专利名称：音频功率放大器的制作方法
技术领域：
本发明属于音响技术领域的一种音频功率放大器。
背景技术：
音频功率放大器在音响系统中是至关重要的，它要将前置放大器的输入信号进行放大，产生足够大的输出功率推动扬声器系统放音。因此，音频功率放大器的设计对整个音响系统品质的影响也是举足轻重的。传统的模拟音频功率放大器由输入级、电压放大级、电流放大级及负反馈回路组成，这种模拟功率放大器，由于使用的都是非线形的放大器件。因此，存在较大的失真，包括频率失真、相位失真等，为了降低各种失真对音质造成的不良影响，在功率放大器中多处采用了负反馈电路，这些负反馈电路，一方面降低了各种失真造成的不良影响，另一方面，当处理不当时，又会产生自激振荡和瞬时互调失真，这是致命的原理性失真，在模拟系统中是无法采取有效措施来解决的。同时，模拟音频功率放大器还容易受到外界的干扰而使其自身的信噪比降低。模拟音频功率放大器性能的提高受材料、器件、线路等多方面因素的影响，虽然可通过多方面的努力来谋求品质的提高，但是，为了实现这一点，成本也大量地增加。为了克服传统模拟音频技术的缺点，人们把数字电路技术引入到音响技术领域，把连续的模拟音频信号转换成时间上离散的、幅值上只有“1”和“0”恒定变化的脉冲系列，这些信号较模拟信号更易处理，由此得到优良的电声性能。数字音频功率放大器是由A/D转换器、DSP数字信号处理器、驱动电路、开关功率放大器和LC低通滤波器组成，它将模拟音频信号变成数字音频信号，经数字化的声场处理后，由驱动电路驱动功率放大电路进行功率转换，由于扬声器不接受数字信号，由LC低通滤波器变成模拟音频信号后推动扬声器工作。数字音频功率放大器较模拟功率放大器的品质有了很大地提高，但，它也是有缺点的，它的结构比较复杂、成本高、谐波失真大、电磁兼容性不好。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种结构简单、成本低、失真小、信噪比高的音频功率放大器。
本发明的目的是由下述技术方案实现的，该音频功率放大器由数字滤波器、D/A转换器、低通滤波器和模拟电流放大级组成，其中，D/A转换器的输出电压高于15V，其采样频率高于32KHZ，其分辨率为16-24bit。本发明所提供的音频功率放大器工作原理如下由数字滤波器对数字音频信号进行选通、插补数学运算处理后，送D/A转换器转换成模拟电压信号，该信号经低通滤波器滤去高频成分后，进入模拟电流放大级放大，形成功率放大的模拟音频信号，推动扬声器工作。进入该音频功率放大器的信号如是模拟音频信号，可先经过低通滤波器滤波，再送A/D转换器将模拟音频信号变成数字信号后，经DSP数字信号处理器，进行数字编码后即成为数字音频信号，再送入该音频功率放大器。由于本发明采用了输出电压高于15V的D/A转换器。可输出较高的模拟电压信号，就可省略功率放大器的输入级和电压放大级直接驱动模拟电流放大级，而省略掉功率放大器的输入级和电压放大级，也就省去了为了增加输入级和电压放大级的稳定性和减少失真、噪声而从电流放大级引入的负反馈网络，避免了由于负反馈处理不当带来的自激振荡和瞬间互调失真问题，由于省略了电压放大级，从电路内部降低了对噪声的放大，提高了信噪比，使音频功率放大器的抗干扰能力大大增强。
本发明所提供的音频功率放大器采用了精度为16-24bit的D/A转换器，精度大大提高。因为，如采用的是单纯均匀量化时、数字系统的尼奎斯特频率以下频带中的量化噪声取决于字长，因此，可因提高D/A转换器的精度而降低量化噪声，可大大提高功率放大器信噪比，提高D/A转换器的精度还可降低谐波失真率。理论上认为，对于D/A转换器精度每增加1比特，信噪比就可增加6dB。本发明中还采用了高于32KHZ的采样频率，因为，在尼奎斯特频率以下频带中量化噪声的总能量是由字长决定的，在字长不变的情况下，如提高采样频率，则单位频段上量化噪声的电平就会变小，从而进一步降低了量化噪声，使音频功率放大器的音质变的更好。由于采用了超取样数字滤波技术，尼奎斯特频率远大于20KHZ，频率范围将由电流放大级决定。本发明所提供的音频功率放大器将比模拟功率放大器高出一个数量级，可以与现代的高级信号源更好地匹配。本发明所提供的音频功率放大器结合了模拟音频功率放大器和数字音频功率放大器的优点，使线路更简洁，且组装、调试、维修工作都简单，节约了成本。
本发明所提供的音频功率放大器具有线路简洁、成本低、失真小、信噪比高和音质好的优点。
图1、模拟音频功率放大器的原理方框图；图2、本发明所提供的音频功率放大器的原理方框图；图3、本发明所提供的音频功率放大器的一个实施例的电原理图；图4、本发明中提高D/A转换器输出信号的一个实施例示意图。
具体实施例方式
以下结合
本发明的具体实施方式
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从图1可知，传统的模拟音频功率放大器由输入极、电压放大极和负反馈回路组成。由图2可见，本发明提供的音频功率放大器由数字滤波器、D/A转换器、低通滤波器和模拟电流放大级组成，该音频功率放大器的输入信号是数字音频信号，如是模拟音频信号，可通过低通滤波器、A/D转换器、DSP数字信号处理器几步处理后变为数字信号。本发明中，由输出电压高于15V的D/A转换器代替了模拟音频功率放大器的输入级和电压放大级。这里能否实现本发明，D/A转换器的输出是关键。可通过以下方法使D/A转换器的输出电压高于15V。1、采用加大D/A转换器内部网络电阻阻值、参考电压源、参考电流源来提高量化步长的方式；2、采用提高量化字长即精度的方法提高输出电压的幅值；3、以电流方式输出信号的D/A转换器，在其输出端采用镜像电流源的方式将输出信号放大。
对于采用的各参考电压源或参考电流源，要求D/A转换器芯片上的元件有更高的耐压值，并对其保护电路进行相应改进。
参见图3，其中数字音频信号是通过同轴线从CD机中取出，送入数字滤波器为DF1704。本实施例中D/A转换器采用双声道以电流方式输出的D/A转换器，在其输出端采用镜像电流源的方式将输出信号放大，通过I/V转换电阻将输出信号转换成模拟电压信号，再通过阻容低通滤波器滤去高频成分，其取样频率为96KHZ，量化精度为24bit。模拟电流放大级采用的是射级跟随式电流放大级。
参见图4，是在D/A转换器的输出信号电流上并联第一精密恒流源I，恒流源电流值I比输出信号i电流幅值略大，D/A转换器的信号输出端与一组由PNP电流镜与NPN电流镜组成的镜像电流源相接，镜像电流源的镜像端接第二精密恒流源I′，电流/电压转换电阻R接在镜像端与地之间，NPN电流镜由n1个晶体管T1、T2、T2′…组成，n1大于2，其中晶体管T1接于基准端，晶体管T2、T2′…等接于镜象端；PNP电流镜由n2个晶体管T3、T4、T4′…组成，n2大于2，其中晶体管T3接于基准端，晶体管T4、T4′…等接于镜象端。第二精密恒流源I′的电流值为第一精密恒流源电流值的(n1-1)(n2-1)倍。其工作原理如下D/A转换器实际输出i′＝i+I由于T1与T2、T2′…；T3、T4、T4′…是镜像电流源，因此I2＝(n1-1)I1，I4＝(n2-1)I3由图可知，I2＝I3，∴I4＝(n1-1)(n2-1)I1又∵I1＝i+I∴I4＝(n1-1)(n2-1)(I+i)
对于输出节点，根据基尔霍夫电流定律I4-I′-Io＝0Io＝I4-I′＝(n1-1)(n2-1)(I+i)-(n1-1)(n2-1)I＝(n1-1)(n2-1)i至此，D/A转换器的输出信号电流放大了(n1-1)(n2-1)倍，再经过I/V转换电阻R，输出放大了的模拟信号。
在D/A转换器的输出信号电流上并联的第一精密恒流源I可以采用软件或硬件的方法加入，与D/A转换器的信号输出端相接的一组由PNP电流镜与NPN电流镜组成的镜像电流源与镜像电流源的镜像端相接的第二精密恒流源，可以制成集成电路，也可将该部分芯片直接做在D/A转换器内。
本发明所提供的音频功率放大器中模拟电流放大级的选择也是很重要的，可以选择甲类、乙类或超甲类等模拟电流放大级，数字滤波器应采用超取样滤波器。
权利要求
1.一种音频功率放大器，其特征在于由数字滤波器、D/A转换器、低通滤波器和模拟电流放大级组成，由数字滤波器对数字音频信号进行选通、插补数学运算处理后，送D/A转换器转换成模拟电压信号，该信号经低通滤波器滤去高频成分后，进入模拟电流放大级放大，形成功率放大的模拟音频信号，推动扬声器工作。
2.根据权利要求1所述的音频功率放大器，其特征在于所述D/A转换器的输出电压高于15V。
3.根据权利要求1所述的音频功率放大器，其特征在于所述D/A转换器的采样频率高于32KHZ，其分辨率为24bit。
4.根据权利要求1所述的音频功率放大器，其特征在于在所述D/A转换器的输出信号上并联一个第一精密恒流源，D/A转换器的输出端与一组由PNP电流镜和NPN电流镜构成的镜象电流源相接，镜象电流源的基准端与D/A转换器的输出端相接；镜象电流源的镜象端接一个第二精密恒流源，I/V转换电阻接在镜象端与地之间，所述NPN电流镜由n1个NPN晶体管组成，所述PNP电流镜由n2个PNP晶体管组成，n1≥2、n2≥2，所述在镜象电流源镜象端上接的第二精密恒流源为所述第一精密恒流源电流值的(n1-1)(n2-1)倍。
全文摘要
本发明属于音响技术领域的一种音频功率放大器。它由数字滤波器、输出电压高于15V的D/A转换器、低通滤波器和模拟电流放大级组成。该音频功率放大器将数字音频信号经数字滤波器滤波后，由D/A转换器输出高于15V的模拟电压信号，再由低通滤波器去掉高频成分，由模拟电流放大级放大，推动扬声器工作。它具有线路简洁、失真率低、信噪比高的优点，兼有数字功放与模拟功放的优点。
文档编号H04S1/00GK1464764SQ0213520
公开日2003年12月31日 申请日期2002年6月11日 优先权日2002年6月11日
发明者宋明杰 申请人:宋明杰