（通信与信息系统专业论文）新型高效率线性am功率放大器.pdf

摘要 本论文利用e e r ( e n v e l o p ee l i m i n a t i o na n dr e s t o r a t i o n ) 线性功放技术的基本 原理 1 】，采用数字音频功放技术【2 实现高效率电源调制器，采用c l a s s d 开关放 大技术 3 】实现高效率载频放大器，开发了一个集a m 调制和放大于体的高效 率线性功率放大器。 数字音频功放技术是近年发展起来的高效率音频放大技术，该放大技术采用 了过取样、噪声整形等数字音频处理算法和开关功率放大。采用该技术实现的电 源调制器不但具备很高的效率，而且能高指标地放大包络信号，是常规的电源调 制技术无法实现的。 载频放大器采用高效率的c l a s s d 开关放大技术。为了获得理想的放大效率， 采用射频场效应管s d 2 9 1 8 1 4 ：同时，在两驱动信号之间弓f 入d e a d - t i m e ，减小 m o s f e t 的串通损耗以及m o s f e t 的漏源输出电容c 出损耗。 将放大的包络信号作为c l a s s - d 载频放大器的电源，根据e e r 原理，c l a s s d 载频放大器输出载频信号的幅度将受到包络信号的线性调制，达到同时实现对载 频信号的放大和a m 调制的目的。c l a s s d 载频放大器输出的方波脉冲信号经阻 抗匹配回路的阻抗变换和滤波，最终得到载波为正弦的功率a m 信号。 本论文实现的高效率线性a m 功率放大器能覆盖中波和短波频段；调幅度 0 - - - 9 8 ；输出功率1 5 w ；效率大于6 3 ：调幅失真度小于4 i 谐波小于- 3 8 d b e ； 杂散小于5 0d b e 。 “ 本课题首次将数字音频功率放大技术引入射频功率放大领域，成功实现了高 效率线性功率放大器，在技本上做了有意义的尝试。新型功放本身具有高效率、 低成本、体积小等特点，具有一定的推广使用价值。 关键词：e e r ，数字音频功率放大器，c l a s s d 载频放大器，电源调制器，线性 a m 功率放大器 a b s t r a c t i nt h et h e s i s ，ah i g he f f i c i e n c yl i n e a ra ma m p l i f i e ri sd e v e l o p e d ，w h i c hi sb a s e d o nt h eb a s i ct h e o r yo fe e rl i n e a r i z a t i o na m p l i f i e rt e c h n i q u e i t h eh i g he f f i c i e n c y d i g i t a la u d i oa m p l i f i e rt e c h n o l o g y 2 i sa d o p t e dt od e v e l o pt h ep o w e rs u p p l y m o d u l a t o ra n dt h ec l a s s ds w i t c h i n ga m p l i f i e rt e c h n o l o g y 3 】i sa d o p t e dt od e v e l o p t h eh i g he f f i c i e n c yr fa m p l i f i e r b e c a u s eo ft h eu s i n go fi n t e r p o l a t i o n ，n o i s es h a p i n ga n ds w i t c h i n ga m p l i f i c a t i o n i nt h ed i g i t a la u d i oa m p l i f i e rt e c h n o l o g y , t h ep o w e rs u p p l ym o d u l a t o ri sn o to n l y m u c he f f i c i e n tb u ta l s ob e h a v i n gg o o di ne n v e l o p ea m p l i f i c a t i o n ，t h i sa d v a n t a g ei s h a r dt oi m p l e m e n t e dw i t hc o n v e n t i o n a lt e c h n o l o g y t h ec l a s s dv o l t a g es w i t c h i n ga m p l i f i e rt e c h n o l o g yi sa d o p t e dt od e v e l o pt h e r fa m p l i f i e r i no r d e rt oo b t a i ni d e a le f f i c i e n c y , 廿l er fm o s f e ts d 2 9 18 4 】i su s e d a l s o ，t h ed e a d t i m ei si n s e r t e db e t w e e nt h ed r i v es i g n a l so fm o s f e t s ，w h i c hi s e f f e c t i v ef o rr e d u c i n gt h es h o t - t h r o u g hl o s sa n dd r a i n s o u r c ec a p a c i t o rc d sl o s s a c c o r d i n gt ot h ee e rt h e o r y , u s i n gt h ea m p l i f i e de n v e l o p es i g n a la st h ep o w e r s u p p l yo ft h ec l a s s da m p l i f i e r , t h ee n v e l o p ew i l lm o d u l a t et h em a g n i t u d eo ft h er f s i g n a l t h em o d u l a t e di m p u l s er fs i g n a li sa d d e dt ot h ei m p e d a n c em a t c hc i m u i ls o t h ea m p l i f i e da ms i g n a li sa c h i e v e d ：i nt h et h e s i s ，t h eh i 曲e f f i c i e n c ya ma m p l i f i e ri sd e v e l o p e d ，a n dt h ef o l l o w i n g s p e c i f i c a t i o n sa r ea c h i e v e d a mr a n g e ：0 - 9 8 ：o u t p u t ：p o w e r ：1 5 w ；e f f i c i e n c y ： h i g h e rt h a n6 3 ；e n v e l o p ed i s t o r t i o n ：l o w e rt h a n4 ；h a r m o n i o u s ：l o w e rt h a n - 3 8 d b c ；s p u r s ：l o w e rt h a n - 5 0 d b c i t i st h ef i r s tt i m et oa p p l y i n gt h ed i g i t a la u d i oa m p l i f i e rt e c h n o l o g yt ot h e a m p l i f i c a t i o ni nr ff i e l d ah i g he f f i c i e n c y l i n e a ra ma m p l i f i e ri sd e v e l o p e d 【 s u c c e s s f u l l y i ti sau s e f u le x p l o r a t i o n t h ea m p l i f i e ri sh i g he f f i c i e n c y , l o wc o s ta n d s m a l l i th a sc e r t a i nv a l u ef o ru s i n ga n ds p r e a d i n g k e yw o r d w e e r , d i g i t a la u d i oa m p l i f i e r , c l a s s ds w i t c h i n ga m p l i f i e r , p o w e rs u p p l y m o d u l a t o r , l i n e a ra ma m p l i f i e r i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：罩塾玺 日期；嬲年占f j b 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 日期：2 口b 年6 月i2 日 主要符号表 缩写英文原文中文 a d a n a l o gt od 逗i t a lc o n v e r t e r模数转换器 a m a m p l i t u d em o d u l a t i o n幅度调制 d bd e c i b e l 分贝 d b cd e c i b e l st e l a t i v et ot h ec a r r i e r 载波分贝 d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g数字信号处理 e e r e n v e l o p ee l i m i n a t i o na n dr e s t o r a t i o n包络去处和恢复 f cc a r r i e rf r e q u e n c y 载波频率 f s s a m p l ef r e q u e n c y采样频率 f f tf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 快速傅氏变换 i m d i n t e r m o d u l a t i o nd i s t o r t i o n 互调失真 l i n cl i n e a ra m p l i f i c a t i o nw i t hn o n l i n e a rc o m p o n e n t c a l l u mc o m b i n e da n a l o g u el o c k e dl o o pu n i v e r s a lm o d u l a t o r m o s f e tm e t a l l i co x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c t 打a n s i s t o r 金属氧化物半导 体场效应晶体管 n x o 镍锌铁氧体 p a mp u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n 脉冲幅度调制 p c mp u l s ec o d em o d u l a t i o n 脉冲编码调制 p p mp u l s e p o s i t i o nm o d u l a t i o n 脉冲位置调制 p w mp u l s e w i d t l lm o d u l a t i o n 脉冲宽度调制 p d m p u l s e d e n s i t ym o d u l a t i o n 脉冲密度调制 s n r s i g n a ln o i s er a t i o信噪比 t h d + - nt o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o np l u sn o i s e 总谐波失真加噪 吉 v 第一章引言 1 1 前言 在现有的通信系统特别是无线通信系统中，恒包络调制得到了广泛的应 用，如g m s k ，f m 等，原因在于恒包络信号的放大可以采用效率较高的非线 性放大器。高效率对使用电池供电的通信系统是非常重要的，因为可以延长系 统的连续工作时间，在此类设备中电池寿命是第一重要的指标。 恒包络调制的缺点在于频谱利用率低。采用幅度调制和相位、频率调制相 接合的非恒包络调制方式( 如2 m q a m ，2 v s b 等) 可以提高频谱利用率，但 该类信号的放大需要采用线性放大器。目前，被广泛应用的a 类和a b 类线性 功放效率都很低( a 类为1 0 - 2 0 ，a b 类3 0 3 5 ) ，这种低效率在便携、 移动通信系统中是难以接受的，需要开发高效率线性功率放大器满足市场需求。 因此，高效率线性功放将具有广阔的市场前景。 1 2 国内外发展现状 高效率功放的研究是一个热门的课题，在这方面有很多的报道。例如， t r a n s c o m 公司开发的“a m p f e t5 0 ”中波段高效率调幅广播发射机效率达到 7 5 2 8 ；n a s am a r s h a l ls p a c ef l i g h tc e n t e r 开发的2t o3g h z 微波高效率功 放效率高达4 9 7 2 9 1 ；c a l i f o r n i ai n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y 开发的c l a s s e f 2 放大 器在7 m h z ，1 1 k w 输出功率时效率达8 5 【3 l 】；m a r c o n i 公司的“b6 1 2 8 s ” h f 频段高效率单边带发射机效率7 1 3 0 1 ，等等。 在线性高效率功放方面，已开发出多种技术，如反馈、前馈、预失真、e e r 、 l i n c c a l l u m 、动态电源偏置等，具体情况如表1 - 1 2 7 】。 采用e e r 技术的高效率线性功放，较为有代表性的是h p 试验室d v i d k s u 、 w i l l i a mj ，m c f a r l a n d 开发的e e r 线性放大器i c 2 4 1 ，该i c 包含了限 幅器、包络检测器和调制开关电源。采用该i c 设计的8 3 5 m h z 线性功放能 将最大线性输出功率从2 6 ，5 d b m 提高到2 9 5 d b m ，效率由3 6 提高到4 9 。其 中，调制开关电源的技术指标为：t h d = 5 5 d b c ；效率n = 8 0 ；信号带宽： 1 0 0 k h z 。 据我们掌握的资料将数字音频放大技术应用到射频领域本课题尚属首次。 在中短波频段，调幅通信电台在军、民品领域都得到了广泛的使用。其功 率放大器绝大部分使用的是a b 类线性放大器，效率很低，如果能开发出高效 率的线性功率放大器，将能大大的减小功放的体积和重量、促进设备小型化、 成倍延长电池寿命、提高设备可靠性。 表l 一1 各种高效率线性功放技术的技术状态 技术名称技术状态 简单，延时小，可以减小谐波失真； 直接反馈牺牲较多增益； 当反馈环路包含多级放大器时。很难维持系统稳定。 反馈当放大器不存在严重失真时可以获得较大的线性度改善，可 达2 0 - - - 5 0 d b 。 基带反馈 结构复杂，需要一个线性射频解调器； 由于存在大的延时，可用基带带宽受到限制。 延时小 开环前馈 已取得的互调失真改善为o 1 0 d b 。 前馈 已取得的最好互调失真改善为2 5 d b ： 自适应前馈延时大小依赖于自适应对消系统； 结构复杂。 延时小 射频预失真可减小谐波失真 射频和 开环 在信号和环境变化较大的情况下，对线性度的改善约为几 基帝预 d b 。 失真比开环结构能获得更多的线性度改善，但延时会增加； 闭环射频预失真可减小谐波失真： 结构复杂 延时小： 开环只能减小幅度失真； 可能产生杂散。 已取得的最好互调失真改善为1 8 d b ： e e r 只能减小幅度失真： 闭环 延时大，依赖于反馈环： 可能产生杂散。 能校正幅度和相位失真； 相位反馈 延时受两个环路限制。 校正各种类型的失真，包括谐波失真； 动态电源偏置延时大，依赖于环路速度； 偏置电源的杂散和失真会影响线性放大器的最终指标。 1 3 项目来源及主要工作 本人作为主要参研人员之一开发的数字音频放大器目前已批量投放市场， 得到了较好的市场反映。将数字音频放大器技术应用于射频放大器，可以充分 利用现有研究成果，拓宽产品领域。本课题来源于我单位的一预先研究项目。 本课题的目标是利用e e r 基本原理，将数字音频放大器作为电源调制器， 实现一个集a m 调制和放大于一体的高效率线性放大器。 主要的工作有： 实现高效率音频功率放大。 在e e r 技术中，包络放大是一个相对薄弱环节，本课题将采用先 进的数字音频功率放大器技术实现高效率、高指标的音频功率放大。 实现高效率载频放大。 本课题将采用c l a s s d 开关放大器实现载频放大。当频率较低时， c l a s s 。d 可以获得较高的效率；随着工作频率的增加，开关损耗和m o s 管的输出电容损耗将会增加，效率会降低。本课题选择s d 2 9 1 8 射频 m o s f e t 作为开关管，同时在两个驱动信号间加入d e a d t i m e 降低损 耗，提高功放效率。 在放大载频信号的同时实现对载频的幅度调制。 将数字音频放大器的输出作为c l a s s d 载频放大器的电源，实现 载波调幅。 阻抗匹配 采用三元件集总参数匹配网络和巴伦阻抗变换器相结合的方式实 现阻抗匹配。 1 4 主要技术参数 本课题达到的技术参数如下 频率： 调制方式： 功率： 调制度： 效率： 调幅失真度 谐波抑制： 杂散抑制： 3 0 0 k h z - 3 0 m h z a m 1 5 w 0 - 9 8 载频为7 m h z 时，7 5 载频为3 0 m h z 时，6 3 4 。3 8 d b c 5 0 d b c 1 5 本论文的结构 本论文一共包含7 章内容。 第一章是引言，主要介绍开展本课题的意义，具体工作内容。 在第二章和第三章分别对功放线性化技术和射频放大器技术做了一个简单 的回顾。 第四章详细论述数字音频放大器的工作原理和实现方法。 第五章论述了c l a s s - d 射频功率放大器的损耗机理以及如何减小损耗提高 效率；论述了集总参数阻抗匹配原理，给出了本论文采用的阻抗匹配电路形式 和通过实验得到的元件参数。 第六章为样机设计实现及指标测试。给出了本课题样机制作的原理图、印 制板图、实物图；说明了指标的测试方法。给出了指标的测试结果；最后对测 试结果进行了分析。 第七章对本论文开展的工作做了全面的总结，并提出了下阶段将要开展的 工作。 4 第二章功率放大器的线性化技术 功放线性化技术总体上可分为两类，第一类是在传统a 类和a b 类线性功 率放大器基础上，通过一些措施提高功放的线性度，在满足一定失真度指标的 条件下，提高功放的输出功率，从而达到提高功放效率的目的，称这类技术为 提高功放线性度技术。此时，功放输入非恒包络信号，功放具有非线性，会产 生互调失真( i m d ) 。i m d 可以通过辅助电路产生一个反相的i m d 信号，与输 出信号相加，将i m d 去除( 前馈技术) ；也可以通过改变输入信号，经非线性 放大后得到不失真的原始信号( 反馈和预失真技术) 。 第二类是将非恒包络信号变换为恒包络信号，然后采用高效率的非线性放 大器进行放大，最后通过合成方式恢复非恒包络信号。由于采用了高效率的功 率放大器，可以获得更高的效率，称这类技术为线性功放技术。线性功放技术 目前主要有两种实现方法，一种方法是将非恒包络信号变换为两路恒包络信号， 然后经两个高效率非线性放大器分别放大，最后将两个放大的信号相加，得到 放大的原始信号( 包括l i n c c a l l u m 技术) ；另一种方法是将非恒包络信号 的包络和载波分离，包络信号用高效率音频放大器放大、载波信号用高效率r f 放大器放大，然后将放大的包络信号作为r f 放大器的电源，恢复包络调匍j ( e e r 技术) 。 2 1 反馈 这里所说的反馈是指负反馈( n e g a t i v ef e e d b a c k ) ，负反馈是人们熟知的一 种提高线性度方法，其原理框图如图2 - 1 所示。负反馈对失真度的改善是以牺 牲功放增益为代价的，图2 1 所示的负反馈电路对失真度的改善因子为l + 0a ， 同时增益也下降1 + ba 。对于大的环路增益1 3a ，负反馈放大器的闭环增益就 由开环时的a 变为闭环时的1 t 3 。因此负反馈放大器必须要有大的开环增益， 以获得大的闭环增益和大的失真抑制。反馈系数b 的增加可以迸一步提高放大 器的稳定性和线性度，但会进一步降低闭环增益。 图2 - 1 负反馈原理框图 在高频条件下，放大器的开环增益较低，图2 - 1 所示的基本负反馈结构难 以获得所需的性能。 在高频工作时，放大器通常被调谐到载波频率，对载波频率的谐波失真有 足够的抑制，只需考虑i m d 失真，丽i m d 失真又只与调制信号有关，因此可 以采用反馈调制信号而不直接反馈r f 信号方法。调制负反馈工作在低频率 具有高的环路增益，但比基本的负反馈结构复杂，同时会增加环路延迟时间。 典型的调制负反馈包括笛卡尔环和极性环。 2 1 1 笛卡尔环( c a r t e s i a nm o d u l a t i o nf e e d b a c k ) 笛卡尔环是一种著名的线性化方法，能有效的改善功率放大器的失真性 能，且对系统功耗和效率的影响小，复杂度小。笛卡尔环的原理框图如图2 2 所示。 基带信号为i ，q 格式，通过反馈达到改善失真度的目的。反馈回路延迟时 间影响笛卡尔环性能，失真度的改善由环路带宽和放大器特性决定。在高频率 工作时，调制和解调不能单步完成，会增加笛卡尔环的复杂度。 q i n i t s 非线性功率放大器 图2 - 2 笛卡尔环原理框图 2 1 2 极性环( p o l a rm o d u l a t i o nf e e d b a c k ) 极性环原理框图如图2 - 3 所示。放大器输出信号经下变频后与输入的中频 信号比较，提取出幅度和相位误差，相位误差用于控制v c o ，幅度误差用于控 制放大器的工作电压。放大器的工作频率为本振频率。 6 功率放大器 图2 - 3 极性环原理框图 2 2 前馈非线性校正 前馈非线性校正的原理框图如图2 _ 4 。输入r f 信号分为两路。上面一路送 功放进行放大，由于功放的非线性，产生的互调信号叠加到了载波上。下面的 一路经延迟与功放输出端采样信号相减，得到一个误差信号。该误差信号就是 由于功放非线性产生的互调产物。误差信号经线性辅助放大器放大到能抵消载 波信号中互调产物的电平。功放输出信号经延迟与放大后的误差信号相减，抵 消掉载波中的互调产物。 为了获得良好的非线性校正性能，辅助环路的输出幅度以及延时都必须与 主环路良好匹配。手动调整匹配难以获得满意的非线性校正，特别是器件老化、 温度漂移、工作频率的改变等都需要自动调整幅度和延时匹配。目前出现了多 种自动调整方法，但使系统结构变得比图2 4 所示的基本结构复杂得多。 由于在主回路中使用了非线性放大器，使得功放效率得以提高，但由于主 回路延迟损耗、功率耦合损耗、辅助回路功耗等在一定程度上会影响总效率。 i 强输入 主放大器 图2 - 4 前馈非线性校正原理框图 出 2 3 预失真 预失真技术是最简单的提高功放线性度的方法。预失真可分为三类：r f 预失真；i f 预失真；基带预失真。其中，r f 预失真和i f 预失真是相似的。 2 3 1r f 预失真和i f 预失真 在功放之前加入一个预处理电路，其传输特性能补偿功放的非线性，从 而达到提高功放线性度的目的。r f 预失真和i f 预失真的原理框图如图2 - 5 所 示。预失真技术的关键在于设计一个预失真电路，其传输特性应尽可能逼近图 2 5 所示曲线，目前已有多种类型的电路可供采用。 r f 预失真和i f 预失真的最突出的优点是具有宽带特性，适合于宽带多 载波系统。对线性度的改善有限，通常在1 0 d b 左右【1 】，改善程度依赖于功放 的特性。 r m f 输入 v o 功率放大器 v i v o v v o r f i f 输出 预失真电路 功放线性化功放 图2 - 5r f i f 预失真原理框图 v i 2 3 2 基带预失真 预失真处理在基带进行，基带预失真原理框图如图2 - 6 所示。反馈支路使 得预失真系数可以实时调整，从而获得高的线性化效果。反馈支路的信号在送 入d s p ( 数字信号处理) 处理前必须进行a d ( 模拟数字转换) 转换，会带来 额外的功率损耗，在一定的程度上限制了基带预失真技术的应用。目前已开始 出现解决额外的功率损耗的措施，基带预失真技术将会受到重视。 图2 - 6 基带预失真原理框图 2 4 e e r e e r 原理框图如图2 7 所示。基本原理是，分别提取非恒包络信号的包络 和相位频率信息，基带包络信号经高效率音频放大器放大，携带相位频率信息 的恒包络r f 信号经高效率r f 放大器放大，将放大的包络信号作为r f 放大器 的电源恢复对恒包络r f 信号的幅度调制，从而达到高效率线性放大信号的目 的。 高效率r f 功率放大器有比较成熟的技术可供采用，比如，d 类、e 类开 关功率放大器都是较为成熟的技术，且它们的效率均可达到9 0 以i - 5 ，是较 为理想的高效率r f 功率放大器。 适用于e e r 技术的高效率a f ( 音频) 放大器是目前还没有很理想的技术、 产品可供采用，有待进一步研究。 频率合成器 高效率r f 放大器 ( a ) 9 限幅器 高效率r f 放大器 ( b ) 图2 7e e r 原理框图 2 5l i n c ，c a l l u m l i n c ( l i n e a ra m p l i f i c a t i o nw i t hn o n l i n e a rc o m p o n e n t ) c a l l u m ( c o m b i n e d a n a l o g u el o c k e dl o o pu n i v e r s a lm o d u l a t o r ) 的简化原理框图如图2 8 所示。输 入基带信号经d s p 处理产生两个调制信号，分别用于调制v c o 的相位，v c o 输出的r f 信号经开关r f 功率放大器放大，最后将两信号相加得到线性放大 的信号( 包络变化) 。 由于采用了开关态r f 功率放大器，l i n c c a l l u m 在理论上可以获得 1 0 0 的效率。 l i n c c a l l u m 面临的两个问题是【1 】：第一、为了获得良好非线性成分对 消效果，两个放大支路必须良好的匹配，在高频率工作时是很难作到的。第二、 在系统输出采用了非线性失真对消方法，会对效率造成一定的影响。 d s p 图2 8l i n c c a l l u m 原理框图 1 0 第三章射频功率放大器 射频功率放大器是将射频信号放大的功率器件，衡量一个射频放大器性能 的主要参数有：最大输出功率：效率；线性度；增益等。在不同的应用环境， 对各项指标的要求不尽相同，比如，对a m 调制的射频信号功放线性度是一个 重要的指标，而对于调频调相信号功放效率则是一个重要的指标。针对不同的 应用场合对指标的不同要求，人们开发出了各种不同类别的功放。 总体上，放大器可分为模拟放大器和开关放大器，其中模拟放大器包括a 类、a b 类、b 类、c 类等，开关放大器包括d 类、e 类、f 类等。下面分别介 绍各类放大器的工作原理及特点。 3 1a 类射频功率放大器 a 类( c l a s s 舢：功放管导通角3 6 0 。，纯线性工作，真实再现信号波形i 如图3 1 。广泛应用于高保真音频放大以及要求不失真输出的射频放大，如放大 a m 、s s b 、q a m 等信号的放大器。在a 类状态，功放管静态偏置v o 为输出 峰值v p c a k 的一半，即v q = v p 。a k 2 ，即使无信号输入，同样对电源产生损耗，因 此，效率很低。当输出正弦信号峰峰值v p p 等于电源电压时，a 类功放的效率 达到最大值2 5 【5 】，随着输出信号的减小效率会降低。 v c c v 图3 - 1a 类工作原理 、，。| 3 2b 类射频功率放大器 b 类( c l a s sb ) ：功放管导通角1 8 0 。，如图3 2 。功放管刚好偏置于截止状 态，当没有信号输入的情况下，功放不损耗电源，从而提高了效率。b 类放大 器只能输出半波信号，使信号严重失真，理论上可以通过推挽电路解决失真问 题，由于b j t 三极管需要0 6 v 以上的偏置，导致在推挽电路中出现过零失真 ( 交越失真) 现象。理论上b 类功放的效率可达到7 8 5 ，实际效率为 5 0 6 0 5 】。 v c c v i n 图3 - 2b 类工作原理 ， ：j j ，f 3 3a b 类射频功率放大器 a b 类( c l a s s a b ) ：界于a 类和b 类之问，其导通角大于1 8 0 。小于3 6 0 。， 如图3 3 。在推挽放大电路中，给功放对管分别加上一个弱偏置，使两只功放管 均处于微导通状态，避免出现b 类推挽电路的交越失真。因此，a b 类在失真 度指标上明显优于b 类，而在效率指标上明显优于a 类，实际效率可达 3 0 , - - 3 5 5 】。 v v d d 一_i_- 图3 - 3a b 类工作点示意图 3 4c 类射频功率放大器 c 类( c l a s sc ) ：c 类功放管明显偏置于截止区，导通角小于1 8 0 。，如图 3 4 。当驱动信号足够强时，功放管会进入饱和导通状态，输出与输入信号同频 率的脉冲信号，功放管就像一只开关，以信号频率对电源进行导通和关断，输 出信号相对于输入信号会产生严重的失真。通过傅立叶( f o u r i e r ) 分析可以知 道，输出包含了输入信号的很多谐波成分，必须通过滤波器从输出信号中分离 出输入频率。c 类工作状态经常用于产生输入信号频率的二次谐波、三次谐波 等，此时需要认真调整导通角，以便获得所需的谐波成分。理论上c 类功放管 只有在导通状态下才消耗功率，但由于电荷存贮效应，在功放管导通和截止的 过渡期也会消耗功率，导致功放效率的降低。c 类功放的效率可以达到 6 0 8 0 5 】。 v d d 褥 慨 3 5d 类射频功率放大器 图3 4c 类工作原理 d 类( c l a s sd ) ：为减小导通和截止之间的过渡损耗，而出现的一种开关工 作模式放大器，如图3 - 5 。d 类功放通常为推挽电路形式，效率相对于c 类放 大器有所提高，可以达到9 0 5 1 。很显然，d 类放大器也需要滤波器提取所需 的频率成分。 s 图3 - 5d 类工作原理 3 6e 类射频功率放大器 e 类( c l a s se ) ：从图3 5 的d 类放大器的电流电压波形图上可以看到，如 果开关功放管在导通期间的电压为零，效率可以在d 类的基础上进一步提高。 e 类放大器就是通过在开关功放管和负载之问插入一个调谐于输入信号频率的 谐振电路来获得高效率，其效率可以高于9 0 5 6 】【1 3 】。图3 - 6 是一个典型的 e 类放大器。相对于d 类放大器，e 类放大器只需一只开关管，可以工作在更 高的频率【6 】。 v d d 蠹 譬 罾 图3 - 6e 类工作原理 3 7f 类射频功率放大器 f 类( c l a s sf ) ：f 类放大器几乎是最早出现的高效率放大器，其工作原理 是在功放管和输出负载之间串联个三次谐波并联谐振电路，增加功放管输出 电压波形中的三次谐波成分，使波形变得平坦。使得输出波形中含有更多的基 波成分，在相同输出功率时，功放管工作电压较低。f 类功放的工作原理如图 3 7 所示。 v c c 图3 7f 类放大器工作原理示意图 3 8 g 类、h 类射频功率放大器 g 类( c l a s sg ) ：给b 类放大器上供一高一低两组电源，在输入小信号时候 供低压电源，输入信号大的时候供高压电源，达到改善效率的目的。 h 类( c l a s s 田：该类放大器使用可变电源电压，电源电压受逻辑电路控制， 电源电压的大小随输入信号变化，使得电源电压刚好能满足输入信号对电源电 压的要求，达到提高效率的目的。 从以上的介绍可以看到，线性功率放大器具有较好的线性度，但效率低； 开关类放大器都是非线性放大器，但具有较高的效率。随着信号处理技术的进 步和功率器件性能的提高，以c l a s se 为代表的开关功率放大器，以其高效率 优势日益受到人们的重视。 第四章数字音频功率放大器 在音频功放领域，a 类和a b 类放大器被广泛应用，但由于效率低，给使 用带来很多不便。 近年来，出现了一种新型的音频功率放大器数字音频功率放大器。相 对于a 类和a b 类放大器，数字音频放大器有以下特点： 效率高 数字音频放大器采用了全新的放大体制，功率放大管工作于d 类开关 状态，实际效率可以达到9 0 d a 上【2 儿l l 】【1 0 【9 。 体积小，重量轻 效率的提高使得功放可以使用小的散热器，减小功放的重量和体积。 无交越失真 数字音频放大技术采用p w m 编码和开关放大，不存在a b 类放大器 的交越失真问题。 本课题将采用天奥电子公司开发的数字音频放大器作为电源调制器。 4 1 数字音频放大器的组成及工作原理 4 1 1 数字音频放大器的组成 数字音频放大器功能框图如图4 - 1 所示。 图4 - 1数字音频放大器功能框图 4 1 3 简单工作原理 音频信号发生器输出模拟音频信号，c s 5 3 3 0 a 组成的a d 转换电路将模拟 音频信号转换为p c m 编码的数字信号，d p p c 2 0 0 6 信号处理电路对输入数字音 频信号进行超采样、噪声整形、p w m 编码等处理输出p w m 信号，该p w m 信 号的脉冲宽度代表了音频信号样值的幅度。d p p c 2 0 0 6 输出的p w m 信号经驱 动电路放大和箝位，驱动m o s f e t 半桥开关放大电路，输出放大的p w m 信号。 7 晟后经低通滤波器将p w m 信号还原为模拟音频信号，完成音频信号的放大。 4 2a d 转换器 a d 转换器采用c i r r u sl o g i c 公司的18 b i td e l t a s i g m aa d 转换器 c s 5 3 3 0 a 7 。采样率支持3 2 k h z ，4 4 1k h z 或4 8k h z ；分辨率1 8 位；动态范 围9 4 d b ；带内波动0 0 5 d b ：阻带衰减8 0 d b 。能满足本课题的要求。 4 3p c m p w m 变换器 p c m p w m 变换器将输入的p c m 信号变换为p w m 信号。图4 - 2 是个将 1 6 b i tp c m 信号直接变换为p w m 信号的例子 1 2 】。 采样率：f s 图4 - 2 直接p c m p w m 变换器功能框图 直接p c m p w m 变换器存在以下问题： 第一：变换器输出p w m 重复频率f c 等于采样率f s 。通常情况下，信号最 高频率为2 0 k h z ，采样率f s 为4 4 1 k h z ，从p w m 信号中恢复音频信号时，要 保证音频信号带内指标，同时又要保证对p w m 载波( 4 4 1 k h z ) 有足够的衰减， 低通滤波器是难以实现的。 第二：变换器用高频率1 6 b i t 下计数器来定义脉冲宽度，为了不丢失信息， 对时钟的稳定度、相位噪声、抖动等指标都提出了很高的要求。 第三：采样率f s 为4 4 1 k h z ，输入数据1 6 b i t 分辨率情况下，计数器时钟 频率为：2 1 6 4 4 1 1 0 3 h z = 2 8 9 0 1 3 7 6 g h z ，硬件实现是困难的。 第四：p c m 的每一个采样值都是经过量化的，直接将p c m 变换为p w m 会引入非线性失真。 因此，直接将p c m 变换为p w m 是不现实的。克服p c m 伊w m 直接转 器存在的问题，可以通过采用内插和噪声整形技术来实现。 本方案采用的p c m p w m 变换器是天奥电子公司开发的集成电路芯片 d p p c 2 0 0 6 2 】，其功能框图见图4 3 。 p c m 输入 一 1 8 b i t l f s 内插 ( i n t e r p o l a t i o n ) 1 6 b i t 8 f s 噪声整形 ( n o i s es h a p i n g ) 8 b i t 8 f s p w i v l 调制 ( p w m m o d u l a t i o n ) 图4 - 3p c m p w m 变换器功能框图 p w m 输出 厶 7 仃厅 f c = 8 f s 4 3 1 内插 内插( i n t e r p o l a t i o n ) 也称为插值或过取样，是在原始样值之间采用数字滤 波的方法插入新样值，达到提高采样率的目的。 内插在p c m p w m 变换器中的作用： 提高采样率加大了采样率与信号带宽的比率，从而改善转换过程的线性 度。 为噪声整形提供频谱空间，以便采用噪声整形技术将有用信号带内量化 噪声搬移到带外，在不降低信号指标的条件下降低对脉宽分辨率的要求。已有 的研究表明，采用简单的噪声整形技术，就可以将8 1 6 倍内插的信号再量化为 6 9 b i t ，而不会影响信号指标。 采样率的提高可以简化模拟音频还原低通滤波器的设计，以致于采用简 单的二阶巴特沃斯低通滤波器就可以满足要求。 提高采样率也就是提高了p w m 载波频率，会降低p w m 放大器的效率， 所以在采样率和效率之间要折中考虑。 4 3 1 1 内插基本原理 内插就是通过滤波处理( 算法) 在相邻的采样值之间插入新的样值，达到 提高采样率的目的。下面以四倍内插为例来说明其工作原理。 设采样率为f s 的一组样值的时域波形图及频域频谱图如图4 - 4 、图4 5 所 不a 幅度 人 r1 i 时间。 +卜l t = 1 佼j 幅度 图4 4 信号以f s 速率取样图4 5 信号频谱在f s 整数倍处有镜像 1 9 塞 为了获得四倍内插，首先对每个样值插入3 个零样值，零样值的插入不影 响频谱，其波形图和频谱图如图4 - 6 、图4 7 所示。若要获得8 倍内插，需在每 个样值插入7 个零样值。 幅度 人 r ，、 公埘。!- 、 i - 一 t 度 图4 - 6 零样值以过取样速率4 f s 插入 图4 7 过取样信号的频谱与原来的一样 蜜 设有如下的理想低通滤波器，其单位抽样响应如图4 - 8 所示，频域传输特 性如图4 9 所示。 幅度 m 抓隔佣、 w 一卜时面 1 = 1 ，d f ； 度 0f s2 f s 3 f s 4 f s 5 f s 图4 - 8 理想低通滤波器冲激响应的取样图4 - 9 理想低通滤波器传输特性 塞 将图4 - 6 中已插入零样值的序列送入图4 - 9 所示理想低通滤波器，滤波器 输出插值后的新样值，其波形图如图4 1 0 所示，频谱图如图4 1 1 所示。 幅度 度 0f s2 f s3 f s4 f s5 f s 图4 - 1 0 滤波器输出插值后的新样值 图4 - 1 1 信号频谱在4 f s 整数倍处有镜像 2 0 从图4 1 0 和4 1 l 可以看到，经超采样滤波得到的样值序列与以4 倍取样 率直接得到的样值序列是相同的。 设过采样因子为d ，过采样信号的信噪比为 1 6 】：s n r 。6 0 2 n + 1 7 6 + 1 0 1 9 d ， 过采样对信噪比的改善为1 0 1 9 d ，即采样率每提高一倍信噪比提高3 d b 。 经内插处理后，信号频谱只有在4 f s 整数倍处有镜像，为噪声整形提供了 频谱空间。 4 _ 3 1 2 内插数字滤波器 d p p c 2 0 0 6 使用的8 倍内插f i r 低通滤波器为n p c 公司的s m 5 8 4 1 【1 5 】 采用了三级2 倍内插的方法实现8 倍内插，其算法框图如图4 1 2 所示。 数据 输入 - - - i i s 第一级f i r i 第二级f i ri 第三级f i r 6 9 阶卜_ 叫 1 3 阶卜一 9 阶 2