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

数字控制放大器的设计

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DVD接收器、平板电视及MP3基座。比较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10W到315W的程度。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、AB类音频功率放大器一直占据“统治”地位，其发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OTL、OCL、BTL形式过程。其基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型功率放大器，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D类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发展，前景一片光明。

二、相关研究的最新成果及动态

最新的300W功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。高功率放大器的大部分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。此外，H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安全地在此电压下运作。

高功率数字放大器的设计挑战包括：

1）AMPS问题，包括拓朴及高流量设计等问题；

2）必须正确指定SMPS及高流量设计等问题；

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高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[2]。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[3]。随着数字VLSI 技术的迅速发展，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高生产力[4]。

随着科技的进步，电视广播逐步进入了数字时代。地面数字电视广播（DVB-T）采用正交振幅调制（QAM），提高了频谱利用率，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），抗多径干扰能力强，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）达到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AB类功率放大器必须工作在深回退状态以达到线性要求[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成本，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，提高功率回退时的效率。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：

1.功率回退时， Zeff 下的效率较高；

2.从Smith 圆图上看， Zeff 在以Zpout 为参考的VSWR=2的圆附近，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（Ruggedness）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，否则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 大功率器件MRF6VP3450H，UHF 全频带内数字输出功率达到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。MRF6VP3450H 由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MRF6VP3450H，工作在720MHz 频带，输出90W 时效率达到42％。将4 个Doherty 功放模块合成后，输出300W 时，效率达到35％以上，DVB-T信号测试时，校正后带肩达到－ 39.5dBc。MRF6VP3450H 在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 的ADS大信号模型可以在网站上找到(a98de44700020740be1e650e52ea551810a6c9a7）。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控制，整体功能可分为数字放大、D/A变换和功率放大器三部分。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)信号。这种输出脉冲H要通过一个LC低通滤波器就可以直接驱动音箱 D类只是“黄金时代”的一小部分电路，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。500kHz 的开关脉冲信号加刊固定电压的电源和负载通路卜。另外，还要加负反馈使处理结果的线性更好。因为出信号的电平是由调制器的开戈特性决定的， 所以， 控制D 类的输出电平实质上是控制调制器的开关状态

“黄金时代”可以控制音量， 像模拟放大器那样在输入的数据流里操纵而控制数字信号电平。控制音量有什么稀奇?要知道D 类本身足无法控制音量的， 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]。

三、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、难点及预期达到的目标

1 基本原理

由运放组成的基本放大器电路如图1 所示, 该放大器的增益

f 1R G G R =-：, 其大小取决于反馈电阻f R 和输入电阻1R 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1R 或反馈电阻f R , 然后通过软件程序的控制来改变电路增益, 此放大器即是程控增益放大器。

图1 基本放大电路

2 程控增益放大器的实现

2. 1 利用模拟开关实现

最基本的程控放大器是将上述电路中输入电阻或反馈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CD4501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i R 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, 但电路会变得比较复杂, 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加入隔离放大器。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馈电阻f R 和输入电阻i R 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 转换器代替反馈电阻或者输入电阻i R 也可以构成程控增益放大/衰减器。DAC 内部主要由R-2R 电阻网络和模拟开关构成, 例如DAC0832、AD7520等为此类芯片,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/n 2),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( 使用芯片内的反馈电阻),其电路连接如图3(a),该电路增益G1=D1/n 2,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

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