基于DDX技术实现高效率数字音频功放方案

　数字音频放大器利用晶体管快速切换的开关特性进行工作，其效率比A类、B类和AB类放大器要高，可达到90％以上。随着数字音源与数字音频技术的迅速发展，直接对数字音频信号进行功率放大而不需要进行模拟转换的数字音频功率放大器得到了迅速发展，它具有效率很高并且能与数字音源直接对接，实现端到端的纯数字音频处理和放大等优点。

　　直接数字放大（DDX）是一种直接把数字信号转换成功率信号而无需数模转换（DAC）的高效率音频放大器技术。它的实现包括2个主要部分：第一，把数字音频接口得到的或者A／D转换得到的PCM数字音频数据进行异步采样率转换和上采样，然后通过先进的数字信号处理技术转换成DDX专利的3态调制信号输出；第二，经过DDX调制之后的数字信号控制3态驱动逻辑电路，产生相应的开关控制信号来控制半桥电路中功率管的导通与截止，经过低通滤波之后，在负载上得到放大的音频输出（图1）。

　　DDX音频放大器结构与驱动方式

　　每个半桥包括2个输出功率管，1个是连接到正电源的高端功率管，通常采用N-MOSFET以减小尺寸和电容；另一个是连接到负电源的低端功率管，通常采用P-MOSFET。两个半桥可以构成一个全桥，采用全桥的音频放大器可以实现平衡输出，易于改善放大器的输出滤波特性，并且可以减少电磁干扰（EMI）。全桥电路负载上的电压峰峰值接近电源电压的2倍，因此不需要提高电源电压就可以提高输出功率，从而可以采用单电源供电。通过DDX调制处理之后的开关信号控制两个半桥电路中功率管的导通与截止，使负载电流从一个半桥流入，从另一个半桥流出，为滤波器提供极性相反的脉冲信号。最基本的二阶低通滤波器包含了2个电感器，两个电容器和扬声器。当开关信号使两个半桥的高端功率管同时截止，而低端功率管同时导通的时候，利用滤波器回路中的这些储能组件可以继续为扬声器提供负载电流，从而进一步提高了电源效率，并且降低了与调制过程相关的高频能量，将电磁干扰减至最小。

　　由于DDX放大器可以接受来自DSP直接输入的数字音频编码信号，因此不需要为每个声道准备D/A转换器，从而减少了中间不必要的转换层级，音质自然得到显著的改善，成本也随着元部件数目的减少而下降。同时，由于是直接在数字域对音频信号进行处理，因此可以在DDX放大器中集成各种先进的数字信号处理技术，对音频信号进行诸如分段EQ控制、音调控制、音量控制等等处理，以及各种针对放大的模拟音频信号的调节、控制和保护等处理。

　　DDX音频放大器的应用设计和开发

　　下面，我们以意法半导体(STM)最新推出的一款DDX音频放大器STA333BW为例，来具体了解DDX音频放大器的结构和功能，以及如何利用DDX音频放大器进行产品设计和开发。

　　STA333BW是一款2.1通道的DDX音频放大器，供电范围为+5V ~ +18V，可以通过I²S接口接收采样率为32kHz ~ 192kHz的所有数字音频格式的数据，并且在内部转换成96kHz采样率进行相应的数字信号处理。每个通道包含4个28位可编程EQ，独立的音量控制和音调控制，所有的内部寄存器可以通过I²C总线进行编程和访问。

　　芯片内置了过热保护和短路保护等措施，并且具有先进的AM频率抗干扰和噪声抑制技术，确保EMI辐射不会干扰AM/FM信号的接收。先进的DDX技术为放大器提供了94dB的信噪比和动态范围。输出功率级包含了4个半桥，可以根据需要灵活配置成4种输出结构，包括2通道立体声输出(2×20W)，2.1通道输出(2×10W+1×20W)，单通道输出(1×40W)和2通道立体声输出(2×20W)+立体声Lineout输出。  

　　了解STA333BW的丰富功能之后，我们设计出一套评估板系统，从而可以很方便地进行DDX音频放大器的性能评估和使用，并且为具体的产品设计提供思路和方法。这套评估板系统包括控制接口板和DDX功率板两块（图2）。

　　控制接口板可以通过硬件控制和软件控制两种方法来使用。如果采用硬件控制方法的话，我们可以利用板上的7个按键或者红外遥控进行操作。意法半导体(STM)的ST72324作为人机界面控制MCU，一方面接受来自按键或者红外遥控器的指令，从而向DDX功率板发出相应的控制命令，一方面通过液晶显示屏更新相应的状态和参数显示。如果采用软件控制方法的话，必须先在计算机中安装相应的驱动程序，然后将控制接口板的并口连接到计算机的并口上，通过运行STA333BW的控制软件来设置相应的所有功能。STA333BW的控制软件提供了友好的人机界面，分为Control，I/O，Register和Filter Editor四个菜单表，可以非常方便地对STA333BW的所有功能进行详细地设置和操作。
  　　硬件控制和软件控制的本质都是通过I2C总线向STA333BW发出控制指令，从而实现各种控制功能。另外，ASAHI KASEI MICROSYSTEMS (AKM)- AK4113是一个24位立体声数字音频接收器，可以接收来自光纤接口和同轴接口的高保真数字编码音频信号，然后转化为I²S信号；AKM - AK5358A是一个24位立体声A/D转换器，把立体声模拟音频信号转换为I²S信号。AK4113和AK5358A可以分别接收来自数字接口和模拟接口的音频信号源，为DDX功率板提供I²S音频信号。

　　板上的STA333BW接收来自控制接口板的I²S音频信号和控制信号，可以灵活地组合出前述的4种功率输出配置，回放并且放大来自前端数字音源或者模拟音源的音频信号。

　　结束语

　　利用DDX音频放大器对数字音源输出的音频信号进行直接处理和放大，可以方便地实现高保真，高效率和低成本的音放大器，为数字音源，音频处理和功率放大的整合提供了完整的端到端数字解决方案。