一種降低D類功率放大器開關噪聲的設計

顧愛民

一種降低D類功率放大器開關噪聲的設計

顧愛民

(上海船舶電子設備研究所，上海 201108)

傳統D類功率放大器因特有的開關噪聲對水下電子設備的信號接收、通信控制和信號傳輸等電信號產生很大的干擾，限制了D類功率放大器在水下電子設備中的廣泛應用針對這一現象，首先闡明了Σ-Δ調制的D類功率放大器降低開關噪聲的原理，然后對傳統調制方式和Σ-Δ調制方式的D類功率放大器進行原理分析，并在Simulink軟件中進行仿真對比。仿真結果表明，傳統D類功率放大器在開關頻率處的開關噪聲能量高，Σ-Δ調制的D類功率放大器的開關噪聲能量分散在一定的帶寬內，并且開關噪聲能量峰值低于傳統D類功率放大器。

開關噪聲；Σ-Δ調制；D類功率放大器

0 引言

功率放大器是水下對抗設備中不可或缺的一部分，被廣泛應用于信號的放大和驅動控制中，相對于線性放大器，D類功率放大器的功率管處于開關狀態，具有高效率、小體積的優點。但D類功率放大器在開關過程中會產生高頻的開關噪聲，對水下信號的接收、通信控制和信號傳輸造成干擾，影響到水下設備的整體性能。

針對上述問題，本文將Σ-Δ調制技術應用于D類功率放大器中，因Σ-Δ方式將開關噪聲的能量分布在一定的帶寬內，從而降低了開關噪聲峰值能量，再輔以噪聲整形，可降低帶內噪聲。通過在Simulink軟件中建立模型對此項技術進行仿真分析，為Σ-Δ調制技術在D類功率放大器中的應用提供了理論支撐。

1 Σ-Δ調制器的工作原理

Σ-Δ調制器是一種噪聲整形過采樣濾波器，可對信號進行過采樣，并通過噪聲整形技術將量化噪聲集中到帶外的高頻范圍內，使帶內的噪聲大大降低。此過采樣與噪聲整形技術，以增加帶外范圍噪聲為代價，可將量化噪聲由白噪聲變為整形噪聲，從而使Σ-Δ調制具有在帶內達到較高的信噪比[1]的優點。此調制器的D類功率放大器的反饋端連接在功率管的輸出端，根據輸出信號幅度大小來設置量化器的遲滯，可以有效抑制功率管輸出的高頻成分，大量降低開關噪聲并減少電磁輻射[2]。

所建立的Σ-Δ調制器數學模型[3]如圖1所示，圖中為輸入信號，為量化后的信號，表示量化噪聲。由模型可得

解得

為信號傳遞函數，為噪聲傳遞函數，若欲得到高的信噪比整形結果，則需要在信號頻帶內低，在信號頻帶內平坦。

一種重要的Σ-Δ調制器結構是不使用()模塊，即()=1，這時()必須具有積分器的形式才能獲得所需的響應。在最簡單的情況下，()為帶一個延遲的積分器，即：

由此可得最簡單的一階調制器，即：

在簡單的一階Σ-Δ調制器的環路中使用個積分器可得到簡單的階Σ-Δ調制器，可得：

2 不同調制方式噪聲仿真分析

D類功率放大器對于信號頻率的適應范圍與開關頻率有關，與采取不同調制方式的相關性不大。本文采用Simulink對傳統脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation, PWM)和Σ-Δ調制器控制的D類功率放大器進行仿真。在仿真時，設置為相同的開關頻率和輸出幅度，以便對不同調制方式的仿真結果進行對比分析，為D類功率放大器的設計提供指導作用。

2.1 傳統PWM調制器仿真

傳統PWM調制的原理如圖2所示[4]。傳統PWM將輸入信號與固定頻率的鋸齒波或三角波進行比較，得到包含輸入信號信息的PWM信號，在一個PWM周期內，占空比的大小正比于輸入信號的幅值，PWM的頻率與鋸齒波或三角波的頻率一致。將PWM信號通過功率管放大，輸入信號跟隨著放大，再將放大后的PWM通過低通濾波電路，可恢復輸入信號的信息，達到了放大輸入信號的目的。

圖2 傳統PWM調制原理圖

由于PWM波的頻率為固定值，在開關頻率處存在較大的開關尖峰和開關噪聲，在此對這一現象進行仿真分析。傳統PWM調制的D類功放在Simulink軟件中的仿真模型如圖3所示，輸入信號與鋸齒波比較，然后將比較后輸出的信號放大，最后通過低通濾波器還原輸入信號的信息。

圖3 傳統PWM調制器仿真模型

2.2 Σ-Δ調制器仿真

通過對Σ-Δ調制器的工作原理的分析，可得出Σ-Δ調制器的實現方式是輸入信號通過輸出信號相加放大后，經過積分、量化、放大、濾波恢復輸入信號信息后輸出，可通過Σ-Δ調制器的實現方式完成在Simulink軟件中的仿真模型，仿真模型如圖4所示。Σ-Δ調制器在對信號調制時，其開關頻率不為固定值，開關頻率分布在一定的帶寬內，可有效降低開關尖峰和開關噪聲。

圖4 Σ-Δ調制器的仿真模型

2.3 仿真結果分析

將傳統PWM調制及Σ-Δ調制控制的D類功率放大器的開關頻率、信號輸出幅度、放大倍數等其他主要仿真參數均設置相同，開關頻率設置為66 kHz。為了便于數據的表述，在此將功率放大電路的輸出采用dB的方式進行描述，仿真時設置所需放大信號的頻率為1 kHz，輸出信號的功率譜為32 dB左右，在Simulink軟件中的仿真結果如圖5所示。在1、2、3、4、5 kHz的功率譜結果見表1。

圖5 兩種方式調制的D類功率放大器開關噪聲功率譜仿真結果

表1 兩種方式調制的D類放大器輸出信號譜級的仿真結果對比(信號頻率為1 kHz)

由圖5可以得出，傳統PWM調制器的開關功率能量聚集在開關頻率附近，峰值功率為37.16 dB，頻點為66.2 kHz，Σ-Δ調制器將開關頻率能量分散在一定的帶寬內，在30～73 kHz頻段內最大的功率能量為27.44 dB，頻點為63.05 kHz，由此可得，采用Σ-Δ調制器在開關頻率處的峰值功率能量較傳統PWM調制器低10 dB左右，達到了降低開關噪聲的目的。

由表1可以得出，兩種調制器在輸出信號相同的條件下，傳統PWM調制器在2、3、4、5 kHz頻點處的功率譜數值大于Σ-Δ調制器在相關頻點的功率譜數值，并由圖5中可看出，在1～18 kHz頻帶內，Σ-Δ調制器的帶內噪聲較傳統PWM調制器的帶內噪聲低6 dB左右。

2.4 實驗室測試結果分析

對傳統PWM及Σ-Δ調制控制的D類功率放大器進行實驗室測試，開關頻率設置為66 kHz左右，測試信號的頻率為1 kHz，傳統PWM和Σ-Δ調制器測試結果分別如圖6和圖7所示。在頻率1、2、3、4、5、10、15、18 kHz的功率譜結果見表2。由圖6和圖7可以看出，實測結果與仿真結果一致，由表2的實測結果可得出，在1～18 kHz頻帶內，Σ-Δ調制器的帶內噪聲較傳統PWM調制器的帶內噪聲低4 dB左右。

圖6 傳統PWM調制器的測試結果

圖7 Σ-Δ調制器測試結果

表2 兩種調制器輸出信號測試結果對比

3 結論

本文通過對兩種功率放大器調制方式的仿真和實驗室測試，可以得出Σ-Δ調制方式的D類功率放大器在工作時將開關頻率能量分散在一定的帶寬內。在主要仿真參數均設置相同的條件下，開關頻率處的能量峰值較傳統PWM調制方式的D類功率放大器低10 dB左右，降低了輻射和傳導干擾的能量。仿真結果顯示，帶內的噪聲最大值較傳統PWM調制器的帶內噪聲低6 dB左右；實測結果顯示帶內的噪聲最大值較傳統PWM調制器的帶內噪聲低4 dB左右，與仿真結果相符。本文為設計出低噪聲、低電磁輻射的D類功率放大器提供了理論支撐。

[1] 馬宵偉. Sigma-Delta DAC數字調制器研究、設計及FPGA實現 [D]. 合肥: 中國科學技術大學, 2015.

MA Xiaowei. Sigma-Delta DAC digital modulator research, design and FPGA realization[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2015.

[2] FUJIMOTO Y, RE P L, MIYAMOTO M. A Delta-Sigma modulator for a 1-bit digital switching amplifier[J]. IEEE Journal of Solid of Soldhnology of Chin, 2005, 40(9): 186551871.

[3] FRANCO M. Data converters[M]. New York: Springer-Verlag, 2007.

[4] 李兆璽, 黃國勇, 高威, 等. 基于PWM的數字功率放大實驗系統設計與實現[J]. 實驗技術與管理, 2019, 5: 111-114．

LI Zhaoxi, HUANG Guoyong, GAO Wei, et al. Design and realization of digital power amplification experiment system based on PWM[J]. Experimental Technology and Management, 2015, 36(5): 111-114.

A design for reducing switching noise of Class-D power amplifier

GU Aimin

(Shanghai Marine Electronic Equipment Researsh Institute, Shanghai 201108, China)

The switching noise accompanying in traditional Class-D power amplifier operation limits its wide application in underwater equipment due to its bad impacts on signal reception, communication control and signal transmission. In view of this phenomenon, this paper first explains the principle of reducing switching noise of Class-D power amplifier by using Σ-Δ modulation, and then analyzes and compares the principles of Class-D power amplifier modulated by traditional PWM and Σ-Δ modes with Simulink software. The simulation results show that the traditional Class-D power amplifier generates high energy switching noise at the switching frequency, and the Σ-Δ modulated Class-D power amplifier makes the switching noise energy dispersing in a certain bandwidth, so that the peak energy of switching noise is lower than that of the traditional PWM modulation mode.

switching noise; Σ-Δ modulation; Class-D power amplifier

TB556

A

1000-3630(2020)-02-0257-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2020.02.022

2019-09-02;

2019-12-30

研究所內部基金(170623)

顧愛民(1971－), 男, 上海人, 本科, 工程師, 研究方向為電子設備。

顧愛民,E-mail: guaimin1@126.com