采用直接数字放大技术的纯数字功放

采用直接数字放大技术的纯数字功放
摘要:采用直接数字放大技术,设计了基于DPPC2006的数字音频功率放大器,该系统采用高速VMOSFET构成H桥互补对称结构,控制功能由AT89S51实现.测试结果表明:该系统最大不失真输出率大于6W,平均效率可达73.24%,性价比较高。
关键词:数字功放;DPPC2006;PWM;AT89S51 

        引言

        随着电子产品的数字化进程不断演进,音响设备(尤其是其中的关键产品功率放大器)的数字化也提上了日程。目前市场上很多功放产品都打出了“数字”的旗号,但其中有很多只是对产品进行了一些数字化处理,严格意义上只能称作数字化功放,真正的音频信号还是模拟的.数字功放是指在信号的处理过程中采用的是数字音频信号,用开关的方式放大信号.数字功放最大的特点是效率高,对电源及散热的要求大大降低,此外还有输出功率大、频响宽、体积小、信噪比高等优点。笔者设计了一款采用直接数字放大技术,通过专用音频信号处理芯片DPPC2006处理,再经由高速VMOSFET组成的H桥互补对称电路放大的纯数字功放。

        电路构成 

        本方案由前、后级构成,前级由DPPC2006处理输入的数字信号转换成PWM波输出,后级由高速VMOSFET组成的H桥互补对称放大电路及低通滤波器组成.同时用模数转换器(ADC)CS5333实现对模拟信号的兼容,由单片机AT89S51完成音量调节、显示、声道、静音等控制功能.整机组成见图1。

图1 基于DPPC2006的数字音频功率 

        芯片工作原理 

        数字功放处理芯片DPPC2006是具有我国完全自主知识产权的Hi-Fi级全数字6通道音频功放编码处理芯片。该芯片具有6通道全数字(PCM)输入和独立脉宽编码(PWM)输出;每声道音量可独立调整,124级增减可调;352.8kHz或384kHz高速开关频率;支持24bit多脉宽脉冲差值编码、噪声整形、平衡电桥等技术;6通道数据输入,采样率支持32kHz~768kHz;内置S/PDIF接收器,采样率支持44.1kHz~96kHz;内置输入数据组选择电路;供电+3V~+5.5V;封装形式为QFP100A. 

        主要技术指标 
        频率响应±0.5dB(20Hz~20kHz);动态范围95dB;总谐波失真<0.02%. 该芯片能直接接收CD,DVD等数字音源输出的同轴或光纤数字音频信号,全数字信号放大处理,单颗IC可以放大6个声道,前后级分开,后级采用不同的MOSFET,可实现不同的输出功率.用DPPC2006构成的数字功放电路简单、功能完善,其输入可以分别选择光纤和同轴的数据,也可选择CD,VCD,DVD等产品内部的DATA,BCK和LRCK格式的数据,还可支持高采样率的数据输入;没有数字信号输入的地方,外接音频A/D转换器后也可以输入DPPC2006供选用,应用非常灵活。

       模拟信号的兼容 
        
        为了与普通的模拟信号兼容,DPPC2006的数字输入接口可以接收串行ADC输出的数据.只要符合图2所示格式的数字音频数据输入即可正常工作(左右对齐由DPPC2006的MO脚配置选择).本方案中采用CIRRUS公司推出的26bit,96kHz立体声音频专用模数转换器CS5333。 

图2 串行音频数据格式 

        后级PWM放大 

        完整的后级PWM放大由MOS管H桥互补对称放大电路和低通滤波器(LPF)构成,实际电路如图3所示(图中只有一个通道).图中R307、C303、L303、C307、C308为EMC元件;L301、L302、C304为滤波电路;R308、C305为音箱匹配电路。

        1)H桥放大电路.这里U6为FET的输入驱动器,电路中用74HC541或天奥的DB802芯片.选用不同电流的MOSFET,即可得到80W~300W的输出功率. 

图3 后级PWM放大电路 

        2)低通滤波器.采用二阶LC滤波器,要求滤波器上限频率≥20kHz,在通频带内特性基本平坦。经用EWB仿真软件进行仿真,得到L、C的较佳参数为L301=L302=22μH,C304=0.47μF。

        功能控制 

        对DPPC2006的控制由51系列单片机AT89S51实现,完成对芯片模式设置、通道选择、音量控制及显示等功能的操作。该单片机带有ISP(在系统可编程)功能,可以直接通过下载线进行在线开发,使用非常方便.单片机控制程序流程如图4所示。
图4 单片机控制程序流程图 

        波形及测试结果

        1)PWM波形:PWM输出波形如图5所示.图中a)为未调制的PWM输出波形,b),c)为已调制的PWM输出波形.从图5可以看出,输入信号幅度的变化已变换成输出脉冲宽度的变化. 

        2)电源效率.电源效率见表1.由表1可知,平均效率η=(76.8+66.0+76.9+68.8+7717)%/5=73.24%.由测试数据可知,与传统模拟功放相比,数字功放的效率大大提高,功放的效率和最大不失真输出功率与理论计算值还有一定的差别,这是由H桥输出电路、驱动电路等存在静态损耗引起的,特别是小功率输出时影响更为明显。


图5 DPPC2006芯片PWM输出端波形 

        结语 

        本系统以采用直接数字放大技术(DDX)的专用数字音频信号处理放大芯片DPPC2006为核心,可直接输入S/PDIF同轴或光纤数字信号.经过内部运算,将PCM信号转化为PWM信号输送给高速VMOSFET管构成的互补对称H桥电路放大,输出放大后的双通道音频信号。同时预留扩展接口,输入兼容普通模拟信号,输出可以非常方便地扩展到环绕6声道。通过使用不同的MOSFET,很容易得到80W~300W的输出功率,理论上平均效率可达到90%以上,甚至后级放大管完全不需散热片。使用单片机进行灵活控制,实现静音、数字音量调节、显示等功能.可以应用于DVD机内置功放、汽车功放、高档桌面组合音响、计算机多媒体和各种多通道AV功放设计,性价比极高,具有很广阔的应用前景。

    本文可能所用到的IC型号: REF02DJ LM1111 BUT56A BTB06-600T MB7132Y NTD20N06LG FDH50N50