基于DDX技术的全数字功放解决方案

摘要：  本文论述了纯数字DDX音频放大器的基本结构，基本工作原理和优点，以及如何利用DDX音频放大器进行产品设计和开发。
关键词： DDX调制；数模转换器；DDX音频放大器

前言

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(DAC)的数字音频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。这种DDX音频放大器可以接受来自DSP直接输入的数字音频编码信号，采用专利的DDX信号处理技术来控制高效的功率器件，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，音质得到显著的改善，成本也随着零部件数目的减少而下降，从而把高音质、低功耗和低制造成本带到人气很旺的高速增长的应用领域，如平板电视机、无线产品和个人音响系统。

DDX音频放大器的基本结构

DDX音频放大器包括2个主要部分：第一部分是采用专利DDX技术的调制器，它把数字音频接口得到的或者A/D转换得到的PCM数字音频数据转换成三态调制信号输出；第二部分是功率输出级，它包括三态驱动逻辑电路和全桥电路。经过三态调制的脉冲信号控制全桥电路中晶体管的导通与截止，在负载的两端产生极性相反的脉冲信号，脉冲的频率成份包含还原的音频信号和与调制过程相关的高频分量，因此通常需要在输出级和扬声器之间插入一个低通滤波器，避免高频分量直接驱动扬声器，从而在扬声器上得到还原并且放大的音频输出(如图1所示)。

图1  DDX基本功能块图

DDX音频放大器驱动方式和调制方式

DDX音频放大器的输出级采用全桥电路，它包含两个半桥输出级。每个半桥电路包括两个输出晶体管，一个是连接到正电源的高端功率管，另一个是连接到负电源的低端功率管。全桥电路可以由单电源供电，在相同的电源电压下，全桥电路的输出信号摆幅是半桥电路的两倍，理论上可以提供的最大输出功率是其四倍。传统的D类放大器采用差分工作方式，开关信号控制两个半桥电路中功率管的导通与截止，半桥A的输出极性必须与半桥B的输出极性相反，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，因此只存在正态和负态这两种差分工作状态。

图2  DDX驱动状态

DDX音频放大器的调制器采用DDX专利的三态调制技术，增加了一个共模工作状态，即两个半桥输出的极性相同(都为低)，从而使滤波器的两端被连接到地。这个共模状态称为阴尼态，和差分工作状态配合产生DDX三态调制，如图2所示。阴尼态用于表示低功率水平，代替两态方案中在正态和负态之间的开关。当音频信号处于低功率水平的时候，传统的两态方案仍然使输出晶体管处于开关状态，输出正负抵消的无用信号给滤波器和扬声器，这样不但增加了的开关损耗和能量开销，降低了音频放大器的效率和信噪比，而且不断地处于开关状态不可避免地产生EMI。DDX三态调制方案利用阴尼态表示低功率水平，正态和负态用于对扬声器提供大功率。在相同测试条件下，DDX三态调制方案比采用两态调制方案的传统D类放大器产生的高频载波分量低16dB，在低功率水平时的放大器效率提高了20%。DDX三态调制方案的独有特性也改善了电源抑制比(PSRR)，因为在低功率水平时，滤波器的差分动作非常小，阴尼态使扬声器的两端接地，从而使电源的噪声不被听见。

许多D类放大器采用PWM输出至器件输入的负反馈环路以改善器件的线性，通过控制环路对输出进行校正，以减少失真问题和电源问题。闭环设计的优势是以可能出现的稳定性问题为代价的，这也是所有反馈系统共同面临的问题。而DDX音频放大器采用数字开环的设计，即使在驱动低阻抗扬声器的时候也不会产生放大器的稳定性问题。同时，利用先进的数字信号处理技术(DSP)，对预期的输出级误差进行预补偿或者校正，也可以改善放大器的线性输出特性。并且可以在数字域对每个通道音频信号独立地编程，进行诸如分段EQ控制，低音/高音控制和音量控制等处理，而这些都可以通过I2C数字接口对内部寄存器进行编程来实现，不仅方便了用户的开发和使用，而且为用户增加了附加价值。

DDX音频放大器种类

DDX音频放大器芯片主要分成两类，一类是完全独立的设计，即DDX控制芯片和音频功率放大器芯片是分开的，最多能处理八个音频通道，最大输出功率为单通道350W；另一类是单芯片设计，即集成了DDX控制和音频功率放大器功能，同时拥有2.1通道的DDX控制和音频放大器，输出总功率为40W至160W。用户可以根据产品开发的实际需要进行灵活地选择和搭配组合。

参考设计方案-平板电视专用音箱

下面我们以意法半导体(STM)最新推出的一款DDX音频放大器STA328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。

该解决方案的主要特征：
*音频放大器的输出为2.0通道(2×80W)或者2.1通道(2×40W+1×80W)；
*32条预设音频EQ曲线；
*四选一HDMI选择开关控制器；
*接收模拟立体声音频信号；
*接收光纤和同轴接口的真数字编码音频信号(立体声PCM)；
*红外线遥控。

随着平板电视设计变得更薄，扬声器变得更小，机箱声学特性越来越不理想，修正音频信号变得十分重要。我们为平板电视设计的这种2.1通道专用音箱，就是充分利用了DDX单芯片的高集成度，结合从声源到扬声器的纯数字流处理能力，为平板电视提供低成本、高效能、高音质的外置音响系统。这套专用音箱参考方案的电路结构如图3所示。

图3  平板电视专用音箱参考方案的电路结构示意图

这套音箱可以通过红外线遥控进行操作，意法半导体(STM)- ST72324作为人机界面控制MCU，接受来自红外遥控器的指令，向DDX音频放大器STA328发出相应的控制命令。

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PCM音频信号，通过I2S总线输出，可以支持高达216KHz的采样率；AKM - AK5358A是一个高性价比的24位立体声A/D转换器，把立体声模拟音频信号转换为PCM音频信号，通过I2S总线输出。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音频放大器STA328提供PCM数字音频信号。设置STA328的输出级为2.1通道(2×40W+1×80W)，搭配相应的音箱，还原并且放大来自前端数字音源或者模拟音源的音频信号。

由于是针对平板电视这样的显示播放平台，当面临多个高清内容源的输入选择时，大多数平板电视的HDMI接口在使用上就会显得不方便，因此我们加入了英特矽尔(Intersil)-ISL54100。它是一个四选一HDMI选择开关控制器，不仅可以切换各路数字视频和音频信号，而且具有重新整理功能，通过一个内置的锁相环进行重新同步调整和均衡，可有效恢复因线材物理上的问题造成的信号衰变，能将高清信号传输距离延长15米。

结语

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频放大器，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。

参考文献：
1. Apogee DDX application documents
2. STM DDX solution seminar documents
3. STM STA328 datasheet