數字音頻功率放大器的基本原理及市場分析

摘 要：近年來，隨著集成電路集成度、時鐘頻率、功耗、面積等性能的提高，很多尚未數字化的領域也在逐步加入到數字化行列，分享數字化帶來的各種優勢。在整個數字化過程中，模擬部分僅剩下功率放大和揚聲器。因此，數字化處理后的語音信號到達模擬功率放大器之前，必須進行D/A轉換，以便被功率放大器放大。從完全數字化的進程看，功率放大器數字化模塊勢在必行。本文通過對數字音頻功率放大器的原理分析，探討了相關產品的關鍵技術，闡述了數字音頻功率放大器產品的市場應用前景。

關鍵詞：基本原理；關鍵技術；市場前景

一、引言

隨著數字存儲技術的日臻完善，絕大多數的音源已經以數字形式存儲，模擬功率放大器效率低的缺點也越來越明顯，而數字音頻功率放大器以其獨有的高效率受到了越來越多的重視。數字音頻功率放大器早在20世紀70年代中期就已經問世，由于受到大功率開關技術不成熟的限制，未能得到廣泛應用。近年來，隨著開關技術和輸出解調濾波技術的成熟，數字音頻功率放大器得到了快速發展。以TI公司為代表的國外電子廠商已推出了實用化的數字音頻功率放大器產品，并迅速占領了世界音頻功率放大器的小功率市場。

目前，數字音頻技術已簡化到一兩個芯片，制造成本大大降低，在價格上能夠與模擬音頻功率放大器相當。1995年，日本松下電器公司利用A/D轉換器原理，開發出PDM方式的數字音頻功率放大器。1998年，TI公司采用集成電路技術，推出面向高端用戶的數字放大器。Maxim公司、國家半導體公司、索尼公司等，也相繼推出了數字音頻功率放大器產品。

二、數字音頻功率放大器的基本原理

數字功率放大器的主要部分是前端的數字信號處理，以實現把多比特數字信號（如PCM編碼）變換成1bit的脈寬調制（PWM）信號流輸出。用PWM信號來控制后端的H橋MOSFET功率管的導通和截止，實際上也就實現了對PWM控制信號的能量放大。放大了的PWM信號流在通過一個低階的無源低通濾波器，濾除高頻部分，理論上無失真地還原了模擬音頻信號并送揚聲器發聲。

為了將16bit的PCM信號轉換成1bit的PWM信號，在理論上1bit調制器在每一個變換周期內要執行二的十六次方觸發。因此在44.1kHz的取樣頻率下，1bit量化器的時鐘頻率達2.9GHz，這對于目前的技術來講是不實際的。如果降低傳輸速率來滿足硬件的限制，噪聲級又增加了。為解決這些問題，采用了N倍過取樣濾波和噪聲整形技術，來提高取樣頻率和降低量化噪聲。

三、數字音頻功率放大器產品的關鍵技術

1.輸入PCM信號變換成PWM信號的比特變換技術。對于數字音源，采用能實現全數字鏈接的數字音頻功率放大器為主要發展方向。比特變換電路是為了把再量化噪聲移至頻帶的高端和減少比特壓縮引起的信噪比惡化而使用的多比特調制器，目的是減小失真而不必引入負反饋。如果采用PDM方式，為確保相同的信噪比和動態范圍，使用的開關頻率比PWM方式的要高，開關頻率高達數MHz，必須使用輸入電容小的開關器件。

2.布線設計技術。開關電路的抗電磁干擾（EMI）設計以及熱設計在保證產品性能方面起著至關重要的作用。因此，模塊電路的布局、布線設計顯得極為重要，必須保證最小的干擾和最優的熱分布。

3.輸出濾波器設計技術。總諧波失真（THD）主要是由電路的非線性引起的，通過輸出低通濾波器的平均作用，可以使D類放大器的THD系數<1%。另外，數字音頻功率放大器工作在開關狀態，容易產生聲音發硬、干澀等失真問題。因此，低通濾波器的設計直接影響著數字音頻功率放大器的性能。在低通濾波器設計時，必須選擇最恰當的截止頻率，達到最佳的濾波效果，并具有盡量低的功耗。

四、數字音頻功率放大器的市場分析

與傳統的模擬功率放大器相比，數字音頻功率放大器具有以下優點：（1）高效率，這是最為突出的優點，一般都在90%以上；（2）可以使用開關電源供電；（3）以純數字化結構完成了音頻信號的鏈接，大大提高了音源的音質；（4）可以用軟件實現調試；（5）功率越大（40 W以上），其成本優勢越明顯。

由于其關鍵技術指標均能滿足Hi-Fi音響的要求，又具有以上的優點，必然會成為未來音頻功率放大器市場中的主流產品。

1.市場前景。中小功率以下的數字音頻功率放大器芯片具有廣闊的市場應用前景，主要應用于個人數字助理（PDA）、掌上型個人計算機、MP3、CD、DVD播放器、移動電話、便攜式電子設備等多媒體產品中。

以手機為例，2002年，我國手機產量為1.2億臺，國內銷售的手機數量就多達6800萬臺。

在汽車音響領域，目前國產汽車的音響配置較低，普通轎車一般只裝配收音機、卡帶機。但隨著轎車在家庭中的普及，在汽車里面享受悅耳的音樂將成為汽車音響發展的趨勢。2005年，我國轎車產能將達到200萬輛，超過60億元的汽車音響市場需要開發。

數字音頻功率放大器以其功率、體積小、重量輕、省電的優勢，成為未來家用數碼音響設備的首選。在Hi-Fi音響和家庭影院系統中，輸出聲道多至2～10個，每聲道功率40～100 W，總功率在500～1000 W。功率放大器的效率成為越來越重要的參數。因此，數字音頻功率放大器的應用前景非常廣闊。

2.國內外發展現狀。目前的國內市場上，數字音響功率放大器每年大約1億美元的市場份額基本為國外公司所瓜分。其中，TI公司約占國內市場的70%，其它公司（索尼公司、Maxim公司和國家半導體公司等）共同占有其余30%的產品市場。

因此，數字音頻功率放大器主要面對的是國外專業集成電路公司的競爭。目前，數字音頻功率放大器的主要廠商及其主流產品如下：

TI公司已推出幾十款數字音頻PWM處理器和數字音頻功率放大器。其中，TPA2000D2型無濾波器D類放大器，其輸出功率2 W、關斷模式電流≤1μA、功耗小、無輸出濾波器和反饋元件，它的尺寸減少75%，成本降低40%。

索尼公司有CXD9634（PWM處理器），CXD96462（60W數字音頻功率放大器）及Hi-Fi用100 W混合集成電路。

Maxim已推出二款D類放大器，其中，MAX4297，其輸出功率2 W，效率大于90%，價格只售1.5美元/片。

中國電子科技集團公司第二十四研究所已推出了SWH201功率放大器，其輸出功率100 W，效率90%，采用MCM工藝，TO-3封裝。

在國內的便攜式電子產品、汽車音響及Hi-Fi系統中，有很大部分目前仍然采用線性功率放大器。因此，如何將數字音頻功率放大器技術及產品應用于目標市場，以及將數字音頻功率放大器產品盡快產業化，并占據一定的市場份額，是目前面臨的最大問題。

參考文獻：

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