解析天奥TA-D990全数字Hi-Fi音频功放原理
解析天奥TA-D990全数字Hi-Fi音频功放原理
解析天奥TA-D990全数字Hi-Fi音频功放原理
全数字音频功放较之模拟功放，以及PWM（脉宽调制）数字功放，都有勿容置疑的优点，但将之用作HI-FI 功放，部分客观性能指标（如谐波失真、噪声系数）是需要攻克的难点；主观评价时也容易给人声音发硬的听感；开发Hi-Fi 功放整机，还有许多诸如电路、器件、工艺、屏蔽、安全、市场推广等许多有待解决的问题。因此，一般公司都以研发推广数字处理芯片、方案和板卡为主。 为了将全数字功放的独特优势在Hi-Fi 功放中充分发挥出来，成都天奥公司经过多年的努力，在研发芯片的同时，针对全数字Hi-Fi 功放客观指标和听感存在的问题集中攻关，使之得到了较好地解决。在1998 年生产出全球第一台全数字Hi-Fi 功放后，陆续上市了多种规格型号整机产品，DA-990 是其中的典型型号之一。本文就其电路结构、器件、工艺及性能指标进行简单介绍。 一、性能概述 TA-D990 是由成都天奥公司针对家用音响市场，采用具有自主知识产权的数字音频处理技术而推出的一款全数字Hi-Fi 音频功率放大器。 TA-D990和目前市面上的所有音频功率放大器相比较，有着最本质的区别：TA－D990采用的是数字功率放大电路，功放始终工作在开关状态下，而不是通常在音频功放上采用的A类、B类或AB类模拟放大状态。基于独创的适用于数字功率放大电路的音频编码格式，使数字开关放大电路在音频功放产品上得到成功的应用。 1.功能性能特点 （1）直接接收数字音频信号（可接收由DVD机、CD机或其他数字音源输出的同轴数字或光纤数字音频信号），直接以数字信号进行功率放大。 （2）为与现有模拟音源兼容，设置了两路模拟音频输入接口，可接收模拟音频信号。 （3）采用全数字音频信号能量转换，其转换效率为普通模拟功放的2～3倍，节约能源。 （4）无过零失真。模拟功放（B类功放）都不同程度地存在着因对管配对及各级调整不佳产生的过零、交越失真。 （5）瞬态响应好，具有比传统功放更好的“动力”特性。 （6）高、中、低频无相对相移，声音清晰“透明”，声象定位准确。 （7）效率极高，可靠性高，耗电量仅为传统功放的三分之一。 （8）失真小（在任何功率状态）。 2.主要技术指标 （1）增益－频率响应：模拟方式＋1.5／-1.5（20Hz～20kHz）；数字方式+1／-1（20Hz～20kHz）。 （2）总谐波失真：≤0.6%（3）失真限制的输出功率：≥80W×2（8Ω，THD≤0.5%）（4）信噪比：模拟方式≥75dB（A计权）；数字方式≥85dB（A计权）（5）外形尺寸：430mm（宽）×363mm（深）×80mm（高）（6）重量：10kg二、整机原理简析TA-D990整机电路由DSP单元和后级功放两大部分组成，分别简述如下： 1.DSP单元电路电路 框图如图4。DSP单元图中各电路子模块结合在一起，除完成DSP单元功能外，还以子模块为单位，实现一些特定的功能。 （1）各电路子模块功能概要说明1）模拟输入在模拟输入接口电路中主要完成模拟音频信号的电平转换和中点电压的转换，以保证合适的信号进入A／D转换电路。其中模拟音频信号的VPP=5.8V（10kΩ）。A／D转换电路受5V电源电压的限制，输入电压在输入电路中以10kΩ线路负载，4.0：5.8为分压比，分得VPP=4.0V的模拟信号电平。 其次，由于不同类别的外部模拟信源的输出中点偏置电压有所不同，即信号地与信号峰一峰中点的直流偏置（正、负电源运放输出的；单电源运放输出的为VPP／2）不同。因此，在输入口增加了可能恶化音频幅频特性，但能隔离直流偏置电压的串联输入电容。 (2）数字同轴输入数字同轴输入采用阻抗75Ω的同轴电缆为传输媒介，信号电平为0.5VPP，所以需要一个接口 电路把它转换成标准的TTL电平。应用电路中74HC04作信号线性放大，第一个放大逻辑门加上了偏置电阻，使之工作于线性放大区。输入信号经过二次整形、放大，输出标准的TTL电平到DSP双相解调电路，由于双相调制信号与相位无关，所以电路不考虑正反相问题。 3）数字光纤输入 数字光纤输入电路是将信源传来的光信号转换为电信号，实现了信源与功放的电气隔离，增强了抗干扰能力。采用SHARP公司的R-98数字音频光纤接收组件。 4）输入切换电路输入 切换电路采用了TAKAMISAWA公司的工业级超小型继电器NA5W-K。因为普通的半导体输入切换芯片虽然可靠性高、成本低，但是有较大的导通电阻，幅频特性差，对于高保真音频信号影响较大，所以采用工业级超小型继电器，可以提高输入切换电路子模块性能指标。
5）A／D转换电路 A／D转换电路是将输入的模拟信号转换成数字线性编码，以便DSP对其进行处理，电路中采用Crystal公司的CS5330芯片，应用电路中为了降低数字电路对A／D转换部分的干扰，对A／D电路采用了独立供电，以降低地线上的干扰对CS5330内部的转换电压基准源的影响，保证转换的精度，提高信噪比。 6）系统时钟电路 由于DSP算法速度的需要，系统时钟采用了90.3168MHZ的有源石英晶体振荡器，电路中的其他信号时钟都由DSP分频而得到。石英晶体振荡器的频率稳定度高于10PPM。 7）锁相环电路 锁相环电路是用于数字信号输入时，功放系统时钟与信源时的同步，为一闭合的自动跟踪环路，使环路振荡器产生的信号频率和相位锁定到参考信号（信源时钟）的频率和相位上。如下图5所示。 图5中鉴相器、环路滤波器、压控振荡器采用集成锁相环74HC4046，输入参考信号为DSP双相解调电路所提取的信源采样时钟FS（44.1K、48K），鉴相器完成信源采样时钟FS与压控振荡输出时钟的N次分频的信号相位比较，输出到环路滤波器，滤出其交流成分，得到直流成分。系统时钟分频的电路等。 8）信号处理电路 信号处理电路是DSP单元的核心，主要完成音频数据到功率编码输出的转换，该部分电路直接影响电路整机技术指标。辅助功能有：数字音频双相解调、音量乘法器、数字音频格式转换。 9）数字滤波器电路 音频数字滤波器包含过取样和数字滤波部分，过取样是将采样率成倍增加的处理过程，理论上采样率越高对后级低通滤波器的性能要求越低；数字滤波是将信号中的以采样频率为中心对称于基带的边带抑制掉，其主要有三方面的优点：第一，20kHZ以上的截止带特性取决于数字算法，基本与温度、老化因素无关，性能稳定；第二，FIR型的数字滤波器的线性柜位特性使群延时对频率来说是定值，使音频范围内无相位失真；第三，算法精确，带内波动极小，截止陡峭，带外抑制高，是模拟滤波器无法实现的。 应用中采用精工NPC的SM5841八倍过取样数字滤波器，它是带内波动小于0.001db，阻带衰减大于55db的中档音频数字滤波器，性能指标能满足高保真的要求。 10）单片机电路 单片机电路是DSP单元的控制中枢，采用家电中应用广泛的MCS-51族的单片机，其价格低、互换型号多、可靠性高。选用了ATMEL公司的AT89C51，内带4K电擦程序存储器。 
辅助电路有：静态存储器，用于掉电状态下保存功放设定数据，选用串行总线接口的E2PROM24CO2（2KBIT），既节省了I／O口，又降低了电路成本。 11）功率输出缓冲电路
功率输出缓冲电路是 DSP 主芯片与后级电路的缓冲器，目的是降低DSP 输出接口的电流开销，以降低DSP 主芯片的地线上的电流，减少该部分地线回路的共地干扰；其次，缓冲电路增强了输出线路驱动能力。 12）电源控制电路 电源控制电路包含：开关机。保护控制，功率供给电压控制两部分。其中开关机、保护是用于控制整机供电（除单片机电路外的供电），以达到开机、关机、保护状态。保护和关机状态是相同的，用于电路过热、过流、故障等处理功能。功率供给电压控制是用于功放电压的增益控制，以达到调整后级供电电压来控制功放输出功率的目的。 13）显控接口电路 显控接口电路完成 DSP 单元与显控单元的连接，输出三线串行显示控制信号用于发光二极管的控制；输入按键信号，输入编码开关信号，输入遥控接收到的串行码流。输入的有效信号均是1ms 以上的速率变化，因此在输入线上并联上1500PF 电容到地且串入1KΩ电阻，以滤出高频干扰脉冲，提高电路抗干扰能力，确保准确无误的监测出有效控制信号。 14）保护输入 电路保护输入电路用以接收后级功放的过流信号，判断过流信号的有效性（软件判断），以便整机进入保护状态。电路中采用二极管钳位的原理将两路过流信号“或”成一路，供给单片机监测。 15）电源电路 电源电路分为四部分： 第一，输入滤波电路，完成电源分配，地线分割； 第二，A，D 电路供电，采用78L05（150mA），以提高数字、模拟的隔离；第三，单片机供电，采用7805（1000mA），主要供给单片机及其辅助电路和显控电路，该供电不受开、关机影响，以实现“二次开机”；第四，采用 7805（1000mA），对DSP 及其辅助电路和其他电路供电。 （2）DSP 单元的地线分布与干扰抑制措施电源、地线分为模拟、数字两部分，电路中采用两个集成稳压器（L7805）；数字电源为单片机和信号处理两部分供电，一点接地。 在 DSP 单元与外部接口（控制信号输入和输出）线上串入1K 电阻，以降低单元间相互干扰。 DSP 单元的EMC 对策，主要针对输入口线的电磁辐射：在模拟输入口地线与电源总接地点、模拟输入信号与模拟输入地之间并入1500pf 高频电容器，以保证在不影响20kHz 音频信号的情况下减小输入口对外的电磁辐射。
解析天奥TA-D990全数字Hi-Fi音频功放原理
全数字音频功放较之模拟功放，以及PWM（脉宽调制）数字功放，都有勿容置疑的优点，但将之用作HI-FI 功放，部分客观性能指标（如谐波失真、噪声系数）是需要攻克的难点；主观评价时也容易给人声音发硬的听感；开发Hi-Fi 功放整机，还有许多诸如电路、器件、工艺、屏蔽、安全、市场推广等许多有待解决的问题。因此，一般公司都以研发推广数字处理芯片、方案和板卡为主。 为了将全数字功放的独特优势在Hi-Fi 功放中充分发挥出来，成都天奥公司经过多年的努力，在研发芯片的同时，针对全数字Hi-Fi 功放客观指标和听感存在的问题集中攻关，使之得到了较好地解决。在1998 年生产出全球第一台全数字Hi-Fi 功放后，陆续上市了多种规格型号整机产品，DA-990 是其中的典型型号之一。本文就其电路结构、器件、工艺及性能指标进行简单介绍。 一、性能概述 TA-D990 是由成都天奥公司针对家用音响市场，采用具有自主知识产权的数字音频处理技术而推出的一款全数字Hi-Fi 音频功率放大器。 TA-D990和目前市面上的所有音频功率放大器相比较，有着最本质的区别：TA－D990采用的是数字功率放大电路，功放始终工作在开关状态下，而不是通常在音频功放上采用的A类、B类或AB类模拟放大状态。基于独创的适用于数字功率放大电路的音频编码格式，使数字开关放大电路在音频功放产品上得到成功的应用。 1.功能性能特点 （1）直接接收数字音频信号（可接收由DVD机、CD机或其他数字音源输出的同轴数字或光纤数字音频信号），直接以数字信号进行功率放大。 （2）为与现有模拟音源兼容，设置了两路模拟音频输入接口，可接收模拟音频信号。 （3）采用全数字音频信号能量转换，其转换效率为普通模拟功放的2～3倍，节约能源。 （4）无过零失真。模拟功放（B类功放）都不同程度地存在着因对管配对及各级调整不佳产生的过零、交越失真。 （5）瞬态响应好，具有比传统功放更好的“动力”特性。 （6）高、中、低频无相对相移，声音清晰“透明”，声象定位准确。 （7）效率极高，可靠性高，耗电量仅为传统功放的三分之一。 （8）失真小（在任何功率状态）。 2.主要技术指标 （1）增益－频率响应：模拟方式＋1.5／-1.5（20Hz～20kHz）；数字方式+1／-1（20Hz～20kHz）。 （2）总谐波失真：≤0.6%（3）失真限制的输出功率：≥80W×2（8Ω，THD≤0.5%）（4）信噪比：模拟方式≥75dB（A计权）；数字方式≥85dB（A计权）（5）外形尺寸：430mm（宽）×363mm（深）×80mm（高）（6）重量：10kg二、整机原理简析TA-D990整机电路由DSP单元和后级功放两大部分组成，分别简述如下： 1.DSP单元电路电路 框图如图4。DSP单元图中各电路子模块结合在一起，除完成DSP单元功能外，还以子模块为单位，实现一些特定的功能。 （1）各电路子模块功能概要说明1）模拟输入在模拟输入接口电路中主要完成模拟音频信号的电平转换和中点电压的转换，以保证合适的信号进入A／D转换电路。其中模拟音频信号的VPP=5.8V（10kΩ）。A／D转换电路受5V电源电压的限制，输入电压在输入电路中以10kΩ线路负载，4.0：5.8为分压比，分得VPP=4.0V的模拟信号电平。 其次，由于不同类别的外部模拟信源的输出中点偏置电压有所不同，即信号地与信号峰一峰中点的直流偏置（正、负电源运放输出的；单电源运放输出的为VPP／2）不同。因此，在输入口增加了可能恶化音频幅频特性，但能隔离直流偏置电压的串联输入电容。 (2）数字同轴输入数字同轴输入采用阻抗75Ω的同轴电缆为传输媒介，信号电平为0.5VPP，所以需要一个接口 电路把它转换成标准的TTL电平。应用电路中74HC04作信号线性放大，第一个放大逻辑门加上了偏置电阻，使之工作于线性放大区。输入信号经过二次整形、放大，输出标准的TTL电平到DSP双相解调电路，由于双相调制信号与相位无关，所以电路不考虑正反相问题。 3）数字光纤输入 数字光纤输入电路是将信源传来的光信号转换为电信号，实现了信源与功放的电气隔离，增强了抗干扰能力。采用SHARP公司的R-98数字音频光纤接收组件。 4）输入切换电路输入 切换电路采用了TAKAMISAWA公司的工业级超小型继电器NA5W-K。因为普通的半导体输入切换芯片虽然可靠性高、成本低，但是有较大的导通电阻，幅频特性差，对于高保真音频信号影响较大，所以采用工业级超小型继电器，可以提高输入切换电路子模块性能指标。
5）A／D转换电路 A／D转换电路是将输入的模拟信号转换成数字线性编码，以便DSP对其进行处理，电路中采用Crystal公司的CS5330芯片，应用电路中为了降低数字电路对A／D转换部分的干扰，对A／D电路采用了独立供电，以降低地线上的干扰对CS5330内部的转换电压基准源的影响，保证转换的精度，提高信噪比。 6）系统时钟电路 由于DSP算法速度的需要，系统时钟采用了90.3168MHZ的有源石英晶体振荡器，电路中的其他信号时钟都由DSP分频而得到。石英晶体振荡器的频率稳定度高于10PPM。 7）锁相环电路 锁相环电路是用于数字信号输入时，功放系统时钟与信源时的同步，为一闭合的自动跟踪环路，使环路振荡器产生的信号频率和相位锁定到参考信号（信源时钟）的频率和相位上。如下图5所示。 图5中鉴相器、环路滤波器、压控振荡器采用集成锁相环74HC4046，输入参考信号为DSP双相解调电路所提取的信源采样时钟FS（44.1K、48K），鉴相器完成信源采样时钟FS与压控振荡输出时钟的N次分频的信号相位比较，输出到环路滤波器，滤出其交流成分，得到直流成分。系统时钟分频的电路等。 8）信号处理电路 信号处理电路是DSP单元的核心，主要完成音频数据到功率编码输出的转换，该部分电路直接影响电路整机技术指标。辅助功能有：数字音频双相解调、音量乘法器、数字音频格式转换。 9）数字滤波器电路 音频数字滤波器包含过取样和数字滤波部分，过取样是将采样率成倍增加的处理过程，理论上采样率越高对后级低通滤波器的性能要求越低；数字滤波是将信号中的以采样频率为中心对称于基带的边带抑制掉，其主要有三方面的优点：第一，20kHZ以上的截止带特性取决于数字算法，基本与温度、老化因素无关，性能稳定；第二，FIR型的数字滤波器的线性柜位特性使群延时对频率来说是定值，使音频范围内无相位失真；第三，算法精确，带内波动极小，截止陡峭，带外抑制高，是模拟滤波器无法实现的。 应用中采用精工NPC的SM5841八倍过取样数字滤波器，它是带内波动小于0.001db，阻带衰减大于55db的中档音频数字滤波器，性能指标能满足高保真的要求。 10）单片机电路 单片机电路是DSP单元的控制中枢，采用家电中应用广泛的MCS-51族的单片机，其价格低、互换型号多、可靠性高。选用了ATMEL公司的AT89C51，内带4K电擦程序存储器。 辅助电路有：静态存储器，用于掉电状态下保存功放设定数据，选用串行总线接口的E2PROM24CO2（2KBIT），既节省了I／O口，又降低了电路成本。 11）功率输出缓冲电路功率输出缓冲电路是 DSP 主芯片与后级电路的缓冲器，目的是降低DSP 输出接口的电流开销，以降低DSP 主芯片的地线上的电流，减少该部分地线回路的共地干扰；其次，缓冲电路增强了输出线路驱动能力。 12）电源控制电路 电源控制电路包含：开关机。保护控制，功率供给电压控制两部分。其中开关机、保护是用于控制整机供电（除单片机电路外的供电），以达到开机、关机、保护状态。保护和关机状态是相同的，用于电路过热、过流、故障等处理功能。功率供给电压控制是用于功放电压的增益控制，以达到调整后级供电电压来控制功放输出功率的目的。 13）显控接口电路 显控接口电路完成 DSP 单元与显控单元的连接，输出三线串行显示控制信号用于发光二极管的控制；输入按键信号，输入编码开关信号，输入遥控接收到的串行码流。输入的有效信号均是1ms 以上的速率变化，因此在输入线上并联上1500PF 电容到地且串入1KΩ电阻，以滤出高频干扰脉冲，提高电路抗干扰能力，确保准确无误的监测出有效控制信号。 14）保护输入 电路保护输入电路用以接收后级功放的过流信号，判断过流信号的有效性（软件判断），以便整机进入保护状态。电路中采用二极管钳位的原理将两路过流信号“或”成一路，供给单片机监测。 15）电源电路 电源电路分为四部分： 第一，输入滤波电路，完成电源分配，地线分割； 第二，A，D 电路供电，采用78L05（150mA），以提高数字、模拟的隔离；第三，单片机供电，采用7805（1000mA），主要供给单片机及其辅助电路和显控电路，该供电不受开、关机影响，以实现“二次开机”；第四，采用 7805（1000mA），对DSP 及其辅助电路和其他电路供电。 （2）DSP 单元的地线分布与干扰抑制措施电源、地线分为模拟、数字两部分，电路中采用两个集成稳压器（L7805）；数字电源为单片机和信号处理两部分供电，一点接地。 在 DSP 单元与外部接口（控制信号输入和输出）线上串入1K 电阻，以降低单元间相互干扰。 DSP 单元的EMC 对策，主要针对输入口线的电磁辐射：在模拟输入口地线与电源总接地点、模拟输入信号与模拟输入地之间并入1500pf 高频电容器，以保证在不影响20kHz 音频信号的情况下减小输入口对外的电磁辐射。
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