顧愛(ài)民

一種降低D類(lèi)功率放大器開(kāi)關(guān)噪聲的設(shè)計(jì)

顧愛(ài)民

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108)

傳統(tǒng)D類(lèi)功率放大器因特有的開(kāi)關(guān)噪聲對(duì)水下電子設(shè)備的信號(hào)接收、通信控制和信號(hào)傳輸?shù)入娦盘?hào)產(chǎn)生很大的干擾，限制了D類(lèi)功率放大器在水下電子設(shè)備中的廣泛應(yīng)用針對(duì)這一現(xiàn)象，首先闡明了Σ-Δ調(diào)制的D類(lèi)功率放大器降低開(kāi)關(guān)噪聲的原理，然后對(duì)傳統(tǒng)調(diào)制方式和Σ-Δ調(diào)制方式的D類(lèi)功率放大器進(jìn)行原理分析，并在Simulink軟件中進(jìn)行仿真對(duì)比。仿真結(jié)果表明，傳統(tǒng)D類(lèi)功率放大器在開(kāi)關(guān)頻率處的開(kāi)關(guān)噪聲能量高，Σ-Δ調(diào)制的D類(lèi)功率放大器的開(kāi)關(guān)噪聲能量分散在一定的帶寬內(nèi)，并且開(kāi)關(guān)噪聲能量峰值低于傳統(tǒng)D類(lèi)功率放大器。

開(kāi)關(guān)噪聲；Σ-Δ調(diào)制；D類(lèi)功率放大器

0 引言

功率放大器是水下對(duì)抗設(shè)備中不可或缺的一部分，被廣泛應(yīng)用于信號(hào)的放大和驅(qū)動(dòng)控制中，相對(duì)于線性放大器，D類(lèi)功率放大器的功率管處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，具有高效率、小體積的優(yōu)點(diǎn)。但D類(lèi)功率放大器在開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高頻的開(kāi)關(guān)噪聲，對(duì)水下信號(hào)的接收、通信控制和信號(hào)傳輸造成干擾，影響到水下設(shè)備的整體性能。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文將Σ-Δ調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于D類(lèi)功率放大器中，因Σ-Δ方式將開(kāi)關(guān)噪聲的能量分布在一定的帶寬內(nèi)，從而降低了開(kāi)關(guān)噪聲峰值能量，再輔以噪聲整形，可降低帶內(nèi)噪聲。通過(guò)在Simulink軟件中建立模型對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行仿真分析，為Σ-Δ調(diào)制技術(shù)在D類(lèi)功率放大器中的應(yīng)用提供了理論支撐。

1 Σ-Δ調(diào)制器的工作原理

Σ-Δ調(diào)制器是一種噪聲整形過(guò)采樣濾波器，可對(duì)信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣，并通過(guò)噪聲整形技術(shù)將量化噪聲集中到帶外的高頻范圍內(nèi)，使帶內(nèi)的噪聲大大降低。此過(guò)采樣與噪聲整形技術(shù)，以增加帶外范圍噪聲為代價(jià)，可將量化噪聲由白噪聲變?yōu)檎卧肼暎瑥亩功?Δ調(diào)制具有在帶內(nèi)達(dá)到較高的信噪比[1]的優(yōu)點(diǎn)。此調(diào)制器的D類(lèi)功率放大器的反饋端連接在功率管的輸出端，根據(jù)輸出信號(hào)幅度大小來(lái)設(shè)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(kāi)關(guān)噪聲并減少電磁輻射[2]。

所建立的Σ-Δ調(diào)制器數(shù)學(xué)模型[3]如圖1所示，圖中為輸入信號(hào)，為量化后的信號(hào)，表示量化噪聲。由模型可得

解得

為信號(hào)傳遞函數(shù)，為噪聲傳遞函數(shù)，若欲得到高的信噪比整形結(jié)果，則需要在信號(hào)頻帶內(nèi)低，在信號(hào)頻帶內(nèi)平坦。

一種重要的Σ-Δ調(diào)制器結(jié)構(gòu)是不使用()模塊，即()=1，這時(shí)()必須具有積分器的形式才能獲得所需的響應(yīng)。在最簡(jiǎn)單的情況下，()為帶一個(gè)延遲的積分器，即：

由此可得最簡(jiǎn)單的一階調(diào)制器，即：

在簡(jiǎn)單的一階Σ-Δ調(diào)制器的環(huán)路中使用個(gè)積分器可得到簡(jiǎn)單的階Σ-Δ調(diào)制器，可得：

2 不同調(diào)制方式噪聲仿真分析

D類(lèi)功率放大器對(duì)于信號(hào)頻率的適應(yīng)范圍與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)，與采取不同調(diào)制方式的相關(guān)性不大。本文采用Simulink對(duì)傳統(tǒng)脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)和Σ-Δ調(diào)制器控制的D類(lèi)功率放大器進(jìn)行仿真。在仿真時(shí)，設(shè)置為相同的開(kāi)關(guān)頻率和輸出幅度，以便對(duì)不同調(diào)制方式的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為D類(lèi)功率放大器的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)作用。

2.1 傳統(tǒng)PWM調(diào)制器仿真

傳統(tǒng)PWM調(diào)制的原理如圖2所示[4]。傳統(tǒng)PWM將輸入信號(hào)與固定頻率的鋸齒波或三角波進(jìn)行比較，得到包含輸入信號(hào)信息的PWM信號(hào)，在一個(gè)PWM周期內(nèi)，占空比的大小正比于輸入信號(hào)的幅值，PWM的頻率與鋸齒波或三角波的頻率一致。將PWM信號(hào)通過(guò)功率管放大，輸入信號(hào)跟隨著放大，再將放大后的PWM通過(guò)低通濾波電路，可恢復(fù)輸入信號(hào)的信息，達(dá)到了放大輸入信號(hào)的目的。

圖2 傳統(tǒng)PWM調(diào)制原理圖

由于PWM波的頻率為固定值，在開(kāi)關(guān)頻率處存在較大的開(kāi)關(guān)尖峰和開(kāi)關(guān)噪聲，在此對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行仿真分析。傳統(tǒng)PWM調(diào)制的D類(lèi)功放在Simulink軟件中的仿真模型如圖3所示，輸入信號(hào)與鋸齒波比較，然后將比較后輸出的信號(hào)放大，最后通過(guò)低通濾波器還原輸入信號(hào)的信息。

圖3 傳統(tǒng)PWM調(diào)制器仿真模型

2.2 Σ-Δ調(diào)制器仿真

通過(guò)對(duì)Σ-Δ調(diào)制器的工作原理的分析，可得出Σ-Δ調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)方式是輸入信號(hào)通過(guò)輸出信號(hào)相加放大后，經(jīng)過(guò)積分、量化、放大、濾波恢復(fù)輸入信號(hào)信息后輸出，可通過(guò)Σ-Δ調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)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(diào)制器在對(duì)信號(hào)調(diào)制時(shí)，其開(kāi)關(guān)頻率不為固定值，開(kāi)關(guān)頻率分布在一定的帶寬內(nèi)，可有效降低開(kāi)關(guān)尖峰和開(kāi)關(guān)噪聲。

圖4 Σ-Δ調(diào)制器的仿真模型

2.3 仿真結(jié)果分析

將傳統(tǒng)PWM調(diào)制及Σ-Δ調(diào)制控制的D類(lèi)功率放大器的開(kāi)關(guān)頻率、信號(hào)輸出幅度、放大倍數(shù)等其他主要仿真參數(shù)均設(shè)置相同，開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為66 kHz。為了便于數(shù)據(jù)的表述，在此將功率放大電路的輸出采用dB的方式進(jìn)行描述，仿真時(shí)設(shè)置所需放大信號(hào)的頻率為1 kHz，輸出信號(hào)的功率譜為32 dB左右，在Simulink軟件中的仿真結(jié)果如圖5所示。在1、2、3、4、5 kHz的功率譜結(jié)果見(jiàn)表1。

圖5 兩種方式調(diào)制的D類(lèi)功率放大器開(kāi)關(guān)噪聲功率譜仿真結(jié)果

表1 兩種方式調(diào)制的D類(lèi)放大器輸出信號(hào)譜級(jí)的仿真結(jié)果對(duì)比(信號(hào)頻率為1 kHz)

由圖5可以得出，傳統(tǒng)PWM調(diào)制器的開(kāi)關(guān)功率能量聚集在開(kāi)關(guān)頻率附近，峰值功率為37.16 dB，頻點(diǎn)為66.2 kHz，Σ-Δ調(diào)制器將開(kāi)關(guān)頻率能量分散在一定的帶寬內(nèi)，在30～73 kHz頻段內(nèi)最大的功率能量為27.44 dB，頻點(diǎn)為63.05 kHz，由此可得，采用Σ-Δ調(diào)制器在開(kāi)關(guān)頻率處的峰值功率能量較傳統(tǒng)PWM調(diào)制器低10 dB左右，達(dá)到了降低開(kāi)關(guān)噪聲的目的。

由表1可以得出，兩種調(diào)制器在輸出信號(hào)相同的條件下，傳統(tǒng)PWM調(diào)制器在2、3、4、5 kHz頻點(diǎn)處的功率譜數(shù)值大于Σ-Δ調(diào)制器在相關(guān)頻點(diǎn)的功率譜數(shù)值，并由圖5中可看出，在1～18 kHz頻帶內(nèi)，Σ-Δ調(diào)制器的帶內(nèi)噪聲較傳統(tǒng)PWM調(diào)制器的帶內(nèi)噪聲低6 dB左右。

2.4 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)傳統(tǒng)PWM及Σ-Δ調(diào)制控制的D類(lèi)功率放大器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為66 kHz左右，測(cè)試信號(hào)的頻率為1 kHz，傳統(tǒng)PWM和Σ-Δ調(diào)制器測(cè)試結(jié)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(jié)果見(jiàn)表2。由圖6和圖7可以看出，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，由表2的實(shí)測(cè)結(jié)果可得出，在1～18 kHz頻帶內(nèi)，Σ-Δ調(diào)制器的帶內(nèi)噪聲較傳統(tǒng)PWM調(diào)制器的帶內(nèi)噪聲低4 dB左右。

圖6 傳統(tǒng)PWM調(diào)制器的測(cè)試結(jié)果

圖7 Σ-Δ調(diào)制器測(cè)試結(jié)果

表2 兩種調(diào)制器輸出信號(hào)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)兩種功率放大器調(diào)制方式的仿真和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，可以得出Σ-Δ調(diào)制方式的D類(lèi)功率放大器在工作時(shí)將開(kāi)關(guān)頻率能量分散在一定的帶寬內(nèi)。在主要仿真參數(shù)均設(shè)置相同的條件下，開(kāi)關(guān)頻率處的能量峰值較傳統(tǒng)PWM調(diào)制方式的D類(lèi)功率放大器低10 dB左右，降低了輻射和傳導(dǎo)干擾的能量。仿真結(jié)果顯示，帶內(nèi)的噪聲最大值較傳統(tǒng)PWM調(diào)制器的帶內(nèi)噪聲低6 dB左右；實(shí)測(cè)結(jié)果顯示帶內(nèi)的噪聲最大值較傳統(tǒng)PWM調(diào)制器的帶內(nèi)噪聲低4 dB左右，與仿真結(jié)果相符。本文為設(shè)計(jì)出低噪聲、低電磁輻射的D類(lèi)功率放大器提供了理論支撐。

[1] 馬宵偉. Sigma-Delta DAC數(shù)字調(diào)制器研究、設(shè)計(jì)及FPGA實(shí)現(xiàn) [D]. 合肥: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué), 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.

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[4] 李兆璽, 黃國(guó)勇, 高威, 等. 基于PWM的數(shù)字功率放大實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2019, 5: 111-114．

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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(nèi)部基金(170623)

顧愛(ài)民(1971－), 男, 上海人, 本科, 工程師, 研究方向?yàn)殡娮釉O(shè)備。

顧愛(ài)民,E-mail: guaimin1@126.com