今的世界已經(jīng)成為移動(dòng)多媒體設(shè)備的海洋，從個(gè)人計(jì)算機(jī)到手機(jī)、從平板電腦到MP3播放器，幾乎每個(gè)人每天都要隨身攜帶至少一個(gè)這樣的設(shè)備。面對(duì)如此龐大市場(chǎng)，系統(tǒng)廠商必須提供令人滿意的用戶體驗(yàn)才能夠在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中脫穎而出。對(duì)于便攜裝置而言，電池壽命和視音頻能力越來(lái)越成為影響用戶體驗(yàn)的重要因素。在進(jìn)行多媒體產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者需要對(duì)性能、質(zhì)量、電池壽命和成本進(jìn)行綜合考慮來(lái)選擇元器件。在進(jìn)行音頻元件的選取時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)該選擇效率更高的D類功率放大器作為揚(yáng)聲器解決方案，并且這一選擇已經(jīng)深入人心。這主要由于D類功放相對(duì)于傳統(tǒng)模擬功放有著巨大的優(yōu)勢(shì)，尤其是在電池供電的裝置中，其優(yōu)勢(shì)更加明顯。然而，D類功放是否還有改進(jìn)和提升的余地呢？
直接數(shù)字放大(DDX)技術(shù)是一種全數(shù)字高效率的專利放大器技術(shù)，該技術(shù)的出現(xiàn)滿足了當(dāng)今對(duì)于高性能電池供電多媒體應(yīng)用在音頻功放領(lǐng)域的需求。DDX技術(shù)與傳統(tǒng)D類數(shù)字功放技術(shù)同樣都實(shí)現(xiàn)了音頻輸出到揚(yáng)聲器之間的數(shù)字處理，而其改進(jìn)之處在于，DDX技術(shù)提供了獨(dú)特的三態(tài)調(diào)制(阻尼三態(tài))，使得DDX技術(shù)能夠提供比傳統(tǒng)D類數(shù)字功放更高的效率、更好的EMI/RFI特性以及更佳的音質(zhì)表現(xiàn)。
功放技術(shù)比較
當(dāng)今的便攜設(shè)備，主要采用兩類放大器技術(shù)：A/B類和D類。談到兩者的區(qū)別，可以簡(jiǎn)單的將它們比作電壓調(diào)制器：A/B類功放類似于線性穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器，而D類功放則與開關(guān)調(diào)節(jié)器相類似。下面我們來(lái)詳細(xì)分析兩者的特點(diǎn)：
Class-A/B 放大器 A/B類放大器是現(xiàn)有音頻放大器中最常見的，由于應(yīng)用廣泛且深入人心，它常被作為其他種類放大器的參考標(biāo)準(zhǔn)。A/B類放大器也被稱作推挽式放大器，源于其在功率輸出級(jí)采用兩個(gè)放大器件(通常使用三 級(jí)管結(jié)構(gòu))。其中一個(gè)放大器件用來(lái)產(chǎn)生輸出波形的高電壓部分(推負(fù)載)，而另一個(gè)放大器則用來(lái)驅(qū)動(dòng)輸出波形的低電壓部分(拉負(fù)載)，從而構(gòu)成推挽機(jī)構(gòu)。然而為了避免過(guò)度的放大失真，兩個(gè)放大器會(huì)有一段同時(shí)工作的重合區(qū)(見圖1)。該區(qū)域通過(guò)偏置電流來(lái)設(shè)定，這也是導(dǎo)致A/B類放大器效率不高的內(nèi)在因素。典型的A/B類放大器的效率在sine波輸出時(shí)一般在65%到75%之間，而在半波輸出時(shí)僅為20-30%。
D類放大器 不同于依賴放大器件在線性區(qū)工作的A/B類放大器，D類放大器在放大源信號(hào)時(shí)會(huì)采用一種完全不同的方法，即通過(guò)快速的將輸出級(jí)完全打開或關(guān)斷來(lái)獲得輸出脈沖。就像前面提到過(guò)的，D類放大器的工作原理類似于開關(guān)電源的工作原理。該開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于人耳的聽覺頻率范圍，因此在輸出時(shí)不會(huì)被人耳感知。而從長(zhǎng)時(shí)間看來(lái)，輸出的脈沖會(huì)與輸入信號(hào)的波形等價(jià)。圖2示意了D類放大器的典型輸出樣式。
D類放大器的優(yōu)勢(shì)在于其輸出級(jí)極大的提升了效率，使得散熱和供電要求大大降低，并且占用面積也大為減少。典型的D類放大器的效率在滿幅輸出時(shí)能夠達(dá)到85%到90%。然而，由于D類放大器本質(zhì)上是一種開關(guān)元件，它的副作用是會(huì)帶來(lái)開關(guān)頻率和更高頻率的載波段能量。在運(yùn)用D類放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，電磁干擾問(wèn)題是需要注意的一個(gè)關(guān)鍵因素。
DDX放大器 與D類放大器相似，DDX放大器技術(shù)也采用開關(guān)輸出。然而，DDX技術(shù)采用一種獨(dú)特的阻尼三態(tài)調(diào)制技術(shù)來(lái)解決D類放大器在載波段的效率缺點(diǎn)，同時(shí)還通過(guò)減少載波段能量減少了電磁干擾。
為了便于理解DDX技術(shù)，來(lái)看一下圖3中所示意的DDX放大器的三種工作狀態(tài)和圖4所示的DDX放大器的輸出波形圖：
從圖2可以看到，傳統(tǒng)的D類放大器的兩態(tài)輸出在輸出小信號(hào)時(shí)需要采用雙向抵消的方式，這樣，即使是在源信號(hào)為小信號(hào)(這在音頻應(yīng)用中很常見)時(shí)，兩態(tài)的D類放大器仍然要一直對(duì)濾波器和負(fù)載持續(xù)的輸出能量。
相比較，DDX技術(shù)所采用的阻尼三態(tài)技術(shù)(如圖4)僅輸出必要的能量，當(dāng)沒(méi)有源信號(hào)時(shí)，負(fù)載將被連接到地端，形成對(duì)揚(yáng)聲器的阻尼輸出，因此被命名為阻尼三態(tài)技術(shù)。
DDX技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的D類功放，DDX放大器所采用的阻尼三態(tài)技術(shù)有著多種優(yōu)點(diǎn)，從圖2和圖4的比較上，第一個(gè)優(yōu)勢(shì)顯而易見。
減少電磁干擾和輻射 由于DDX技術(shù)僅在需要時(shí)才輸出能量，因此相較于傳統(tǒng)的D類放大器設(shè)計(jì)，可以明顯的減少載波段能量。在采用相同的硬件和相同的濾波器的條件下，DDX的阻尼三態(tài)技術(shù)使得載波能量比傳統(tǒng)D類放大器采用的兩態(tài)開關(guān)方式低16dB。這一能量降低使得系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，可以簡(jiǎn)化輸出濾波器設(shè)計(jì)，從而使系統(tǒng)成本降低的同時(shí)減少PCB板面積。
為了更好的理解其原理，圖6示意了傳統(tǒng)D類放大器的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器后的輸出和DDX方案的輸出。傳統(tǒng)的D類功放的輸出在整個(gè)輸出波形上都具有持續(xù)的紋波幅度，而DDX方案的輸出減少了紋波的幅度，特別是在波形幅度低的時(shí)候。
信噪比(SNR) 由于采用完全的數(shù)字設(shè)計(jì)，DDX技術(shù)提供了非常優(yōu)秀的信噪比性能，在標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)放大器設(shè)計(jì)中，其輸出總會(huì)對(duì)輸入的任何信號(hào)進(jìn)行放大，由于輸入信號(hào)不能完全置0，其輸出總存在一個(gè)放大的小信號(hào)。而采用DDX技術(shù)的音頻編解碼器(CODEC)，其數(shù)字輸入端為0時(shí)，其輸出端會(huì)進(jìn)入阻尼狀態(tài)，將負(fù)載接地，這樣的結(jié)果可以獲得幾乎是無(wú)限的SNR。DDX技術(shù)的內(nèi)在機(jī)理保證了從阻尼狀態(tài)到小信號(hào)輸出的平滑過(guò)渡，因此還可以避免模擬設(shè)計(jì)中常遇到的爆音和咔嗒聲問(wèn)題。
電源抑制 因?yàn)樵谛⌒盘?hào)放大時(shí)供電系統(tǒng)的變化將導(dǎo)致音頻失真，因此傳統(tǒng)的放大器設(shè)計(jì)需要其供電電源有高的電源抑制比。而DDX調(diào)制技術(shù)工作在開環(huán)模式，其內(nèi)在的工作機(jī)理保證了其小信號(hào)時(shí)的電源變化不會(huì)產(chǎn)生音頻失真。這得益于，在大多數(shù)時(shí)間，輸出負(fù)載不與輸入電源相連，而是會(huì)被置于地端(也就是工作在阻尼三態(tài)狀態(tài))。事實(shí)上，在信號(hào)幅度較小時(shí)這種對(duì)電源電壓變化的對(duì)抗能力尤其明顯。
更高的效率 對(duì)當(dāng)今的電池供電的多媒體裝置而言，DDX技術(shù)最大的吸引力也許正是其更高的效率，特別是在其音頻播放時(shí)，能夠有效提升裝置的電池續(xù)航力。從圖4和圖6已經(jīng)可以看到DDX技術(shù)對(duì)于載波段能量發(fā)射的減少，而它們也顯示出DDX技術(shù)如何提升電池供電裝置的效率。圖7用歸一化的曲線來(lái)比較傳統(tǒng)A/B類放大器、標(biāo)準(zhǔn)的D類放大器和采用DDX技術(shù)的放大器在不同輸出功率上的效率。該圖表以所有比較放大器工作在THD+N低于1%為前提。
在與標(biāo)準(zhǔn)的D類放大器同樣處于滿功率輸出時(shí)，設(shè)計(jì)者會(huì)發(fā)現(xiàn)DDX技術(shù)的效率優(yōu)勢(shì)并不明顯。一般來(lái)說(shuō)，就最大效率指標(biāo)而言，DDX放大器與傳統(tǒng)D類放大器非常接近。然而，在真實(shí)應(yīng)用中這一最大效率指標(biāo)往往造成誤解，這是由于該指標(biāo)的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)是讓設(shè)備以最大功率播放一個(gè)0dBFS(滿幅度)的sine波，而沒(méi)有用戶在實(shí)際使用中會(huì)愿意去聽這樣一個(gè)滿幅的sine波。
用戶會(huì)使用設(shè)備聽各種音樂(lè)，而絕大多數(shù)音樂(lè)的平均功率為-12dBFS到-3dBFS之間，具體取決于藝術(shù)家、演播室或者是調(diào)音師的偏好。一般而言，現(xiàn)代的rock、R&B、pop、hip-hop音樂(lè)可以達(dá)到或超過(guò)-5dBFS功率水平，而大多數(shù)其他流派音樂(lè)的平均功率大約為-10dBFS水平。這些因素轉(zhuǎn)化為放大器效率時(shí)便會(huì)產(chǎn)生戲劇性的結(jié)果。DDX放大器在音樂(lè)播放時(shí)，可以比傳統(tǒng)的D類功放獲得15%到20%的效率提升，而在與A/B類放大器比較時(shí)更可以提升到300%的優(yōu)勢(shì)。
設(shè)想一臺(tái)7寸平板電腦整個(gè)系統(tǒng)的功率預(yù)算為2瓦，而該平板由一塊理想的3800mAH的3.7V鋰電池供電，該設(shè)備的音頻系統(tǒng)最大可以給滿功率工作時(shí)的立體聲揚(yáng)聲器各提供1W的功率，并且假設(shè)用戶播放音樂(lè)平均所占的電池壽命占整個(gè)電池壽命的20%。在上述參數(shù)條件下，采用D類放大器將比采用A/B類放大器使得用戶可以獲得額外的53分鐘的電池使用時(shí)間，而如果采用DDX技術(shù)的放大器則可以在此基礎(chǔ)上再額外提高10分鐘的電池續(xù)航時(shí)間！
結(jié)論
DDX技術(shù)是一項(xiàng)已申請(qǐng)專利的、高效的音頻放大器架構(gòu)，它的開發(fā)和應(yīng)用滿足了當(dāng)前和未來(lái)電池供電的手持多媒體裝置的需求。DDX的獨(dú)特功能使得它易于系統(tǒng)集成，使整個(gè)系統(tǒng)獲得更低的功耗、更小的體積、更低的EMI元件需求，同時(shí)獲得了更高的音質(zhì)保真度。
IDT已經(jīng)計(jì)劃針對(duì)PC市場(chǎng)和消費(fèi)類市場(chǎng)推出了多種具備DDX技術(shù)的集成電路產(chǎn)品，并且DDX控制器可以很容易的為通信市場(chǎng)的話音處理應(yīng)用特別優(yōu)化。新的數(shù)字功能(比如數(shù)字均衡等)可以很容易的集成進(jìn)設(shè)計(jì)，從而使用戶的可配置設(shè)計(jì)成為可能。另外，DDX模塊可以和其他數(shù)字音頻功能相結(jié)合達(dá)到優(yōu)化芯片面積的目的。
目前艾迪悌(IDT)公司已經(jīng)出品了兩款具備專利DDX技術(shù)的產(chǎn)品：
* IDT 92HD9x單芯片音頻系統(tǒng)是一款低功耗高保真四通道音頻編解碼器，其內(nèi)部集成有DDX揚(yáng)聲器放大器、免電容耳機(jī)放大器以及片上LDO。片上同時(shí)具備的雙高清音頻(HD audio)和I2S接口使得單個(gè)編解碼器就能夠支持音頻擴(kuò)展塢的應(yīng)用。片上集成的插頭檢測(cè)功能使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)者方便的設(shè)計(jì)雙功能的耳機(jī)和聽筒。內(nèi)部集成的高通和帶通濾波器可以實(shí)現(xiàn)硬件均衡和揚(yáng)聲器保護(hù)功能。92HD9x芯片的高集成度使得音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)獲得最低BOM數(shù)目和成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了最小的PCB占用面積。該芯片為筆記本和商務(wù)臺(tái)式機(jī)應(yīng)用提供了高質(zhì)量的高清音頻能力。
* IDT的P95020是IDT公司推出的新一代標(biāo)準(zhǔn)化專用電源控制器，該芯片包括內(nèi)置的MCU，搭載耳機(jī)輸出和2.5W DDX音頻放大器的高效率音頻編解碼器，具有完善的電源管理功能、觸摸屏控制器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能。該芯片幾乎提供了手機(jī)、手持游戲機(jī)、數(shù)碼播放機(jī)、手持導(dǎo)航儀等便攜消費(fèi)裝置所需的所有外圍功能。 |
