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基于CPLD的数字功率放大器的研究与实现 1 前言 随着人民生活水平的提高，许多人特别是音响发烧友们对音频功率放大器能否完美不失真的还原声音的要求近乎于苛刻。模拟的功率放大器经过了几十年发展，在这方面的技术已经相当成熟，可以说是达到了登峰造极的地步。环保与能量的利用率已渐渐成为人们所关注的问题，正因为这样，广大消费者对功放的效率要求越来越高。但是模拟功率放大器在这方面几乎达到了极限。另外模拟磁带播放机如录音机逐步被淘汰，数字光碟播放机如CD、VCD、DVD等已占据主流。针对这一现实数字功放应运而生。 传统的数字语音回放系统包含两个主要过程：1、数字语音数据到模拟语音信号的变换（利用高精度数模转换器DAC）实现；2利用模拟功率放大器进行模拟信号放大，如A类、B类和AB类放大器。从1980年代早期，许多研究者致力于开发不同类型的数字放大器，这种放大器直接从数字语音数据实现功率放大而不需要进行模拟转换，这样的放大器通常称作数字功率放大器或者D类放大器。它具有两大优点：效率很高；模拟信号转换为数字信号输入，能够很好的与数字音源播放机对接。 数字功率放大器的实现包括两个主要部分：第一，把数字光碟播放机从光碟上读下来或者电脑CPU从ROM里读出来的脉冲编码调制(PCM)数字语音数据（通过数字接口），或者模拟信号经A/D后的数字音频信号等等转化成对应的脉宽编码调制(PWM)数字语音数据。第二，把PWM信号作为开关控制信号来控制PWM-H桥转换器中开关管的导通与不导通的时间比，经过低通滤波后使得音频信号在负载上放大输出。其原理图如下： ? 图 1 2 关于功率放大器的效率的讨论 目前的模拟功放按放大器的工作状态可分为：A类放大器、B类推挽放大器、AB类推挽放大器等形式。下面简单介绍一下这些线性功率放大器的主要特点。 A类放大器的主要特点是：晶体管在输入信号的整个周期内均导通。可单管工作，也可以推挽工作。瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25％，且有较大的非线性失真。 B类推挽放大器的主要特点是：晶体管在输入信号的半周期内导通，必须用两管推挽工作。存在交越失真，交替失真较大。效率较高，晶体管功耗较小，功率理论最大值可达78.5％。可以抵消偶次谐波失真。 AB类推挽放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大。可以抵消偶次谐波失真。效率较高，晶体管功耗较小。理论上也可达到78.5％的功率最大值，但实际上功率的最大值在70％左右可能受到输出级拓扑和输出级斜线的影响，在典型的听音条件下（全功率的30％左右），功放的效率为35％左右。 相对于A类放大器来说，AB和B类推挽放大器具有效率较高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热问题容易解决等优点，是目前音频功率放大器的基本电路形式。用晶体管制作的AB类放大器和B类放大器在工作状态选择不当时易产生交越失真。此外，由于推挽级中的晶体管有部分时间处于截止状态，在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真(或叫转换失真)。交替失真会产生脉冲尖峰，它包含有许多高次谐波，从而产生瞬态互调失真。用传统的正弦波谐波失真测试方法不能反映晶体管放大器的瞬态互调失真的大小。 这几类模拟放大电路的共同特点是晶体管都工作在线性放大区域，它按照输入音频信号的大小控制输出的大小，就像串在电源和输出间的一个可变电阻，在控制输出的同时自身也在消耗电能，因此，模拟功放不可避免的存在着效率低下的特点。上面给出的A类、B类、AB类的效率值是在放大器处于最大功率输出时的理论值，实际上能够做到这个理论值的一半已经算不错了。而且在正常的听音过程中不可能使功放时时都有最大功率输出，这样在放音时它们的效率就更低了。 我们知道，功放管除了工作在线性放大状态外，还可以工作在开关状态。数字D类功放的功放管就是工作在开关状态，在理想情况下，功放管导通时内阻为零，两端没有电压，因此没有功率损耗；而截止时，内阻无穷大，电流又为零，也没有功率损耗。典型的数字功放是D类功放，它在实际的工作中的功率消耗主要由两部分构成：转换损耗和I2R损耗。转换损耗如图-2所示： 图 2 当开关式放大器输出在接通和断开之间切换，或断开和接通之间切换时通过线性区域而消耗功率。在D类功放中开关管绝大多数采用的是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET管），它的开关导通电阻较小一般远远小于1Ω，所以I2R损耗相对来说还是很小的。当达到最大额