普及，数字功放的原理
本帖最后由 71sh 于 2014-2-28 19:35 编辑转
数字功放也称D类功放，与模拟功放的主要差别在于功放管的工作状态。传统模拟放大器有甲类、乙类和甲乙类、丙类等。一般的小信号放大都是甲类功放，即A类，放大器件需要偏置，放大输出的幅度不能超出偏置范围，所以，能量转换效率很低，理论效率最高才25% 。乙类放大，也称B类放大不需要偏置，靠信号本身来导通放大管，理想效率高达78.5%。但因为这样的放大，小信号时失真严重，实际电路都要略加一点偏置，形成甲乙类功放，这么一来效率也就随之下降，虽然高频发射电路中还有一种丙类，即C类放大，效率可以更高，但电路复杂、音质差，音频放大中一般都不用，这几种模拟放大电路的共同的特点是晶体管都有工作在线性放大区域中，它按照输入音频信号大小控制输出的大小，就像串在电源与输出间的一只可变电阻，控制输出，但同时自身也在消耗电能。
数字功放的功放管工作在开关状态，理论状态晶体管导通时内阻为零，两端没有电压，当然没有功率消耗；而截止时，内阻无穷大，电流又为零，也不消耗。所以作为控制元件的晶体管本身不消耗功率，电源的利用率就特别高。
图1是数字D类功放的工作原理框图。D类功放处理的是经脉宽调制（PWM）的音频数字信号，声音信息埋藏在脉冲的占空比或脉冲密度中。
图示是音频信号的一种PWM调制方法，最为直观；较多采用的是以脉冲密度来表示信号大小的，脉冲密度大的地方，表示电压高；稀的地方，电压就低。双向信号可用其它方式调制，如占空比50%，即脉冲宽度 与间隔宽度1：1，表示信号幅值为零；占空比大于50% ，幅度为正，这时数值越大，正幅度越高；占空比小于50%
，幅度为负，越小越负。因为这种信号并不需要与外接设备直接相连，也就不需要格式完全统一，各厂可按自行研发的最佳方案调制。
音频PWM编码可以从两种途径获得，一是对模拟音频信号进行模数变换直接生成PWM数字音频。二是对其它编码的数字音频，如CD的PCM编码，通过数字信处理技术变换成PWM码。获得后用此信号去控制大电流的开关型功率MOSFET由功率管输出一个大能量的PWM码。输出电压的大小由电源电压高低决定，输出的电流由负载扬声器的阻抗和电路形式决定。功率管工作在开关状态，只要开关特性好，线性要求几乎没有，制造成本比音响对管低，工业控制上这类MOSFET已用得很普遍，取材方便。由于开关管导通时的饱和压降和截止时的漏电流也会损失一些电能，但总效率仍有百分之九十几，为各类放大电路效率之冠。
开关晶体输出的是脉宽调制波形，要成为可听的模拟音频信号，还需经过一路带宽为20KHz的低通滤波器，滤去脉冲波形中的高频成分，见图3，一般说来功放的输出电压对选取电容的耐压不成问题，只是电感最大允许电流要设计正确。
数字功放由于效率高，管子的耗损小，功放的散热结构可以做得非常小巧简单，整个电路可以做得很小。所以，首先在笔记本电脑、有源音箱和声卡上采用带有数字功放的声卡可直接接通普通音箱，这样使用就方便得多。随着技术的发展，数字功放也进入音响领域，ACT公司2000年推出的一款数字功放TACT Audio“黄金时代”，令发烧音响界改变发结数字功放的成见，国内成都天奥公司更早就推出了用于家庭影院的数字多声道功放，深圳的三诺公司也在研发数字功放的有源箱。
国外多家芯片公司已推出带各种功能
的数字功放IC器件，为整机生产厂更新产品提供了便利条件。一场功放革命正在悄然兴起。
从图1可以看出数字功放的另一优点是可以直接放大数字音频信号。CD和DVD碟片上输出的音频信号是数字化的，现在播放机解码后要经过数模变换，变成模拟音频后再送出。而采用数字功放后，就可把解码后的PCM数字音频信号直接进入数字信号处理电路处理成PWM码进行放大。省去了播放机中的数模变换和数字功放中的模数变换二个较贵重部分，不但音质受损少，成本也可降低。
利用数字功放技术生产整机时，音量调节方案会成为机种档次的分界线。简单方案就像传统模拟功放那样由电位器衰减模拟信号的输入幅度，实现音量衰减。这种方式数字信号的量化比特率得不到充分利用，小音量时信噪比下降，动态范围变小。而且也不能用于数字音频直接输入系统。
较好的方案是采用调节电源电压的方式来衰减音量，以改变加到低通滤波器上的脉冲电压幅度来改变输出功率。这样量化比特率仍可充分利用，由于电压下降，量化噪声也随之下降，所以音量减小，但信噪比和动态范围仍能保持不变。由于功放电源的功率较大，改变电源电压不能用电阻衰减或分压方式来实现，必须
从电源整流稳压部分就开始。TACT公司采用的方法是在数字稳压电源的DC-DC逆变过程中，改变占空比来改变最终输出电压。这类方案目前还只能在分立元件做功率输出部分的整机中采用，集成化数字功放IC仍 用衰减模拟输入为主来调节音量。
从现状来看，数字功放已能商品运用在功率一般的普通用途放大器上性价比和小型、节电等方面都有长处。几瓦的小功率型集成功放芯片，控制电路和功率开关器件已一体化，使用非常方便。几十瓦以上的大功率用数字功放芯片，一般只集成控制电路部分，大功率开关器件需另外集成或自行配置，以便整机设计灵活。在H F领域中，数字功放还只能算是在探索，离商品化还有一段过程。但数字功放是功率放大后起之秀这点是不容置疑的。
再摘网上的，以概全。
D类功放的尴尬定位(2009-05-28 23:53:01)
作为一种新型的功放电路，D类功放（CLASS-D，俗称数字放）凭借优秀的指标及性能，给功率放大器市场带来一阵清风，给很多音频电路设计者带来一阵兴奋和希望。我从05年就开始研究D类功放与其相关的产品，几年下来却发现，D类放大器部分指标的优秀，掩盖不了它在市场中的定位的尴尬，其大量普及，尚需日。
先说D类功放最大的卖点----效率。这里的效率是指电声转效率，功放简单说就是一个把电能转变成声能（声音）的工具，理论上说，最理想的功放就是把100%的电能转变为声能，即效率为100%，但实际应用中，A类（甲类）功放的效率只有不10%，而常用的AB类功放只有30-40%，另外60-70%的电能哪里去了呢？发热了。所以，A类功放或AB类功放在应用中，散热是一个重要的设计内容，这类产品必须要加上或大或小的散热器。但D类功放却有着独特的优势，其转换效率高达80-90%，只有10-20%的电能转变成了热量，由于发热很少，基本不需要加散热器，只要在PCB（印刷线路板）设计中预留一点铜箔散热就足够了。同样的道理，因为电能的高度“节约”，在一些供电电流不大或者电量不充裕的使用场合，比如USB供电（电流最大500mA）和电池供电的应用中D
类功放是最合适不过的了。
遗憾的是，以上就是D类功放所有的优点，说完了这个优点，就很难再找到其他优点了，该说一下缺点了。
第一点，
D类功放的窄电源特性，目前使用最普遍的小功率D类功放供电电压多在4.5-5.5V之间，超过6V就很容易烧坏，而目前的D类功放很少有过压保护，电压一高就 玩完了，机器必然返修。当然有9V以上的大功率D类功放，这类功放又不能使用5V供电（USB电压无法兼容，失去很多应用机会），因此必须要配专用电源，而且该类功放在实际使用中，由于功率较大，体积又很小，因此发热量也不小，一个散热器还是必须的，这块成本又省不下来。
第二点，
D类功放的失真敏感性。注意，我在这里使用了一个新词“失真敏感性”。就是专门针对D类功放的失真度的。推广D类功放的芯片公司除了喜欢标榜刚才我提到的“高效率”，还喜欢说D类功放失真度很低，一般不到1%。事实上，1%的失真度指标是非常理想的，AB类功放1%的失真度是几乎听不出来的，而国标也只是要求在10%以内就许可。但D类功放就不行了，1%的失真已经能听出来有些杂音或破音，如果要达到10%，估计来听音的消费者已经落荒而逃了。所以在失真度方面，D类功放不但没优势，而是大大的劣势。
第三点，
D类功放的价格。这里的价格分为两部分，一部分是芯片本身的价格，另外一部分是外围部件的价格，外围部件的价格又分为两部分，一个是供电的电源，一个是低通滤波器（LPF）。先说芯片价格，现在的D类功放的价格已经是大幅度下降了。以小功率D类功放（2W+2W）为例，05年德州一起的TPA2000系列格在1元人民币左右，而台湾的类似产品在8元左右。而现在的价格仅仅要3-4元。大功率的仍然要9-10元。尽管比以前有了明显下降。但相比成熟的AB类功放。价格仍然偏高。比如现在使用量很大的2025（KA2206），电压范围3-12V，音质两好，价格只要不到0.7元，最大的缺点是供电电压比较高的应用下，发热较大，需要良好的散热。另外就是体积偏大，适合在空间比较充足的产品中应用。D类功放的外围部件电源和低通滤波器，其实并不节约。尽管D类功放因为效率高，很多人以为对电源的电流要求并不高，但事实并非如此。D类功放在播放大动态低频音乐的时候，电流其实也是非常大的，如果电源电流不够，其实一样不能使用，而电源的电流是和价格成正比的。低通滤波器也比较尴尬，尽管现在D类功放宣称使用了无滤波器设计，但在实际应用中，尽管不使用滤波器对音质的影响并无明显影响。但无滤波器带来的另外一个问题就是EMI（电磁兼容）的不合格，作为一个正规的设计，低通滤波器其实还是不能节省。考虑以上几个方面，D类功放的应用成本还是偏高。
综上所述，我们不难发现，D类功放并没有宣称的那么好，也不可能在将来革了普通功放的命，只有将D类功放做彻底的分析研究，了解了它的优势和劣势扬长避短，才能把它的优势真正发挥出来。个人觉得，D类功放最适合的应用产品就是电池供电的便携产品，这类产品往往体积较小，不适合放体积较大的功放和散热器，D类功放的小体积和无需散热器的特点就非常适合。再加上D类功放非常省电，特别适合电池长时间播放。再加上便携音响产品对音质尤其是低频要求高，所以D类功放最适合用在此类产品中。而大功率的D类功放，除非也是多组电池供电（这类产品较少），如果使用外接电源，大功率的D类功放就无必要（除非是无散热器设计），所以相比小功率D类功放，大功率D类功放更加尴尬。能使用5V供电的小功率D类功放还有个普遍的应用就是在笔记本音箱上（使用USB供电），D类功放能把USB的500mA电流充分应用好。但由于其过高的失真敏感性，声音大的时候， 听感往往不如CMOS工艺的AB类功放（如4863、2038等），而CMOS工艺的AB类功放也具备小体积的优点，和D类功放相比唯一的缺点就是发热稍多。所以在笔记本音箱上，更多的厂家愿意使用这类功放。因，D类功放的应用范围其实被压缩的很厉害，现在的处境其实是有些尴尬的，其实D类功放想有所突破，最需要解决的就是把电压范围做宽，哪怕做到6V能稳定工作，当然涉及到半导体工艺，电压范围做宽可能确实很难，但加上过压保护总是可以的吧。同时把功率做大些，加大的功率并不一定要用完，是用来做功率裕量用的-------我的经验，D类功放必须5W的当3W甚至2W来用，才可能听不到明显的失真，或者学习德州仪器的TPA0202低失真设计技术，才可能真正得到让消费者接受的音质。D类功放也才能得到真正大量普及。
…………
上面的是09年的情况，现在是14年2月了，有什么变化吗？ 沙发 虽然不懂 也要顶下 哈哈 相信不久的将来，数字功放一定会大行其道，（除了挑剔的发烧友）···顶一个 杨鸿城 发表于 2014-2-27 13:22 static/image/common/back.gif
沙发 虽然不懂 也要顶下 哈哈
谢谢！我也不懂，这只是个原理，就我来说，估计足够了。 dteufvdteufv 发表于 2014-2-27 13:23 static/image/common/back.gif
相信不久的将来，数字功放一定会大行其道，（除了挑剔的发烧友）···顶一个
当下用在炮放，估计不错。 中高音用纯甲类是没问题的 反正功率不大 注重细节，低音用数字功放不错的 反正不需要高频的细 注重的是力度和功率 王梓俊- 发表于 2014-2-27 15:24 static/image/common/back.gif
中高音用纯甲类是没问题的 反正功率不大 注重细节，低音用数字功放不错的 反正不需要高频的细 注重的是力度 ...
对的。从文章原理上来说，对低频影响小。 正在用数字功放，效率高多了，功率特足 458799 发表于 2014-2-27 19:20 static/image/common/back.gif
正在用数字功放，效率高多了，功率特足
在学习这方面知识。能给多点信息？谢谢！ 数字功放效率高，可以做得小巧超薄 人飞人飞 发表于 2014-2-27 21:45 static/image/common/back.gif
数字功放效率高，可以做得小巧超薄
是的，还有音质怎样，才能被我们接受？ 71sh 发表于 2014-2-27 22:02 static/image/common/back.gif
是的，还有音质怎样，才能被我们接受？
音质我觉得不错，低噪能控制很好。 d类不是数字功放 丹麦王子 发表于 2014-2-28 09:08 static/image/common/back.gif
d类不是数字功放
哦，愿闻其详。:handshake
数字功放我是小白，看到这篇文章觉得不错，就贴过来。有错请斧之。 人飞人飞 发表于 2014-2-28 09:02 static/image/common/back.gif
音质我觉得不错，低噪能控制很好。
在用？上图看看？ 71sh 发表于 2014-2-28 10:25 static/image/common/back.gif
哦，愿闻其详。
数字功放我是小白，看到这篇文章觉得不错，就贴过来。有错请斧之。
d类也是功放的一种类别，d类的d，不是代表digital...... 丹麦王子 发表于 2014-2-28 10:30 static/image/common/back.gif
d类也是功放的一种类别，d类的d，不是代表digital......
好的，我会找找资料，误导就不好了。谢谢！ 百度百科：http://baike.baidu.com/link?url=i2ltraV31KOxyfWSbDJV7Q03R3xslT4SZf9pdQ8whNKxEI_FnvFtDxm00ozUBivtBnGvDt4pzi6J9_TogQnO2_
还是称d类。:L，先留个记号，我再看看。 71sh 发表于 2014-2-28 10:48 static/image/common/back.gif
百度百科：http://baike.baidu.com/link?url=i2ltraV31KOxyfWSbDJV7Q03R3xslT4SZf9pdQ8whNKxEI_FnvFtDxm00o ...
d类是号称数字功放啊。
实际上真正的数字功放应该是同轴输入的，全数字处理，而不是模拟输入...... 丹麦王子 发表于 2014-2-28 11:27 static/image/common/back.gif
d类是号称数字功放啊。
实际上真正的数字功放应该是同轴输入的，全数字处理，而不是模拟输入......
哦，就是把调制环节都去掉，更保真！