基于DDX技術(shù)的全數(shù)字功放解決方案

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(diǎn)，以及如何利用DDX音頻放大器進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(duì)數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行功率放大而不需要進(jìn)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(duì)接，實(shí)現(xiàn)端到端的純數(shù)字音頻處理和放大等優(yōu)點(diǎn)。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(hào)，采用專利的DDX信號(hào)處理技術(shù)來控制高效的功率器件，不需要為每個(gè)聲道準(zhǔn)備D/A轉(zhuǎn)換器，從而減少了中間不必要的轉(zhuǎn)換層級(jí)，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(zhǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域，如平板電視機(jī)、無線產(chǎn)品和個(gè)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(gè)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(hào)輸出；第二部分是功率輸出級(jí)，它包括三態(tài)驅(qū)動(dòng)邏輯電路和全橋電路。經(jīng)過三態(tài)調(diào)制的脈沖信號(hào)控制全橋電路中晶體管的導(dǎo)通與截止，在負(fù)載的兩端產(chǎn)生極性相反的脈沖信號(hào)，脈沖的頻率成份包含還原的音頻信號(hào)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(jí)和揚(yáng)聲器之間插入一個(gè)低通濾波器，避免高頻分量直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，從而在揚(yáng)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(dòng)方式和調(diào)制方式

DDX音頻放大器的輸出級(jí)采用全橋電路，它包含兩個(gè)半橋輸出級(jí)。每個(gè)半橋電路包括兩個(gè)輸出晶體管，一個(gè)是連接到正電源的高端功率管，另一個(gè)是連接到負(fù)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(hào)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(hào)控制兩個(gè)半橋電路中功率管的導(dǎo)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(fù)載電流從一個(gè)半橋流入，從另一個(gè)半橋流出，為濾波器提供極性相反的脈沖信號(hào)，因此只存在正態(tài)和負(fù)態(tài)這兩種差分工作狀態(tài)。

圖2  DDX驅(qū)動(dòng)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(gè)共模工作狀態(tài)，即兩個(gè)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(gè)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(fù)態(tài)之間的開關(guān)。當(dāng)音頻信號(hào)處于低功率水平的時(shí)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(fù)抵消的無用信號(hào)給濾波器和揚(yáng)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(fù)態(tài)用于對(duì)揚(yáng)聲器提供大功率。在相同測(cè)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(shí)的放大器效率提高了20%。DDX三態(tài)調(diào)制方案的獨(dú)有特性也改善了電源抑制比(PSRR)，因?yàn)樵诘凸β仕綍r(shí)，濾波器的差分動(dòng)作非常小，陰尼態(tài)使揚(yáng)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(fù)反饋環(huán)路以改善器件的線性，通過控制環(huán)路對(duì)輸出進(jìn)行校正，以減少失真問題和電源問題。閉環(huán)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是以可能出現(xiàn)的穩(wěn)定性問題為代價(jià)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(jì)，即使在驅(qū)動(dòng)低阻抗揚(yáng)聲器的時(shí)候也不會(huì)產(chǎn)生放大器的穩(wěn)定性問題。同時(shí)，利用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)(DSP)，對(duì)預(yù)期的輸出級(jí)誤差進(jìn)行預(yù)補(bǔ)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€(gè)通道音頻信號(hào)獨(dú)立地編程，進(jìn)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(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行編程來實(shí)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(jià)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(dú)立的設(shè)計(jì)，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(gè)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(jì)，即集成了DDX控制和音頻功率放大器功能，同時(shí)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(shí)際需要進(jìn)行靈活地選擇和搭配組合。

參考設(shè)計(jì)方案-平板電視專用音箱

下面我們以意法半導(dǎo)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(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(yù)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(hào)；
*接收光纖和同軸接口的真數(shù)字編碼音頻信號(hào)(立體聲PCM)；
*紅外線遙控。

隨著平板電視設(shè)計(jì)變得更薄，揚(yáng)聲器變得更小，機(jī)箱聲學(xué)特性越來越不理想，修正音頻信號(hào)變得十分重要。我們?yōu)槠桨咫娨曉O(shè)計(jì)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(yáng)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(jìn)行操作，意法半導(dǎo)體(STM)- ST72324作為人機(jī)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(yīng)的控制命令。

另外，ASAHI KASEI MICROSYSTEMS (AKM)- AK4113是一個(gè)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(hào)，然后轉(zhuǎn)化為PCM音頻信號(hào)，通過I2S總線輸出，可以支持高達(dá)216KHz的采樣率；AKM - AK5358A是一個(gè)高性價(jià)比的24位立體聲A/D轉(zhuǎn)換器，把立體聲模擬音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為PCM音頻信號(hào)，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(hào)源，為DDX音頻放大器STA328提供PCM數(shù)字音頻信號(hào)。設(shè)置STA328的輸出級(jí)為2.1通道(2×40W+1×80W)，搭配相應(yīng)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(hào)。

由于是針對(duì)平板電視這樣的顯示播放平臺(tái)，當(dāng)面臨多個(gè)高清內(nèi)容源的輸入選擇時(shí)，大多數(shù)平板電視的HDMI接口在使用上就會(huì)顯得不方便，因此我們加入了英特矽爾(Intersil)-ISL54100。它是一個(gè)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(hào)，而且具有重新整理功能，通過一個(gè)內(nèi)置的鎖相環(huán)進(jìn)行重新同步調(diào)整和均衡，可有效恢復(fù)因線材物理上的問題造成的信號(hào)衰變，能將高清信號(hào)傳輸距離延長(zhǎng)15米。

結(jié)語(yǔ)

利用DDX音頻放大器對(duì)數(shù)字音源輸出的音頻信號(hào)進(jìn)行直接處理和放大，可以方便地實(shí)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(xiàn)：
1. Apogee DDX application documents
2. STM DDX solution seminar documents
3. STM STA328 datasheet