基于ΣΔ調(diào)制的D類放大器系統(tǒng)設計與仿真

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用［5－8］。

ΣΔ調(diào)制應用于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，設計了一種帶負反饋的D類放大器結(jié)構(gòu)［5］，如圖1所示。

這種帶負反饋結(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，分別對功率開關輸出級的噪聲和非線性失真與輸出信噪比之間的關系進行仿真分析，如圖5和圖6所示。

圖5表明，當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，當幅度＞0.1 V時，輸出信噪比急劇減小。因此，當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，考慮在實際應用中噪聲和非線性失真一般不超過模型的設定值，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)制器的基礎上，設計一個帶負反饋結(jié)構(gòu)的D類放大器，對ΣΔ調(diào)制應用于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。

［1］GAALA A S.Integrated stereo delta － sigma class D amplifier［J］.IEEE Journal of Solid － State Circuits，2005，40(12):2388－2397.

［2］FUJIMOTO Y S，PSCAL L R，MASAYUKI M.A delta－sigma modulator for a 1 － bit digital switching amplifier［J］.IEEE Journal of Solid － State Circuits，2005，40(9):1865 －1871.

［3］SCHREIER R.An empirical study of high order single－ bit delta － sigma modulator［J］.IEEE Transactions On Circuits And System，1993，40(8):309 －466.

［4］李冬梅，高文煥，張鴻遠.用于過采樣 ΣΔ A/D轉(zhuǎn)化器的ΣΔ 調(diào)制器［J］.微電子學，2000，30(2):72 －82.

［5］ENRICO D，GIUSEPPE D.A current mode power sigma －delta modulator for audio applications［J］.IEEE Trans on Industrial Electronics，2005，52(1):236 －242.

［6］HEIN S，ZAKHOR A.On the stability of sigma delta modulators［J］.IEEE Transactions on Signal Process，1993，41(7):2322－2348.

［7］李冬梅，高文煥，張鴻遠，等.過采樣Sigma Delta調(diào)制器的研究和仿真［J］.清華大學學報:自然科學版，2000，40(7):89－92.

［8］徐景，莫亭亭，方樂章.用于D類放大器的ΔΣ調(diào)制器系統(tǒng)分析與設計［J］.微電子學與計算機，2008，25(2):164－167.