1，晶體管N2關(guān)斷，電流從負(fù)載RL到晶體管N3和P3，經(jīng)恒流源(1/2n)Io到負(fù)電源，即晶體管N3對(duì)負(fù)載RL有輸出，在負(fù)載上得到負(fù)向的功率。輸出結(jié)束時(shí)，先關(guān)斷晶體管N3，后關(guān)斷晶體管P3，保證輸出電流的平穩(wěn)、準(zhǔn)確。以上由晶體管N2、N3和P3，以及電阻R2、R3和恒流源(1/2n)Io構(gòu)成的電路叫多比特負(fù)功率單元電路。由于所需的輸出功率較大，如100～300W或更大，多比特功率單元中的晶體管P3、N2和N3常工作在高壓大電流的狀態(tài)，這就要求所述晶體管有高耐壓(300V以上)、大電流(10A以上)的特性，也可以這么說，如果需要大功率的輸出，只需在未n位多此特功率單元電路選用高耐壓大電流的晶體管即可。需要說明的是多比特功率單元電路一般都做成模塊，簡化結(jié)構(gòu)，方便使用。同理，正功率單元由NPN型晶體管N1、PNP型晶體管P1和P2、電阻R1和R4、恒流源(1/2n)Io構(gòu)成；恒流源的輸入端接正電流，輸出接晶體管N1的集成電極；晶極管N1的基極通過電阻R4接數(shù)字信號(hào)處理器P1016的第n位正動(dòng)態(tài)功率輸出控制端，發(fā)射極與晶體管P1和P2的發(fā)射極連接。晶極管P1的基極接信號(hào)處理器P1016的第n位正功率輸出開關(guān)脈沖輸出控制端，基極還與一個(gè)在圖中未畫出的反相器的輸入端相接，集電極接負(fù)載RL。晶體管P2的基極接晶體管P1基極所接的反相器的輸出反相端，集電極通過電阻R1與負(fù)電源相接。在三個(gè)晶體管基極輸入端的右側(cè)有其相應(yīng)的脈沖時(shí)序圖。上述結(jié)構(gòu)的正功率單元電路叫多比特正功率單元電路，其工作原理與多比特負(fù)功率單元的相同，只是在負(fù)載RL上得的功率為正向的功率而已。當(dāng)然，在負(fù)載RL的電路上，為了消除一些低頻干擾信號(hào)，可接入低通濾波元件或器件，進(jìn)一步提高輸出功率的質(zhì)量。
本數(shù)字功率放大器是這樣工作的數(shù)字音頻信號(hào)由數(shù)字接收電路接收，經(jīng)數(shù)字濾波和數(shù)字音量控制電路后，產(chǎn)生的各種信號(hào)，送數(shù)字信號(hào)處理器處理，產(chǎn)生控制各多比特正負(fù)功率單元的數(shù)字脈中DL-n、SDL-n、DH-n和SDH-n，各多比特正負(fù)功率單元根據(jù)音量控制所設(shè)定的音量功率大小，工作于恒定的功率狀態(tài)，對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行放大，各功率單元按輸入的數(shù)碼順序，一一對(duì)應(yīng)放大與合成，再經(jīng)低通濾波，最后驅(qū)動(dòng)負(fù)載或揚(yáng)聲器，即聲音放大后還原。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字功率放大器，包括數(shù)字接收電路、數(shù)字濾波和音量控制電路，其特征在于還包括(1)含有設(shè)定程序，按程序處理輸入信號(hào)，輸出包括控制各多比特正負(fù)功率單元的數(shù)字脈沖的數(shù)字信號(hào)處理器；(2)個(gè)數(shù)相等的若干個(gè)正負(fù)多比特功率單元，各功率單元的合成功率滿足P(d)＝dnPo/21+dn-1×Po/22+…+d2×Po/2n-1+d1×Po/2no公式，其中，dn＝0或1，兩種狀態(tài)，由數(shù)字音量輸出脈沖決定；n＝1、2、3…no自然數(shù)，n≤no，no可為15、19、23、31等，確定多比特功率單元的個(gè)數(shù)；Po為要求的最大輸出功率，由數(shù)字音量控制設(shè)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字功率放大器，其特征在于各負(fù)多比特功率單元均由兩個(gè)NPN型晶體管(N2和N3)、一個(gè)PNP型晶體管(P3)、兩個(gè)電阻(R2和R3)和一個(gè)恒流源構(gòu)成；三個(gè)晶體管的發(fā)射極相互連接，晶體管(N2)的集電極通過電阻(R2)接電正源，基極接一個(gè)反相器的輸出端；晶體管(N3)的集電極接負(fù)載(RL)，基極接數(shù)字信號(hào)處理器的負(fù)功率輸出控制端，基極還接晶體管(N2)基極所接反相器的輸入端；晶體管(P3)的集電極接恒流源的輸入端，基極通過電阻(R3)接所述數(shù)字信號(hào)處理器的負(fù)動(dòng)態(tài)功率輸出控制端；恒流源的輸出端接負(fù)電源；各正多比特功率單元均由兩個(gè)PNP型晶體管(P1和P2)、一個(gè)NPN型晶體管(N1)、兩個(gè)電阻(R1和R4)、和一個(gè)恒流源構(gòu)成，三個(gè)晶體管的發(fā)射極相互連接，晶體管(N1)的集電極接恒流源輸出端，基極通過電阻(R4)接所述數(shù)字信號(hào)處理器的正動(dòng)態(tài)功率輸出控制端；恒流源的輸入接正電源；晶體管(P1)的集電極接負(fù)載(RL)，基極接所述數(shù)字信號(hào)處理器的正功率輸出控制端，基極還接一個(gè)反相器的輸入端；晶體管(P2)的集電極通過電阻(R1)接負(fù)電源，基極接晶體管(P1)基極所接反相器的輸出端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數(shù)字功率放大器,包括數(shù)字接收電路、濾波和音量控制電路,以及數(shù)字信號(hào)處理器和個(gè)數(shù)相等的若干個(gè)正負(fù)多比特功率單元組成,其特征是數(shù)字信號(hào)處理器按照設(shè)定的程序處理輸入信號(hào),輸出控制若干個(gè)正負(fù)多比特功率單元的脈沖信號(hào);所述的功率單元相互獨(dú)立工作,輸出穩(wěn)定,負(fù)載的總功率為各多比特功率單元功率的合成。本發(fā)明輸出的功率與輸入的音頻數(shù)碼一一對(duì)應(yīng),響應(yīng)迅速,保真度高,結(jié)構(gòu)簡單,是模擬功放的換代產(chǎn)品。
文檔編號(hào)H03F3/21GK1248819SQ9911667
公開日2000年3月29日 申請(qǐng)日期1999年9月21日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月21日
發(fā)明者甘云飛, 區(qū)揚(yáng) 申請(qǐng)人:玉林市飛揚(yáng)電子有限公司