基于∑△調(diào)制的D類放大器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

摘要 針對(duì)傳統(tǒng)D類放大器脈寬調(diào)制技術(shù)引起的電磁干擾問(wèn)題，將一個(gè)5階低通∑△調(diào)制器應(yīng)用于一種帶反饋閉環(huán)結(jié)構(gòu)的D類放大器中。通過(guò)建立∑△調(diào)制D類放大器的非理想模型，考察輸出信號(hào)的功率譜特性。仿真分析表明，該模型能夠有效抑制低頻段的噪聲和諧波失真，在基帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的信噪比，應(yīng)用于D類功放，與傳統(tǒng)脈寬調(diào)制方式相比，有效地改善電磁干擾性能。
關(guān)鍵詞 D類放大器；∑△調(diào)制；電磁干擾；功率譜密度

    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(hào)的頻譜中，除基頻信號(hào)外，還含有大量位于開(kāi)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。∑△調(diào)制器具有獨(dú)特的過(guò)采樣技術(shù)和噪聲整形技術(shù)，所謂過(guò)采樣技術(shù)就是以遠(yuǎn)高于奈奎斯特采樣頻率的頻率對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，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(hào)基帶內(nèi)的量化噪聲，提高輸出信噪比，高頻噪聲可通過(guò)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∑△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。
    ∑△調(diào)制應(yīng)用于D類放大器可以采用開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，但是采用開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)功率輸出級(jí)的噪聲和非線性失真無(wú)法得到有效抑制，因此，設(shè)計(jì)了一種帶負(fù)反饋的D類放大器結(jié)構(gòu)，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(jí)的噪聲和非線性失真通過(guò)反饋接入到∑△調(diào)制器的輸入端，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)∑△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(jí)噪聲和失真的目的。

1 系統(tǒng)建模
    在該∑△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(jí)的噪聲和非線性失真用圖2所示的功率輸出級(jí)噪聲模型來(lái)表示。隨機(jī)噪聲分布可以用一個(gè)高斯分布函數(shù)表示，輸出級(jí)的非線性失真可以用二倍輸入信號(hào)頻率處的諧波分量表示，這里不考慮更高次諧波分量的影響。

    根據(jù)以上建立的輸出級(jí)噪聲和失真模型，在Matlab的Simulink環(huán)境下分別建立一個(gè)開(kāi)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∑△調(diào)制器非理想模型的輸出端加上D類放大器時(shí)，輸出級(jí)的噪聲和非線性失真模型，功率輸出級(jí)放大倍數(shù)用一個(gè)增益模塊K表示，輸出為放大的開(kāi)關(guān)信號(hào)。圖4表明，在∑△調(diào)制器非理想模型的反饋回路加上輸出級(jí)的噪聲和非線性失真模型，將輸出級(jí)的噪聲和非線性失真通過(guò)反饋接入到∑△調(diào)制器的輸入端，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。

2 仿真分析
    為考查輸出級(jí)噪聲和非線性失真對(duì)閉環(huán)D類放大器性能的影響，這里，∑△調(diào)制器的仿真參數(shù)：過(guò)采樣率OSR=128，帶寬BW=25 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)N=65 536，采樣頻率Fs=6 400 kHz，輸入正弦波頻率Fin=7 812．5 Hz，輸入正弦波幅值0．487 7 V。保持其他條件不變，分別對(duì)功率開(kāi)關(guān)輸出級(jí)的噪聲和非線性失真與輸出信噪比之間的關(guān)系進(jìn)行仿真分析，如圖5和圖6所示。

    圖5表明，當(dāng)二倍信號(hào)頻率處的一次諧波分量幅值<0．2 V時(shí)，輸出信噪比保持在90 dB以上，當(dāng)幅值>0．2 V時(shí)，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(shí)，輸出信噪比基本保持在90 dB以上，當(dāng)幅度>0．1 V時(shí)，輸出信噪比急劇減小。因此，當(dāng)噪聲和非線性失真超過(guò)某個(gè)界限值時(shí)，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(shí)際應(yīng)用中噪聲和非線性失真一般不超過(guò)模型的設(shè)定值，對(duì)建立的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)D類放大器非理想模型分別進(jìn)行仿真分析，輸出信號(hào)的功率譜密度如圖7～圖10所示。

    圖7給出了開(kāi)環(huán)D類放大器非理想模型輸出信號(hào)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(hào)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(jí)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(jì)要求，同時(shí)，各級(jí)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(guò)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(yǔ)
    文中在一個(gè)5階低通∑△調(diào)制器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)帶負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的D類放大器，對(duì)∑△調(diào)制應(yīng)用于D類放大器進(jìn)行系統(tǒng)建模和仿真分析，仿真分析表明，∑△調(diào)制的過(guò)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(shí)現(xiàn)較高的信噪比。應(yīng)用于音頻D類功放，可以通過(guò)低通濾波器來(lái)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。