基于Xilinx Zynq SoC器件的D类音频功率放大器系统设计

音频放大器的目的是以要求的音量和功率水平在发声输出元件上重新产生真实、高效和低失真的输入音频信号，音频频率范围约为20Hz~20KHz，因此放大器必须在此频率范围内具有良好的频率响应，输出功率能力根据应用情况变化范围很宽，从数毫瓦（mW）的耳机，几瓦（W）的电视（TV）或个人计算机（PC）音频。D类音频放大器首次诞生于1958年，是指通过控制开关单元ON/OFF的方式来驱动扬声器的放大器。

之前产生过A类和B类音频放大器，但是都各有缺陷，比如A类音频功率放大器虽然声音清新透明，具有较高的保真度，但是功放效率低，损耗大；B类音频功率放大器虽然在A类的基础上效率有所提升，但是也仅为实际效率的50%左右。D类功放是放大元件处于开关工作状态的一种放大模式。无信号输入时放大器处于截止状态，不耗电。因此D类音频功率放大器功率损耗小，效率高，下面是D类音频放大器的详细介绍：

来自英国的Converter科技公司启动了一项基于Xilinx Zynq SoC器件的D类音频功率放大器系统，目前已经完成原型系统的设计，他们启动这个项目的一个关键因素就是优化音频失真问题，这主要是由于PWM信号的时序错误和线性度不精确造成的，也就是说目前普遍采用的微控制器软件来实现PWM转换操作效率不高，会导致各种异常问题的出现，如果采用硬件方式实现，即Xilinx Zynq SoC的可编程逻辑资源则会带来很大的优化提升。

图1：Converter公司设计的基于MicroZed SoM的D类音频功率放大器系统原型

这个原型系统主要包括如下两部分：

GaN（Gallium-Nitride，氮化镓）功率晶体管器件用于输出级，这个模块应该具有高效率的切换效率以及较低的空载时间，功率信号的输出具备非常高的线性度

Xilinx Zynq SoC模块，这部分是整个原型系统的核心，我们可以利用它的丰富资源来设计开发各种调制方案来测试线性度、噪声和效率之间的关系。可以利用Zynq 的FPGA资源实现快速噪声整形算法，同时ARM处理器也可以进行一些关键数据的处理操作。

图2：基于Xilinx Zynq SoC的MicroZed SoM模块

MicroZed SoM是Xilinx合作伙伴安富利公司设计推出的基于Zynq SoC器件的开发套件，采用的Zynq型号涉及7010、7020和7030，包括丰富的外设接口以及100个用户自定义I/O接口，具有无与伦比的系统性能、灵活性和可扩展性。