一种降低D类功率放大器开关噪声的设计

顾爱民

一种降低D类功率放大器开关噪声的设计

顾爱民

(上海船舶电子设备研究所，上海 201108)

传统D类功率放大器因特有的开关噪声对水下电子设备的信号接收、通信控制和信号传输等电信号产生很大的干扰，限制了D类功率放大器在水下电子设备中的广泛应用针对这一现象，首先阐明了Σ-Δ调制的D类功率放大器降低开关噪声的原理，然后对传统调制方式和Σ-Δ调制方式的D类功率放大器进行原理分析，并在Simulink软件中进行仿真对比。仿真结果表明，传统D类功率放大器在开关频率处的开关噪声能量高，Σ-Δ调制的D类功率放大器的开关噪声能量分散在一定的带宽内，并且开关噪声能量峰值低于传统D类功率放大器。

开关噪声；Σ-Δ调制；D类功率放大器

0 引言

功率放大器是水下对抗设备中不可或缺的一部分，被广泛应用于信号的放大和驱动控制中，相对于线性放大器，D类功率放大器的功率管处于开关状态，具有高效率、小体积的优点。但D类功率放大器在开关过程中会产生高频的开关噪声，对水下信号的接收、通信控制和信号传输造成干扰，影响到水下设备的整体性能。

针对上述问题，本文将Σ-Δ调制技术应用于D类功率放大器中，因Σ-Δ方式将开关噪声的能量分布在一定的带宽内，从而降低了开关噪声峰值能量，再辅以噪声整形，可降低带内噪声。通过在Simulink软件中建立模型对此项技术进行仿真分析，为Σ-Δ调制技术在D类功率放大器中的应用提供了理论支撑。

1 Σ-Δ调制器的工作原理

Σ-Δ调制器是一种噪声整形过采样滤波器，可对信号进行过采样，并通过噪声整形技术将量化噪声集中到带外的高频范围内，使带内的噪声大大降低。此过采样与噪声整形技术，以增加带外范围噪声为代价，可将量化噪声由白噪声变为整形噪声，从而使Σ-Δ调制具有在带内达到较高的信噪比[1]的优点。此调制器的D类功率放大器的反馈端连接在功率管的输出端，根据输出信号幅度大小来设置量化器的迟滞，可以有效抑制功率管输出的高频成分，大量降低开关噪声并减少电磁辐射[2]。

所建立的Σ-Δ调制器数学模型[3]如图1所示，图中为输入信号，为量化后的信号，表示量化噪声。由模型可得

解得

为信号传递函数，为噪声传递函数，若欲得到高的信噪比整形结果，则需要在信号频带内低，在信号频带内平坦。

一种重要的Σ-Δ调制器结构是不使用()模块，即()=1，这时()必须具有积分器的形式才能获得所需的响应。在最简单的情况下，()为带一个延迟的积分器，即：

由此可得最简单的一阶调制器，即：

在简单的一阶Σ-Δ调制器的环路中使用个积分器可得到简单的阶Σ-Δ调制器，可得：

2 不同调制方式噪声仿真分析

D类功率放大器对于信号频率的适应范围与开关频率有关，与采取不同调制方式的相关性不大。本文采用Simulink对传统脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)和Σ-Δ调制器控制的D类功率放大器进行仿真。在仿真时，设置为相同的开关频率和输出幅度，以便对不同调制方式的仿真结果进行对比分析，为D类功率放大器的设计提供指导作用。

2.1 传统PWM调制器仿真

传统PWM调制的原理如图2所示[4]。传统PWM将输入信号与固定频率的锯齿波或三角波进行比较，得到包含输入信号信息的PWM信号，在一个PWM周期内，占空比的大小正比于输入信号的幅值，PWM的频率与锯齿波或三角波的频率一致。将PWM信号通过功率管放大，输入信号跟随着放大，再将放大后的PWM通过低通滤波电路，可恢复输入信号的信息，达到了放大输入信号的目的。

图2 传统PWM调制原理图

由于PWM波的频率为固定值，在开关频率处存在较大的开关尖峰和开关噪声，在此对这一现象进行仿真分析。传统PWM调制的D类功放在Simulink软件中的仿真模型如图3所示，输入信号与锯齿波比较，然后将比较后输出的信号放大，最后通过低通滤波器还原输入信号的信息。

图3 传统PWM调制器仿真模型

2.2 Σ-Δ调制器仿真

通过对Σ-Δ调制器的工作原理的分析，可得出Σ-Δ调制器的实现方式是输入信号通过输出信号相加放大后，经过积分、量化、放大、滤波恢复输入信号信息后输出，可通过Σ-Δ调制器的实现方式完成在Simulink软件中的仿真模型，仿真模型如图4所示。Σ-Δ调制器在对信号调制时，其开关频率不为固定值，开关频率分布在一定的带宽内，可有效降低开关尖峰和开关噪声。

图4 Σ-Δ调制器的仿真模型

2.3 仿真结果分析

将传统PWM调制及Σ-Δ调制控制的D类功率放大器的开关频率、信号输出幅度、放大倍数等其他主要仿真参数均设置相同，开关频率设置为66 kHz。为了便于数据的表述，在此将功率放大电路的输出采用dB的方式进行描述，仿真时设置所需放大信号的频率为1 kHz，输出信号的功率谱为32 dB左右，在Simulink软件中的仿真结果如图5所示。在1、2、3、4、5 kHz的功率谱结果见表1。

图5 两种方式调制的D类功率放大器开关噪声功率谱仿真结果

表1 两种方式调制的D类放大器输出信号谱级的仿真结果对比(信号频率为1 kHz)

由图5可以得出，传统PWM调制器的开关功率能量聚集在开关频率附近，峰值功率为37.16 dB，频点为66.2 kHz，Σ-Δ调制器将开关频率能量分散在一定的带宽内，在30～73 kHz频段内最大的功率能量为27.44 dB，频点为63.05 kHz，由此可得，采用Σ-Δ调制器在开关频率处的峰值功率能量较传统PWM调制器低10 dB左右，达到了降低开关噪声的目的。

由表1可以得出，两种调制器在输出信号相同的条件下，传统PWM调制器在2、3、4、5 kHz频点处的功率谱数值大于Σ-Δ调制器在相关频点的功率谱数值，并由图5中可看出，在1～18 kHz频带内，Σ-Δ调制器的带内噪声较传统PWM调制器的带内噪声低6 dB左右。

2.4 实验室测试结果分析

对传统PWM及Σ-Δ调制控制的D类功率放大器进行实验室测试，开关频率设置为66 kHz左右，测试信号的频率为1 kHz，传统PWM和Σ-Δ调制器测试结果分别如图6和图7所示。在频率1、2、3、4、5、10、15、18 kHz的功率谱结果见表2。由图6和图7可以看出，实测结果与仿真结果一致，由表2的实测结果可得出，在1～18 kHz频带内，Σ-Δ调制器的带内噪声较传统PWM调制器的带内噪声低4 dB左右。

图6 传统PWM调制器的测试结果

图7 Σ-Δ调制器测试结果

表2 两种调制器输出信号测试结果对比

3 结论

本文通过对两种功率放大器调制方式的仿真和实验室测试，可以得出Σ-Δ调制方式的D类功率放大器在工作时将开关频率能量分散在一定的带宽内。在主要仿真参数均设置相同的条件下，开关频率处的能量峰值较传统PWM调制方式的D类功率放大器低10 dB左右，降低了辐射和传导干扰的能量。仿真结果显示，带内的噪声最大值较传统PWM调制器的带内噪声低6 dB左右；实测结果显示带内的噪声最大值较传统PWM调制器的带内噪声低4 dB左右，与仿真结果相符。本文为设计出低噪声、低电磁辐射的D类功率放大器提供了理论支撑。

[1] 马宵伟. Sigma-Delta DAC数字调制器研究、设计及FPGA实现 [D]. 合肥: 中国科学技术大学, 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] 李兆玺, 黄国勇, 高威, 等. 基于PWM的数字功率放大实验系统设计与实现[J]. 实验技术与管理, 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

研究所内部基金(170623)

顾爱民(1971－), 男, 上海人, 本科, 工程师, 研究方向为电子设备。

顾爱民,E-mail: guaimin1@126.com