基于ΣΔ調(diào)制的D類放大器系統(tǒng)設(shè)計與仿真

高愛國

(中國人民解放軍92853部隊4分隊，遼寧 葫蘆島 125106)

傳統(tǒng)的D類放大器調(diào)制方式主要采用脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)，在信號的頻譜中，除基頻信號外，還含有大量位于開關(guān)頻率倍頻處諧波分量，這些諧波幅值很大，是產(chǎn)生電磁干擾輻射的主要原因［1］。ΣΔ調(diào)制器具有獨特的過采樣技術(shù)和噪聲整形技術(shù)，所謂過采樣技術(shù)就是以遠(yuǎn)高于奈奎斯特采樣頻率的頻率對模擬信號進行采樣［2］，噪聲整形就是將低頻段的量化噪聲轉(zhuǎn)移到高頻段，從而減小信號基帶內(nèi)的量化噪聲，提高輸出信噪比［3－4］，高頻噪聲可通過低通濾波器濾除，應(yīng)用于音頻D類功放可以有效改善電磁干擾性能。目前ΣΔ調(diào)制在音頻D類放大器中已得到深入研究和廣泛應(yīng)用［5－8］。

ΣΔ調(diào)制應(yīng)用于D類放大器可以采用開環(huán)結(jié)構(gòu)，但是采用開環(huán)結(jié)構(gòu)功率輸出級的噪聲和非線性失真無法得到有效抑制，因此，設(shè)計了一種帶負(fù)反饋的D類放大器結(jié)構(gòu)［5］，如圖1所示。

這種帶負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的D類放大器，將功率輸出級的噪聲和非線性失真通過反饋接入到ΣΔ調(diào)制器的輸入端，構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)，通過ΣΔ調(diào)制器的噪聲整形技術(shù)以及閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)達(dá)到抑制功率輸出級噪聲和失真的目的。

圖1 閉環(huán)的ΣΔ調(diào)制D類放大器

1 系統(tǒng)建模

在該ΣΔ調(diào)制的D類放大器系統(tǒng)建模中，可以考慮將功率輸出級的噪聲和非線性失真用圖2所示的功率輸出級噪聲模型來表示。隨機噪聲分布可以用一個高斯分布函數(shù)表示，輸出級的非線性失真可以用二倍輸入信號頻率處的諧波分量表示［2］，這里不考慮更高次諧波分量的影響。

圖2 輸出級的噪聲和失真模型

根據(jù)以上建立的輸出級噪聲和失真模型，在Matlab的Simulink環(huán)境下分別建立一個開環(huán)和閉環(huán)D 類放大器非理想模型如圖3和圖4所示。

圖3表明，在ΣΔ調(diào)制器非理想模型的輸出端加上D類放大器時，輸出級的噪聲和非線性失真模型，功率輸出級放大倍數(shù)用一個增益模塊K表示，輸出為放大的開關(guān)信號。圖4表明，在ΣΔ調(diào)制器非理想模型的反饋回路加上輸出級的噪聲和非線性失真模型，將輸出級的噪聲和非線性失真通過反饋接入到ΣΔ調(diào)制器的輸入端，構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)。

2 仿真分析

為考查輸出級噪聲和非線性失真對閉環(huán)D類放大器性能的影響，這里，ΣΔ調(diào)制器的仿真參數(shù):過采樣率 OSR=128，帶寬 BW=25 kHz，采樣點數(shù) N=65536，采樣頻率 Fs=6400 kHz，輸入正弦波頻率Fin=7812.5 Hz，輸入正弦波幅值0.4877 V。保持其他條件不變，分別對功率開關(guān)輸出級的噪聲和非線性失真與輸出信噪比之間的關(guān)系進行仿真分析，如圖5和圖6所示。

圖5表明，當(dāng)二倍信號頻率處的一次諧波分量幅值＜0.2 V時，輸出信噪比保持在90 dB以上，當(dāng)幅值＞0.2 V時，輸出信噪比急劇下降，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。圖6表明，在噪聲幅度不大于0.1 V時，輸出信噪比基本保持在90 dB以上，當(dāng)幅度＞0.1 V時，輸出信噪比急劇減小。因此，當(dāng)噪聲和非線性失真超過某個界限值時，調(diào)制器將變的不穩(wěn)定，從而嚴(yán)重影響D類放大器的性能。

這里非線性失真的幅值取0.1 V，噪聲幅值取10－6V，考慮在實際應(yīng)用中噪聲和非線性失真一般不超過模型的設(shè)定值，對建立的開環(huán)和閉環(huán)D類放大器非理想模型分別進行仿真分析，輸出信號的功率譜密度如圖7～圖10所示。

圖7 開環(huán)結(jié)構(gòu)輸出信號功率譜

圖7給出了開環(huán)D類放大器非理想模型輸出信號的功率譜密度，圖8給出了圖7基帶部分細(xì)節(jié)，從圖中可得，一次諧波分量的峰值為－30 dB，如果不加以抑制，將嚴(yán)重影響D類放大器的性能。圖9為閉環(huán)D類放大器非理想模型輸出信號的功率譜密度，圖10為圖9基帶部分細(xì)節(jié)，從圖中可以得出，功率輸出級的一次諧波分量基本得到抑制，輸出信噪比保持在90 dB以上，滿足設(shè)計要求，同時，各級積分器的輸出范圍和量化器的輸入范圍都在－1～1 V，未發(fā)生過載現(xiàn)象，該閉環(huán)D類放大器的系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以得到保證。

3 結(jié)束語

文中在一個5階低通ΣΔ調(diào)制器的基礎(chǔ)上，設(shè)計一個帶負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的D類放大器，對ΣΔ調(diào)制應(yīng)用于D類放大器進行系統(tǒng)建模和仿真分析，仿真分析表明，ΣΔ調(diào)制的過采樣技術(shù)、噪聲整形技術(shù)以及閉環(huán)D類放大器的負(fù)反饋結(jié)構(gòu)能夠有效的抑制低頻段的噪聲和諧波失真，由于功率譜總能量保持不變，只將低頻段的噪聲和諧波失真能量推至高頻段，從而在基帶內(nèi)實現(xiàn)較高的信噪比。應(yīng)用于音頻D類功放，可以通過低通濾波器來濾除高頻諧波能量，降低電磁干擾的危害，有效改善D類放大器的電磁干擾性能。

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