请问怎么设计一款数字音频功率放大器？

　　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。