“数字”就如空气中的氧气一样，正成为人类生活之中密不可分的重要部分。氧气，供给我们呼吸，是人类生生不息的生命之源；数字，则是人类生活变革的一种源动力，它提高了人们的生活质量，缩短了人与人之间的距离，特别是由数字引发的电脑革命、互联网风潮、电子商务、移动通信，以及涉及人类的基因工程等，凡此种种高科技技术均是由数字之触角无孔不入的结果。在视听领域，0和1也大展身手，20世纪80年代出现的CD，90年代涌现的VCD、DVD、SACD，令美妙的音乐由0和1轻松“演奏”出来；数字摄录机(DV)、数字电视(DTV)、数字电影(DC)则开启了视听领域的数字新天地。而多媒体化、互联网化的数字信息娱乐中心将有可能取代传统的听音室、家庭影院，成为全新一代的HiFi、AV的代名词。在这里，撷取其中一段不太为人所知的话题：数字放大器的发展，看看数字的迷人魅力。
【回顾往昔】传统模拟放大器
我们知道，一般实用无线电音响装置中的放大器都属于线性放大器，可用正弦波来研究其特性。按放大器的使用目的可分为电压放大器(常称前级放大器)和功率放大器两大类。一般来说，电压放大器是用来放大比较微弱的信号，它的主要技术指标是电压增益，而功率放大器的主要任务是得到大的输出功率，要求它的输出电压和电流都有较大的幅度，它的主要技术指标是最大输出功率。
由于电压放大器的功率很小，故工作效率不是主要问题，一般都可采用甲类放大电路。而功率放大器的功率消耗较大，为了节约能源和改善功率放大晶体管的散热问题，希望尽量提高放大器的工作效率。在音响领域，虽然甲类放大器的效率最低，但由于其音质表现相对较好，故也得到一定范围的应用。根据放大器的工作状态可分类为：甲类放大器、甲乙类推挽放大器、乙类推挽放大器、滑动甲类放大器、超甲类放大器等形式。下面简单介绍一下这些线性功率放大器的主要特点。
甲类放大器的主要特点是：晶体管在输入信号的整个周期内均导通。可单管工作，也可以推挽工作。瞬态失真和交替失真较小。效率较低，晶体管功耗大。非线性失真较大。电路简单，调试方便。
超甲类放大器的主要特点是：两管推挽工作，但两管工作点均随输入信号而交替地上、下移动，始终处于导通状态。无交越失真，交替失真小。效率较高，晶体管功耗较小。可以制作优质功率放大器。
甲乙类推挽放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大。可以抵消偶次谐波失真。效率较高，晶体管功耗较小。
乙类推挽放大器的主要特点是：晶体管在输入信号的半周期内导通，必须用两管推挽工作。存在交越失真，交替失真较大。效率较高，晶体管功耗较小。可以抵消偶次谐波失真。甲乙类和乙类推挽放大器具有效率较高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热问题容易解决等优点，是目前音频功率放大器的基本电路形式。用晶体管制作的甲乙类放大器和乙类放大器在工作状态选择不当时易产生交越失真。此外，由于推挽级中的晶体管有部分时间处于截止状态，在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真(或叫转换失真)。交替失真会产生脉冲尖峰，它包含有许多高次谐波，从而产生瞬态互调失真。这是产生“晶体管音”的主要原因之一。用传统的正弦波谐波失真测试方法不能反映晶体管放大器的瞬态互调失真的大小。我们往往会发现，某一晶体管放大器的谐波失真度很小，但其音质仍不及谐波失真较大的电子管放大器(胆机)柔和动听。因此，曾导致电子管放大器的应用一度回潮，“晶”不如“胆”之说也曾令人大惑不解；或者宁肯采用功耗很大的晶体管甲类推挽放大器。为了消除“晶体管音”，现在已经研究出了许多减小晶体管放大器瞬态互调失真的方法和电路。其中减小甲乙类和乙类放大器的交替失真仍是主要目标之一。
在传统模拟放大器里，其电压的变化是用来直接模拟音频信号的。用数学术语描述，它就是一种连续的函数，从输入开始，每一级(不论晶体管还是电子管)均提供增益。多数放大器都有几个增益级，其最后一级则是提供电流放大。这样，一台功率放大器就相当于一种伺服(反馈)控制系统，亦即是一种利用电压控制的放大器。理论上，输出电压=输入电压×增益。例如一般音频放大器的增益为20，那么其输出电压应正好是输入电压的20倍。其结果应该是线性增益、完美平坦的频响曲线、零失真、零输出阻抗、完美的时序校直和群延时。但是这样精确完美的放大器在现实中如海市蜃楼般至今尚未实现过。
【放眼今朝】新锐数字放大器
我们知道，双极型晶体管除具有放大作用外，还具有开关作用。晶体管的工作状态可分为三个区域：截止区、放大区、饱和区，当晶体管截止时，IC≈0；当它饱和时，UCE≈0，从c、e两端看，上述情况与二极管作为开关时的情况很相似。与二极管不同之处在于这个开关可以通过控制b、e间的电压和电流来实现开与关，所以是一种可控的电子开关。图1是开关电路分析图例，(a)、(d)示出了最基本的电路。图(b)、(e)是它们的功能示意图。当UI分别为0V和3V时，电路中的电流i和电压U0各是多大?如果UI的波形如图(c)所示，画出相应的U0的波形。
经分析可知，当UI=0V时，晶体管截止，相当于开关断开，电流i=0，U0=10V；当UI=3V时，晶体管饱和，相当于开关闭合，U0≈0.2V，i≈2mA。波形图表明，UI交替为0V和3V时，管子轮流工作在截止区和饱和区，U0交替出现10V和0.2V，如图(f)所示。我们可以看出U0的变化趋势与UI正好相反，类似正弦波相位的反相，所以这个电路也称为反相器电路。图(d)所示电路的分析方法与前面类似，但它的输出波形和输入波形的变化趋势一致，读者可自行分析。另外我们从分析中可知，数字电路中要求晶体管交替工作在截止区和饱和区，因此输入信号的幅值变大而且变化快。
而数字放大器利用的就是高速数字开关电路，因为此高速开关转换的工作速度是传统模拟电路的许多倍，其特有的快速转换时间可以精确控制输出信号，这正是趋近理想放大器的主要设计目标。可能较少人知道，按放大器的工作状态分类除前述的甲类、甲乙类等等之外，还有一种丁类放大器即脉冲调制型放大器(Pulse Width Modulation,PWM)。由于晶体管处于开关状态时功耗较小，转换效率最高，因此脉冲调制型放大器就是利用晶体管开关来进行功率放大的。
这种放大器中有一个矩形脉冲振荡器，用需放大的音频信号去调制矩形脉冲振荡器，使它产生的矩形脉冲的频率或脉宽随音频信号的幅度而变化。然后用晶体管开关放大器放大经调制的矩形脉冲。晶体管开关工作的实质就是将电源的功率变换给负载。在输出端经过低通滤波器滤除高频分量之后，便又将矩形脉冲变成了音频波形，即可耦合给负载例如扬声器。脉冲调制型放大器的主要特点是效率很高，可达95％以上，晶体管功耗极小，可用中小功率管制作大功率放大器。脉冲放大器偏置电路简单，输出负载能力强。谐波失真较大，会辐射脉冲干扰。
由于晶体管擅长处理这种开关脉冲，远比其处理复杂多变的音频信号更富效率，所以脉冲调制型放大器也可称之为数字放大器。
虽然早在20世纪60年代末期就有科研人员开始研究数字放大器，但是在这数十年以来的高保真音响史当中，几乎难得一见。直到最近几年，随着数字技术的突飞猛进，才开始在音响领域偶见数字放大器的芳容。在数字音频放大器的设计与制作过程中，最大的技术攻关难题就是高速转换控制系统。因为其需要极高的精确度，但由于如何解决脉冲调制放大在工作时提供持续稳定的线性响应，以及避免产生辐射脉冲干扰等方面难以取得突破，故一直使脉冲调制型放大器在音响应用领域停滞不前，举步维艰。如今，随着脉冲调制放大电路的技术瓶颈被逐渐解决，数字放大器的优点日渐突显，新品不断推出，也越来越受到人们的关注了。
下面来看看目前脉冲调制型放大器的基本工作程序与原理：
第一步，把交流市电整流为高压直流电。
第二步，通过高速转换开关精确控制系统，转换出PWM脉冲宽度调制信号，即一种高电压高频率的方波。转换开关的工作频率可以设定为数十千赫至数百千赫；方波的宽度则是随着输入信号的大小变化而改变的。
第三步，把PWM信号传输到一个精度极高的小型变压器，把其高电压转换为电路所需的工作电压，同时这个变压器也起到隔离作用，以完全与交流市电隔开。并且工作频率越高，所使用的小型变压器可以越小。
第四步，经小型变压器转换后输出的PWM信号，再经高速整流器、电感、一组小型滤波电容处理后，转换成直流电源，以供以后的电路使用。如此即可不必使用低效率的线性稳压处理，直接控制输出电压的转换开关时序，依据需要，使之保持恒定或随机变动等。这种高频转换电源技术的高频处理(达数十千赫或数百千赫)远远超出人耳可闻频域范围(20Hz～20kHz)之外，因此在理论上讲不会对音频信号产生干扰。
第五步，这些PWM信号即高频方波最后必须通过低通滤波器把超高频滤除，仅留调制的音频信号，最后用来驱动扬声器。并由此滤波器的截止频率来决定放大器频宽响应的高频界限。此高频界限随着输出负载的不同而不同，有些为30kHz，有些则达到40kHz左右。
除了双极晶体管外，还有一种常见的功放管即场效应管，它同样具有放大作用和开关作用，由于场效应管本身技术特性上的优势，目前的数字放大器多使用场效应管来作转换开关之用。
不论模拟的或数字的，所有放大器或多或少都需要用到反馈，所采用的反馈形式大致有两种：局域反馈和环路反馈。大多数的放大器这两种反馈均使用，因为使用反馈有许多优点：降低失真、减少噪声、增加密闭环路的响应频宽、提高瞬态响应等等，但是反馈却或多或少产生延时的现象，从而对原音重现有可能产生负面影响。因此有些放大器不采用环路反馈，而只利用局域反馈而已，以此来提高声音的保真度。相比之下，数字放大器的整体输出过程相当于负载循环的调制函数，由于调制器是利用数字逻辑电路来执行，所以转换时间极快，仅需250ns(nanoseconds毫微秒)，由此可见，数字放大器中使用反馈电路所产生的延时效应微乎其微。根据有关资料，脉冲调制型放大器的延时误差大约只有传统模拟放大器的六分之一而已，所以数字放大器的输出可以控制得更好，尤其是瞬态反应的表现更为精确真实。
各逞其能的数字放大器
目前推出数字放大器或者说是“准数字放大器”的厂家为数不多，但国内国外的都有，国内的有成都天奥、深圳润歌等；国外的有TACT、Sharp(夏普)、Linn(莲)、Jeff RowLand(乐林)、Spectron、Chord、Apogee、VeLodyne(威力登)等。下面根据各个厂家所提供的文字资料以及本人上网查询下载的有关信息汇编，简单介绍一下各个厂家不同产品的特点。
1.威力登F1800RⅡ有源超低音箱
先看看VeLodyne(威力登)推出的F1800RⅡ有源超低音箱，该音箱身高近60cm，重达50kg，使用一只46cm大型高压树脂纤维振膜的超低音单元，采用坚固无比的密闭式音箱设计，内置脉冲调制型放大器，造就出F1800RⅡ惊人的超低频重放能力。据厂家称，将这种数字开关技术应用在有源超低音箱里，由于低频转换速度相对高频而言要低许多，因此技术应用上难度不大，适得其所，能充分获得所需要的巨大驱动能力，因此F1800RⅡ能输出足额的600W强劲功率，峰值功率更高达1000W!
2.夏普SMSX100一比特放大器
Sharp(夏普)推出的1bit放大器和脉冲调制型放大器有异曲同工之妙，如夏普的SMSX1001bit放大器的1bit信号功率放大的方式就是采用类似脉冲调制放大模式，所不同的是以“1bit信号”取代“PWM信号”。1bit信号是通过极为精准的石英晶振器来控制精准电压的开关转换工作的。
夏普SMSX100以64fs(即2.8224MHz)高速样取调制技术获得1bit信号比特流，利用DeltaSigma动态反馈电路把电压电力的“浮动”部分反馈至7次调制LSI电路，用以实时校正1bit控制信号，令放大电路维持在极稳定状态，同时保持住完整的音频信号。SMSX100所使用的DeltaSigma调制LSI电路扮演极为重要的角色。它可把量化噪声“移到”极高频区域，让人耳可闻频域拥有非常宽广的动态表现范围。同时在经过一种固定电压高速转换电路(Fixed Voltage High Speed Switching Circuit)处理后所放大转换的信号再经一个低通滤波器，完成模拟音频信号的还原工作，并用来驱动扬声器发声。
从输入开始，经过放大转换处理以至还原为模拟音频信号的整个过程当中，SMSX100没有进行任何模拟放大处理，完全是和高速取样进行同步的高速转换，利用此高速取样和量化的1bit信号达到时域高解析度的处理。从极微弱、渐强以至最强音的极至动态，从最强音、渐弱以至淡化至完全静音为止，或是突如其来的瞬态反应，夏普声称其1bit放大器均能一一正确地应付自如，原原本本地重现每一个音符。相比之下，夏普SMSX1001bit放大器散发的热量只有传统模拟放大器的五分之一左右，而且所消耗的电能只有后者的一半左右，全因其工作状态只属于简单的开／关转换形式。
3.Spectron Musician数字放大器
来自美国的Spectron音响公司，近30多年来一直从事脉冲调制放大技术的研究，是目前极少数专注于数字放大器开发研制的厂家。近几年来，其商品化的数字放大器陆续上市，包括专业领域的Digital 1 Pro数字放大器(每声道输出功率500W)，民用领域的Musician数字放大器(每声道输出功率300W)。
据厂家资料介绍，Spectron数字放大器在接收输入的音频信号后，先将音频信号转换成为PWM信号，再交给类似电脑CPU的芯片处理。调制器负责控制上 ／下两个场效应管的开／关转换时序。即利用这两个场效应管以并联方式(而非互补方式)并以500kHz转换速率交替开／关转换，从而产生高频方波。所形成的500kHz／±85V方波再和输入的音频信号一起进行调制。当输出电压为正相时，上方转换开关(即上方的场效应管)在ON(开)的位置较久，下方转换开关(即下方的场效应管)则在OFF(关)的位置较久；当输出电压升高时，上方转换开关在ON的位置较久，下方转换开关则在OFF的位置较短。反之，当输出电压为负相时，这些ON和OFF的逻辑电路关系相反。这些开关转换的变化速度达每秒百万次，转换时间为250ns。最后利用高阶低通滤波器(High Level Low Pass Filter)滤除超高频，仅保留音频信号用来驱动扬声器。
而数字放大器的整体负反馈是取自高阶低通滤波器的扬声器输出端，而回馈到信号汇总电路即调制器的输入端。利用适当的频率补偿电路和相位补偿电路在信号汇总电路之前和之后分别校正频率响应和相位响应，以提高信号的稳定度。此外，还利用一个伺服电路让直流偏移电平始终保持在一个极低的界限里。
4.Apogee DDX2000数字放大器
美国Apogee技术公司从1995年开始，致力于研制数字放大器，并在此领域取得多项专利。其数字放大器商标为DDX(Direct Digital Amplification)，其第一部商品化数字放大器型号为DDX2000。该机每声道输出功率100W，可以和数字音源如CD、DVD、MD、MP3、SACD等直接以数字音频信号相连，无数模转换及模拟信号放大处理，是一部真正的数字放大器。
5.乐林M10／12数字放大器
美国乐林(Jeff Rowland)是一家知名的HiEnd音响公司，面对数字音响的潮流涌来，乐林也不甘人后推出了自己的数字放大器，型号分别为M10和M12，见图2所示。其最大特点是采用了数字放大器的电源供应结构，但在整体信号放大处理方面难称之为“数字放大器”，准确地叫法应为：准数字放大器。
M10和M12均采用1MHz高速转换开关电源系统，这种独特的分离式开关电源(M10、12均采用分体式电源器供电)比其他类型的开关电源的速率快近10倍，能提供每声道200W的直流供电，可使聆听者听到更好的音乐控制力、清晰度和音乐感。M10、12采用经切削车工制成的铝合金机壳，除了外形典雅美观外，同时也具有极好的屏蔽作用，有效消除RF射频干扰和EMI电磁干扰。功率放大器设有同轴和平衡输入端子，特殊的喇叭接线端子，以及供家庭影院器材使用的开／关直流输入接口。内部电路结构，M10、12采用极为快速的一体化输入／输出电路设计，以最短的信号传输途径来获得较高的声音透明度。专利的低阻抗“平衡式帆船功率分配系统”(Balanced buss)可提供纯净精确的直流供电，且直接供电给需要电流的电路和元件。
原厂提供的部分技术指标：M10，一套二件，双声道设计，输出功率(每声道)150W／8Ω、275W／4Ω，频率响应0～160kHz，总谐波失真小于0.008％。M12，一套四件，单声道设计，输出功率(每声道)200W／8Ω、350W／4Ω，频率响应0～160kHz，总谐波失真小于0.008％。
6.确特SPM1200E、SPM12000U ltimate
英国确特电子公司(Chord Electronics)推出的这两款放大器也只属于准数字放大器。其中SPM1200E功率放大器采用Chord独家研制的电源正负动态耦合技术，亦即超高频转换电源动态供应技术。不论放大级所需的瞬态需求有多大或多复杂，其正端电源和负端电源均可彼此通过互补方式来保持相对平衡。这样处理可有效避免出现接地环路调制失真(Ground Loop Modulation Distorition)。充沛的电源储备加上可以瞬间供应精确控制的直流电，使得SPM1200E驱动任何类型的音箱(包括阻抗曲线凹陷过低的在内)都不费吹灰之力。另外，由于SPM1200E采用高效率的开关电源供电，所以削波失真(Clipping Distotion)几乎不存在。
而SPM12000 Ultimate功率放大器采用智能型开关电源供电系统，虽然该机还不能称之为数字放大器，但或多或少引入了数字放大技术，其每声道输出功率达900W(8Ω，0.02％THD)、1800W(4Ω)、3500W(2Ω)，是目前输出功率最强劲的立体声放大器之一。
7.TACT Millennium MKⅡ数字放大器
说到目前真正能推出全新的数字放大器的厂家，非来自丹麦的TACT公司莫属(但其产品多为美国制造)，见图3、4所示。TACT公司第一代数字放大器包括有RCS2.0数字前级放大器、Millennium MKⅡ数字功率放大器等。RCS2.0原厂称之为Room Correction Preamplifier，从字面上我们可以理解RCS2.0不但是一款数字前级，而且还是一台房间声学均衡处理器，通过先进的数字控制技术和电脑科技，来校正听音环境里的空间频率响应曲线，从而改善室内的听音效果。
TACT Millennium MKⅡ是一款真正的数字放大器，其面板中央那只大大的圆形显示屏展示了数字放大的迷人风采。据厂家资料称，该放大器转换速度较快，每秒可产生352800个脉冲波，实际上是一种精确的高速开关转换系统，它根据所需的电压确定出方波形式。在模拟放大器中，音频放大电路上的所有晶体管都是一直处于放大状态，而Millennium数字放大器中的晶体管至少有99.7％的时间是处于开或关的状态。由于在模拟音频通路中没有采用负反馈，因此该机具有以下特点：
(1)无任何振荡或衰减现象出现，所有失真均来自原始录音本身，而不是额外添加的。
(2)无转换引起的失真和瞬态互调失真。
(3)稳态失真和动态失真彼此相同。
(4)所产生的失真大部分是单独与频率、电平相关。
(5)受信号线、喇叭线的干扰甚微。
由于电压和电流早已有开关电源系统所准确决定，所以Millennium MKⅡ的压摆率(Slew rate)在输出滤波器之前，在全额电压状态下，可达6000V／μS，远远超过模拟放大器。由于电平是由电源电压所控制，所以解析度、信噪比以及失真等，在整个正常聆听音量范围里，始终保持恒定。再由于不必经过数／模转换，所以该机的信噪比远胜于传统的需要解码器处理的组合(如解码器 ＋前级＋后)，在－25dB输出比较的话，该机信噪比可以超过30dB。原厂提供Millennium每声道输出功率150W(8Ω)或者250W(4Ω)。
8.天奥TA－D990数字放大器
没想到吧，我们自己也研制生产出了数字放大器，由成都天奥(Spaceon)公司研制成功的全数字音频放大器目前已受到国家有关部门的高度评价和重视，并获得了国家在产业政策方面的大力支持。
由天奥推出的TAD990全数字音频功放，见图5所示，是天奥公司适应影音产品数字化发展的潮流，集从事多年数字音频信号处理研究技术成果，针对家用音响市场，采用独创的、具自主知识产权的DPA数字音频处理技术(多脉宽脉冲差值编码、平衡电桥、脉冲速推等独创技术)而推出的。与模拟放大器相比，TAD990数字放大器具有以下优点：直接接收CD、DVD等数字音源输出的同轴或光纤数字音频信号，直接以数字信号进行放大，体现了与数字音源的完美结合。高、中、低频无相对相移，声音清晰透明，声象定位准确。瞬态响应好，具有更好的“动力”特性。无过零失真。能量转换效率极高，耗电量仅为同功率等级模拟放大器的三分之一。大功率集成，体积小，可靠性高。原厂提供TAD990主要技术指标：频率响应20Hz～20kHz(≤±0.5dB)，动态范围≥93dB，总谐波失真≤0.05％，输出功率80W×2。
【结论】根据数字放大器的定义，真正的数字放大器应是直接从数字信号源如CD唱机、DVD影碟机、DVDAudio和SACD光碟机以及DTV数字电视等输入数字音频信号，然后经过线性放大处理，而输出线性放大的数字音频信号过程中，不经过任何的ADC模数转换或DAC数模转换处理，应是直接驱动扬声器发声。受相关技术的限制，目前市场上推出的数字放大器中有部分仍属准数字放大器，但它们的整体技术性能优势及优异的音质表现，正受到越来越多的人们所重视。加上其电源使用效率高达90％以上，节约能源，也符合环保要求，有越来越多的厂家投身到数字放大器的研制开发之中。相信随着数字放大技术的日益发展、成熟，全新一代的数字放大器将会更加耀眼夺目!
