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1BIT全数字音频功率放大系统电子科技大学微电子研究所2000/9/121（一）、概述一、数字功放的意义及应用数字变换技术是２１世纪发展的重要领域之一，较模拟变换技术更具有广泛的应用需求和强大的生命力。目前的视听产品（如CD、LD、VCD、DVD、电脑音响、家庭影院等）和通讯产品（如手机）的音频功率放大系统，均采用D/A变换技术，它存在信号失真、效率低、抗干扰性差等问题；较之而言，数字功放是新一代高保真、低功耗的全数字功率放大系统。具有以下显著优点：高保真、高效率、高过载能力与高功率储备能力、功放和扬声器的匹配好、声像定位好、升级换代容易、生产调试方便等，且与未来的全数字式音频广播、高清晰度电视的发展趋势相匹配。既可采用现有的CD机（或DVD机）、DAT（数字录音机）、PCM（脉冲编码调制录音机）作为数字音源，又具备模拟音频输入接口，兼容现有的模拟音源，因此具有广阔的市场:1、视听产品市场数字功放高品质的特性必将使其引起相关视听产品的更新换代，它将拥有上千亿的市场。如家庭用CD、LD、VCD、DVD、电视机音响、电脑音响、家庭影院等；公共场所用音响系统如：会议室、音乐厅、电影院、广场、火车站、机场用功放系统等等，这方面预计将有数千亿的产值。1997年全国音响设备的整机销售量及其实际市场统计数据如表1所示（单位：万台）。表11997年全国音响设备的整机销售量及其实际市场ＶＣＤＣＤ汽车收音机收录机音响彩电电路３００１０００７００３０００４０００２０００我们仅家庭拥有情况来计算，按一个家庭拥有一套上述视听产品，每套视听产品用数字功放系统价值2000元，全国3亿家庭，即是6000亿元产值。2、便携产品市场数字功放效率高、耗能少的特性必将使其广泛应用与便携产品市场。如：移动通讯产品（如手机）、便携式电脑、发音电子字典、复读机、汽车火车等交通工具用音响、便携式收音机、随身听、便携式CD机等等。根据信息产业部计算机与微电子研究中心（CCID）的统计，便携式多媒体电脑的销售2量为29.8万台，销售额58.7亿元。多媒体电脑的销售趋势是每年以大于20%的速率增长，可见仅便携式多媒体电脑一项便是一个十分巨大的市场。根据以上统计数字，按每台便携式多媒体电脑采用300元小功率数字音频功放系统计算，则仅便携式多媒体电脑用全数字小功率音频功放系统每年拥有大约一亿元的市场。3、未来的全数字系统市场全数字化功放将使其与未来的数字音频广播、高清晰度数字电视产品融为一体，成为3G新兴产业的重要组成部分，这方面的产值会在５００亿以上。多媒体电脑与上述家电产品的结合是今后电脑和家电产品发展的必然趋势。目前国内的上海市已经在开展三网合一工程，将互联网、有线电视网、通讯网合三为一。三网合一必须用到多媒体电脑，所以全数字多媒体电脑音频功放今后必然融入上述家电，拥有更大的市场。二、数字功放的特点1、高保真。数字功放的交越失真、失配失真和瞬态互调失真均小。晶体管在小电流时的非线性特性会引起模拟功放在输出波形正负交叉处的失真（小信号时的晶体管会工作在截止区，此时无电流通过，导致输出严重失真）称为交越失真，交越失真是模拟功放天生的缺陷；而数字功放只工作在开关状态，不会产生交越失真。模拟功放存在推挽对管特性不一致而造成输出波形上下不对称的失配失真，因此在设计推挽放大电路时，对功放管的要求非常严格，即使如此也未必能够做到完全对称。而数字功放对开关管的配对无特殊要求，无须严格匹配；模拟功放为保证其电声指标，几乎无一例外都采用负反馈电路，在负反馈电路中，为抑制寄生振荡，采用相位补偿电路，从而会产生瞬态互调失真。数字功放在功率转换上无须反馈电路，从而避免了瞬态互调失真。2、高效率，可达７５％～９５％。由于数字功放采用开关放大电路，效率极高，可达７５％～９５％（模拟功放一般仅为３０％～５０％，甚至更低），在工作时发热量非常小。功率器件均工作在开关状态，因此它基本上没有模拟功放的静态电流损耗，所有能量几乎都是为音频输出而储备，而且瞬态响应好。3、过载能力与功率储备能力强数字功放电路的过载能力远远高于模拟功放。模拟功放分为A类、B类或ＡＢ类等几类功率放大电路，正常工作时功放管工作在线性区；当过载后，功放管工作在饱和区，出现削顶失真，失真呈指数级增加，音质迅速变坏。而数字功放在功率放大时一直处于饱和区和截3止区，只要功率管不损坏，失真度不会迅速增加。4、功放和扬声器的匹配好由于模拟功放中采用的功放管内阻较大，所以在匹配不同阻值的扬声器时，模拟功放电路的工作状态会受到负载（扬声器）大小的影响。而数字功放的输出电阻不超过０.２欧姆（开关管的内阻加滤波器内阻），相对于负载（扬声器）的阻值（４～８欧姆）完全可以忽略不计，因此不存在于扬声器的匹配问题。5、声像定位好对模拟功放来说，输出信号和输入信号之间一般都存在着相位差，而且在输出功率不同时，相位失真亦不同。而数字功放采用对数字信号进行放大，使输出信号与输入信号完全一致，相移为零，因此声像定位准确。6、生产调试方便模拟功放存在着各级工作点的调试问题，不利于大批量生产。而数字功放大部分为数字电路，一般不需要调试即可正常工作，特别适合大规模生产。三、国内外技术发展状况及特征国外对数字音频功率放大器领域进行了二十年的研究。在六十年代中期，日本研制出8bit的数字音频功率放大器；1983年，国外提出了D类（数字）PWM功率放大器的基本结构。但是这些功放仅能实现低位D/A功率转换，若要实现16bit、44.1kHz采样的功率放大器，其末级时钟则约需2.8GHz，显然无法实现。此后，研究的焦点在于降低其时钟频率。近年来随着超大规模集成电路（VLSI）技术的进步，在数字音频小信号处理技术方面取得了显著的进步，主要解决了多级噪声整形技术、比特流技术、CIRC解码和纠错处理技术，内插和静音处理技术、超取样数字滤波技术等等。在这方面国外大公司在80年代末90年代初开始推出其IC芯片产品。如：松下公司的MN系列、AD公司的ADSP2100系列、T&T公司的DSP32系列、摩托罗拉公司的DSP5600系列等等。目前，荷兰的PHILIPS公司与日本的SHARP公司均研制出了1BIT数字功放并成功投放市场；国内则有天奥集团公司的1BIT数字功放也于近期正式投放市场。天奥公司的1BIT数字功放在数字信号处理部分采用FPGA芯片及超取样数字滤波及△-∑调制等电路。四、本电路特点本电路为1BIT全数字功率放大电路，与国内现有的产品相比，具有以下特点：1、采用自行开发有自主知识产权的超大规模集成电路。该电路采用8倍超取样数字滤4波，多级噪声整形和△-∑调制，13级到24级PWM信号输出的方案,保证了整个系统的频响特性。2、可兼容不同BIT数和不同格式数字音频信号。数字信号选择器可实现对数字音频信号BIT位数识别（16BIT-24BIT），接口格式识别，系统取样率识别等功能。3、功放级采用了自行研制的数字功放专用高速平衡桥驱动电路。该电路采用了先进的窄脉冲及死区技术，为系统高速稳定的运作提供了有力的保障。5（二）、1BIT全数字音频功率放大器方案全数字音频功放是直接通过光纤和数字同轴电缆从数字音源接口接收数字PCM音频信号，输入模拟音频信号时先经过内置的A/D转换成数字信号后在进行处理，在整个信号处理和功率放大过程中，全部采用数字方式，只有在功率放大后为了推动音箱才转化为模拟信号。一、技术性能输入接口：I2R，S/P，模拟信号比特字长：16BIT~24BIT频率响应：20Hz~20KHz信噪比：≥96dB(16BIT)总谐波失真：≤0.02%(THD+N)动态范围：98dB~146dB(16~24BIT)互调失真：≤0.04%负载阻抗：4Ω~8Ω二、工作原理经分析比较给出1BIT全数字音频功率放大器方案，其框图见图1本方案允许数字音频信号和模拟信号输入。模拟信号输入时经过低通滤波后进入ADC信号选择器信号选择器低通滤波和A/D转换低通滤波和A/D转换数字信号模拟信号数字信号接收与转换数字信号接收与转换数字信号处理数字信号处理1BIT功放1BIT功放低通滤波低通滤波16bit1bitpwm模拟信号音箱图11BIT全数字音频功率放大器框图6完成AD转换后进行编码，最后进入数字信号选择器。该功能可由CS8402A和CS5390完成。数字信号选择器可完成对多路数字信号的选择。选中的多BIT数字音频信号进入数字信号接收和转换电路。完成对数字音频信号BIT位数识别（16BIT-24BIT），接口格式识别，系统取样率识别，同轴复合音频数码信号转换串行音频数字信号等功能。该部分由YM3623B或类似的CS8412,CS8414，TDA1315电路完成。数字信号处理主要完成将多BIT信号转换成1BIT信号，并以PWM形式输出。该电路是整个系统的核心。贵公司寄来的材料中采用SM5871（IC17）电路实现，但迄今我们尚未查到该电路。我们拟采用SM5872完成其功能，进一步考虑到改进数字信号处理算法以提高整机性能和降低成本的需要，我们正着手自行开发有自主知识产权的超大规模集成电路。该电路采用8倍超取样数字滤波，多级噪声整形和△-∑调制，13级到24级PWM信号输出的方案。其功能与SM5872一致，且指标将优于SM5872。详细方案和与SM5872的指标比较将在专门的技术报告中给出。1BIT功放级是整个系统的另一个核心部分，采用本单位研究成果“D类功放专用全桥驱动电路和平衡桥电路”完成。该电路采用了窄脉冲电平位移技术，开关噪声抑制技术和提高功率桥可靠性的死区产生技术。低通滤波器采用四阶巴特沃斯低通滤波器，用于将大功率数字脉冲信号转换为模拟音频信号。巴特沃斯低通滤波器的特点是带内平坦度高，从而使得输出音频信号幅频特性较好。三、仿真要求仿真工作重点在于对影响整机性能指标的数字信号处理部分、1BIT功放部分和输出级低通滤波部分进行分析。其中数字处理部分的方案和算法将很大程度上决定了信噪比的重要参数；1BIT功放部分和输出级低通滤波部分的电路设计和优化是进一步提高整机指标的关键，因此应将上述几部分联合起来仿真分析。7（三）、模拟信号的低通滤波部分设计与仿真一、.原理分析低通滤波器的主要作用：削弱高次谐波及频率较高的干扰和噪音。有补偿作用的反相放大器的主要作用：防止自激振荡和反相放大。输入信号低通滤波的原理图为图2：in１m１x１out１x３zin２out２m２x２图2低通滤波原理图输入信号Ｓ（ｎ）经过二次低通滤波输出信号为ＯＵＴ１，ＯＵＴ２。比较，得△Ｙ，进行反相放大，得信号Ｘ３。Ｘ１＝Ｍ１－Ｘ３，Ｘ２＝Ｍ２－Ｘ３。对Ｘ１，Ｘ２进行有源低通滤波，得输出信号。二、器件参数1、TL071,TL072,TL074低噪声JFET输入运算放大器，为了低输入失调电压，每个内部补偿的运算放大器，该器件所表现的低噪声的低谐波失真使之成为高保真音频放大器应用的理想器件。.低输入噪声电压：18nV/Hz（典型）.低谐波失真：0.001%(典型).低输入偏置和失调电流.高输入阻抗：1012Ω（典型）.高转换速率：13V/μs(典型).宽增益带宽：4.0MHz(典型).低电源电流：每个放大器1.4mA2、AD711美国模拟器件，同类替代品LF411系列。LF411C,LF412C低失调,低漂移JFET输入运算放大器。.低输入失调电压最大值：2.0mV最大值(单)3.0mV最大值(双).低温度系数的输入失调电压：10Μv/℃.低输入失调电压：20pV.低输入偏置电流：60pA.低输入噪声电压：18nV/Hz低通反相放大低通低通低通8.低输入噪声电流：0.01pA/Hz.低的总谐波失真：0.05%.低的电源电流：2.5mA.高输入电阻：1012Ω.宽的增益带宽：8.0MHz.高转换速率：25V/μs(典型值).快速建立时间：1.6μs(在0.01%内)三、电路分析1、有源低通滤波器如图3所示：图3有源低通滤波器CRf202112//1RCRAu注：实际仿真时的电容值为800pF2、有补偿作用的反相放大器如图4所示：图4有补偿作