数字功放IC音质和载波频率的关系

数字功放的音质,一直以来被许多人灸病,低音不错,高音刺耳,实际上的确如此我们在开发产品过程中,也发现这个问题.
    我们回到数字功放的原理: 音频信号(20~20K)经过一个PWM的调制,然后通过一个开关功率放大电路,把PWM信号放大,最后通过滤波器,把PWM信号滤除掉,这样就剩下一个大功率的音频信号可以直接推动喇叭了.这个调制过程是数字功放的关键.
    一般现在流行的几个数字功放的方案的PWM频率都是工作在300K~500k范围,有些低音跑甚至工作在100K以下的频率.工作频率越高,越难选择开关管,开关的速度如果变慢了,容易发热,想减轻发热,就需要把死区调大,死区调大了,就导致失真变大.这个是一个两难的选择.于是选用极端快速的开关管,是数字功放第一要务.
    数字功放的采样频率,直接决定了音质,这个是我们在开发数字功放的过程中发现的一个重要现象.举个简单的例子,应该可以很好理解这个原理.
    假设PWM的开关频率为300K(300~450K是现在市面上的数字功放的最常见的频率),

  1: 如果输入一个20HZ的低频信号进入,那么等于把一个20HZ的低频信号周期分割为15000个采样点,这个采样点足够在输出的时候完美表达一个正玄波的波形,低音可以得到很好的表现.
  2: 如果输入一个1K的中频信号,那么他就产生300K/1K , 也就是一个周期300个采样点,这个还是可以接受的,但是已经开始恶化了.
  3: 如果输入一个20K的中频信号,那么只产生300K/20K ,也就是一个周期15个采样点, 已经不能完整表达一个正玄波了,个人认为,这就是高音恶化难听的主要原因,我们再来看看,到底多高的频率能高好的表达音频信号.
下面是一个表:
PWM 20 250 500 1K 2K 5K 10K 15K 20K
100K 5000 400 200 100 50 20 10 7  5
300K 15000 1200 600 300 150 60 30 20  15
500K 25000 2000 1000 500 250 100 50 33  25
600K 30000 2400 1200 600 300 120 60 40  30
1000K 50000 4000 2000 1000 500 200 100 67  50
2000K 100000 8000 4000 2000 1000 400 200 133  100
  从上表,可以看出,如果PWM的频率是100K 输入一个20K的音频信号,他只能把20K的一个周期分辨出5个信号,这显然不行,100K最高可以比较好的表达1K的信号(有100个采样点),所以工作在100K的数字功放只能是作为低音炮(20~250HZ).一个300K的数字功放也只能比较完美的表达5K(有60个采样点)的高音.一个600K的数字功放,可以比较好的表达10K的音频；当工作频率达到1~2M的时候,才能真正的把高音的失真减低,减低并不等于完美:)能追求更高的频率是每个数字功放设计师的梦想,但是必须基于更先进的器件(更高的工作频率的功率管).
  采样频率越低,高频波形的折线化越严重,为什么有些低频率(400K)的数字功放失真怎么那么低呢？

  这个主要是出现在失真的测量方法上,普通的失真测量是输入1K信号,输出后测量1K信号产生的谐波(2K 3K,4K ,5K等),2K 4K 比较高,那是偶次失真(电子管常见的失真),3K5K比较高是奇次失真(晶体管电路常见的失真),也就是说实际上标称的失真只是代表1KHZ的失真,而不能代表其他信号频率的失真.于是就会产生了标称失真很低,但是实际的听感不舒服了.大家可以回头去看看上面哪个表,300K以上的数字功放对1KHZ的表达是比较完美的了.从这个角度,也证明了平时大家的感觉,为什么数字功放高音总是不舒服.关键的问题还是基频不够高.从另一个角度,我们再探讨一下基频和音频信号的关系.

----关于滤波器.
  数字功放,基本都有滤波器(小功率的现在发展到没滤波器了),这个滤波器的作用主要是把PWM的基频滤除,一个陡峭的滤波器是非常难以设计的.双方的频率越靠近,想用简单的滤波器把两个不同频率的信号分离越困难.所以说,频率越高滤波器越容易处理.当然频率高滤波器使用的材料是有很大区别的.很多300~500K的数字功放只使用一个两阶滤波器.这个是远远不够的,很多数字功放输出都有0.3~1V的静态电压,我测试过两家提供的半成品板,有家甚至达到了3V的高频电压输出,这个是非常恐怖的事情.这个输出电压是高频电压,频率就是PWM的基频,虽然理论上这个信号是听不见的,但是他会严重干扰高音喇叭的工作.我初期设计过600K的CLASS-D 必须使用4阶以上的滤波器才能有效减低这个输出电压. 

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