数字控制放大器的设计【开题报告】

毕业设计开题报告电子信息工程数字限制放大器的设计一、选题的背景、意义数字放大器技术自问世以来已有长足的进展,现在已普遍应用于日常生活中的各个层面的产品,包括DV授收器、平板电视及MP塞座.比拟各通道的功率级耗电量,即可明显看出这一先进的技术发挥的性能.相较于第一代的功率级,现今可用的功率至少增加十倍,数字放大器的功率级提供的功率如今提升到各通道10般U315WJ程度.功率经过提升后,使得更多种消费性电子铲平或其他电子产品能够运用数字放大器的优点〔高效率及数字信号完整性等〕,然而,此一功率级等比增加有其设计方面的挑战.几十年来在音频领域中,A类、B类、A谈音频功率放大器一直占据“统治〞地位,其开展经历了这样几个过程：所用器件从电子管、晶体管到集成电路过程；电路组成从单管到推挽过程；电路形成从变压器输出到OTLOCL8丁1＞式过程.其根本类型是模拟音频功率放大器,它的最大缺点就是效率太低.全球音视频领域数字化的浪潮以及人们对音视频设备节能环保的要求,迫使人们尽快开发高效、节能、数字化的音频功率放大器,它应该具有工作效率高,便于与其他数字化设备相连接的特点.D类音频功率放大器是PWM功率放大器,它符合上述要求.近几年来,国际上加紧了对D类音频功率放大器的研究与开发,并取得了一定的进展,几家著名的研究机构及公司已经试验性地向市场提供了联音频功率放大器评估模块及技术.这一技术一经问世立即显示出其高效、节能、数字化的显著特点,引起了研究、教学、电子工业、商业界的特别关注,现在这一前沿的技术正迅猛开展,前景一片光明.二、相关研究的最新成果及动态最新的300恻率级能够处理相当大的电流量,例如,德州仪器所发表TAS5261的最大关机电流为17安培.高功率放大器的大局部设计挑战与处理这方面的高电流量有关,必须针对音频路径中的任何组件予以考虑.止匕外,卜桥所需的电压为50V,因此,针对这一设计选择的组件必须能够平安地在此电压下运作.高功率数字放大器的设计挑战包括：1〕AMPS题,包括拓朴及高流量设计等问题；2〕必须正确指定SMPS高流量设计等问题；3〕印刷电路板〔PCB设计问题,包括信号线宽度及电磁波干扰〔EMI〕［1］.通信接收机在很长一段时间内一直用纯模拟电路实现,但随着AD转换器的性能日益提升收机中越来越多的功能可用数字电路来实现.王锐等人给出的Galileo接收机的框图中将对卫星信号的处理分成射频处理和基带处理两个环节⑵.数字自动增益放大器在各种通信接收机中均有着广泛的应用,在李建强等人给出的机载超短波电台接收机设计中,利用Intersil公司的ASIC芯片实现了接收通道中合理的增益分配冏.随着数字VLSI技术的迅速开展,片上系统〔SOC的设计概念逐渐成为主流.在SOC设计中,各种IP模块的设计与复用起着至关重要的作用.周梅在介绍SOC技术在航电系统设计中的应用时,强调IP的复用能很大程度地提升生产力［4］0随着科技的进步,电视播送逐步进入了数字时代.地面数字电视播送〔DVB-T采用正交振幅调制〔QAM,提升了频谱利用率,8MHz频道带宽能传输多套节目内容.此外利用了正交频分复用技术〔OFDM,抗多径干扰水平强,使得移动收成为可能［6］.但高效率的数字调制使得射频信号峰均比〔PAR到达10dB以上［7］这对发射机功放线性提出很高要求.为了满足频谱发射模板和接收误码率指标,传统的A谈功率放大器必须工作在深回退状态以到达线性要求［8］.对于典型的1kW数字电视发射机,整机效率只有20%左右.低效率不仅带来了复杂的热设和高运行本钱,而且给系统的运行稳定性带来了很大的挑战.采用高效率的Doherty功放是一个很好的解决方法：利用负载调制,提升功率回退时的效率.Doherty功放由两路放大器组成：主功放〔carrier〕和峰值功放〔peaking〕.主功放和峰值功放可以是相同的器件,此时为对称Doherty.输入信号幅度很小时,只有主功放工作,负载阻抗在高效率区,C=Zeff;当输入信号包络增大时,偏置在C类的峰值功放也开启,负载阻抗被调制到高功率区ZC=Zpout和Zp=ZPout,增大两功放合成后的饱和功率.配合数字预失真技术,Doherty功放可以实现功率回退下的高效率和高线性.通常,8dB功率回退下,对称Doherty效率比AB类功放有优于10个百分点的提升.由此可见,适合Doherty应用的功率放大器要满足两个条件：.功率回退时,Zeff下的效率较高；.从Sm计h圆图上看,Zeff在以Zpout为参考的VSWR粕圆附近,这样负载调制过程中,才能同时实现高效率和高饱和功率.当器件工作在高效率条件下,负载失配较大,这有可能使器件的耐用性(Ruggednes§降低.特别是当信号宽带宽、峰均比高时,Doherty应用必须选择高耐用性的器件.同时,由于峰值功放偏置在C类,器件要有较宽的负栅压范围,否那么可能系统会遇到线性校正困难甚至器件损坏.飞思卡尔半导体公司推出了基于VHV6技术的50VLDMOS^功率器件MRF6VP3450HUHF全频带内数字输出功率到达90W它具有高耐用性,450W连续波条件下能承受全向驻波比为10：1的失配；内置增强防静电电路(ESD,栅级负偏压扩展到—6V,便于C类应用.MRF6VP3450随两路独立匹配的放大器组成,非常适合对称Doherty应用.本文介绍的这款Doherty功放,采用MRF6VP3450日：作在720MHz频带,输出90W时效率达至U42%.将4个Doherty功放模块合成后,输出300W时,效率到达35%以上,DVB-T信号测试时,校正后带肩到达—39.5dBcoMRF6VP3450而UHF其他频段也有优异的Doherty性能.飞思卡尔提供了丰富的器件模型.MRF6VP3450H^JADSt信号模型可以在网站上找到(HYPERLINKfreescale).主功放工作在AB类,峰值功放工作在C类,但其匹配可以复制主功放,最后仿真调试中再对匹配元件做些微调[9].新概念放大器“黄金时代〞有四个数字输入和一个音量限制,整体功能可分为数字放大、D/A变换和功率放大器三局部.皆通过一个光学A/D变换器,就可以输出四路模拟信号.TacT“黄金时代〞的输出级本质上是一个开关放大器,即D类工作状态,输出的是电源被迅速开关形成的脉冲信号.这种脉冲的宽度随信号幅度而变,信号幅度高、脉冲宽度宽,故也可称脉宽调制(PWM彷号.这种输出脉冲H®通过一个LCf氐通滤波器就可以直接驱动音箱D类只是“黄金时代〞的一小局部电路,而且这种开盖放大与以前蜕的开关放大器相差很远.D类放大器放大模拟信号时,需要用调制器把电压幅痘变成脉冲宽度.500kH于勺开关脉冲信号加刊固定电压的电源和负载通路卜.另外,还要加负反应使处理结果的线性更好.由于出信号的电平是由调制器的开戈特性决定的,所以,限制D类的输出电平实质上是限制调制器的开关状态“黄金时代〞可以限制音量,像模拟放大器那样在输入的数据流里操纵而限制数字信号电平.限制音量有什么稀奇？要知道酸本身足无法限制音量的,在放大器输出回路里加衰减器不但元件要求高,窖易损坏,而且会把功放的功率变成热量白白浪费掉[10]0三、课题的研究内容及拟采取的研究方法〔技术路线〕、难点及预期到达的目标1根本原理__RfG:G由运放组成的根本放大器电路如图1所示,该放大器的增益R,其大小取决于反应电阻R和输入电阻R的阻值.可见只要合理选择阻值,该放大器的增益可以大于1或小于1.如果用模拟开关、D/A转换器或数字电位器等器件来替换输入电阻R1或反应电阻R,然后通过软件程序的限制来改变电路增益,此放大器即是程控增益放大器.图1根本放大电路2程控增益放大器的实现2.1利用模拟开关实现最根本的程控放大器是将上述电路中输入电阻或反应电阻用模拟开关和电阻网络来代替.图2给出利用模拟开关CD450和一个电阻网络代替输入电阻组成的程控放大电路,利用通道选择开关选通Ri通道时将获得不同的电路增益,该类电路可以对输入信号进行放大或衰减,因此电路的动态适应范围很大.该电路增益档位有限,虽然通过级联可以增加增益的级数,但电路会变得比拟复杂,影响其工作的稳定性；该放大器的输入阻抗不固定,为减少对前级信号源的影响应该参加隔离放大器.另外,放大器的增益会受到模拟开关的导通电阻的影响所以采用大阻值的反应电阻Rf和输入电阻Ri可以尽量减少误差.图2模拟开关组成程控放大器2.2利用D/A转换器实现如果用D/A转换器代替反应电阻或者输入电阻R也可以构成程控增益放大/衰减器.DACJ部主要由R-2R电阻网络和模拟开关构成,例如DAC0832AD752第为此类芯片,在基准输入电压Vref固定不变的情况下,当输入的数字量为D时,从Iout1引脚流出的电流为Iout1=(Vref/R)*(D/2n),式中R为D/A转换器的电阻网络中电阻1R的值;n为D/A转换器的位数[16],其电路有两种形式：一种当模拟输入信号从基准电压输入端引入时,Rfb接运放的输出电压(使用芯片内的反应电阻),其电路连接如图3(a),该电路增益G1=D1/2n,可见其为增益小于1的衰减器；另外当模拟输入信号从D/A的Rfb输入时,Vref接运放的输出如图3(b)时,该电路增益G2=2n/D2,其实质是增益大于1的放大器.如果要实现电路即能放大也能衰减的功能,可以将两个电路级联来构成增益为G=G1*G2=D1/D2,这时只要给定D1和D2的值就能得到所需的增益值;利用相同的原理也可选用单片的双通道的D/A转换器(如AD7547,AD752筹)和运放来实现其功能［17］.随着半导体器件的开展,很多D/A转换器如(MAX502等)［18］已经内含基准电压,输出放大器和锁存器,这时只需进行简单的连线就可构成程控放大器.此类程控放大器的优点：增益可调范围大,电路简单,具有宽的通频带,由于DAW电阻的误差较小,温度系数低等特点,因此此类程控放大器增益误差较小,稳定性好；电路的缺点：由于器件内局部布电容的影响,电路频响不是很理想,电路增益不容易做得较大.四、论文详细工作进度和安排2021年11月22日一2021年3月1日阅读相关文献,查找、分析资料,完成开题报告、文献综述、外文译的撰写.3月1日--3月24日对系统做需求分析,明确功能需求与性能需求.3月25日--4月8日进行软、硬件总体体系结构设计,划分模块,完成系统各模块功能设计.4月9日--4月22日编写程序代码,并对系统进行软件测试,并根据测试结果修改系统设计.4月23日--5月23日进行系统修改,初步完成论文.5月24日--5月31日根据指导老师的建议,继续完善程序和论文,完成设计.五、主要参考文献［1］作者中文名KevinBelnap；YongGwnkim.以高瓦数数字放大器进行设定.电子设计技术,EDNChina,编辑部邮箱2021年07期［2］王锐,陈涤飞,龚诚.BOC信号的相关跟踪研究及GALILEO接收机设计初探［J］.航空电子技术,2006,37(3):1-6.［3］李建强,王刚.基于HSP50110HSP5021和FPGA的机载超短波电台接收通道设计［J］.航空电子技术,2006,37(2):6-9.[4]周梅.SOC技术在航电系统设计中的应用[J].航空电子技术,2006,37(1):44-48.[5]日本制定数字电视播送方针[J].电视研究,1997,(01)[6]ETSI.Digitalbroadcastingsystemsfortelevision,soundanddataservices:DRAFTprETS300744,1997.[7]王文博,宽带无线通信：OFDM支术.人民邮电出版社,2003[8]S.C.Cripps,RFPowerAmplifiersforWirelessCommunications.Norwood,MA:ArtechHouse,1999[9]李俊,王大勇,石铁峰,Antoine,Rabany,郑胜光.高效率300W孜宇电视功率放大器.?播送与电视技术?2021年第8期[10]金士元.数字放大器春光乍现.?现在音响技术?1989年11期[11]中化.德国开办数字电视播送[J].播送电视信息,1997,(03)[12]江国成.澳将播送数字电视播送节目[J].当代通信,1998,(08)[13]肖必虎.移动数字电视车内娱乐的传播革命[J