调制放大器（共4篇）
调制放大器 篇1
0 引言
高频功率放大器是通信系统发送设备的重要组成部分[1,2]。它的主要功能是可以提供足够大的高频输出功率，以便将信号通过天线辐射出去。高频功率放大器的另外一个作用是可以构成高电平调幅电路，利用调制信号控制放大器的输出，这样既可以实现调幅，又能够兼顾功率和效率。因此，讨论高频功率放大器的调制特性非常必要。
高频实验中经常使用的实验箱虽然也可以实现调幅功能，但是因为工作在高电平的电路很容易损坏[3]，且电路固定，学生所能做的操作仅仅只是连接几根导线，这与课本上的理论知识联系不紧密，无法调动学生的积极性和主动性。使用仿真软件可以很好地克服这个缺点[4,5]。仿真实验中，学生自己设计电路，自己确定测量对象或测量方式。这样既加深了对理论知识的理解，又锻炼了学生的动手能力，充分调动学生的学习兴趣和主动性[6,7,8]。
本文使用Multisim仿真软件对高频功率放大器的调制特性进行分析。根据分析结果，设计调幅电路，查看调幅结果，并对两种调幅电路进行比较。
1 高频功率放大器仿真电路
根据高频功率放大器的原理图[2]，设计仿真分析电路如图1所示。
图中：Vb为基极激励电压，即高频信号输入，振幅为1 V、频率1 MHz;VBB为基极偏置电压，为了保证工作在丙类状态，VBB为-1 V;VCC为集电极偏置电压，大小12 V；谐振回路中电感L取126μH；电容C取200 pF；负载电阻R取20 kΩ。
2 负载特性
高频功率放大器的负载特性是指在输入信号和偏置电压不变的条件下，放大器的集电极电流电压随负载电阻的变化关系[2]。电阻分别选择0.5 kΩ，1 kΩ，10 kΩ，20 kΩ，50 kΩ时观察集电极电压波形，如图2所示。
从波形图可以观察到当电阻在小于10 kΩ，波形振幅变化较大，说明此时处于欠压状态。当电阻在10～50 kΩ之间变化时，输出波形变化不大，说明此时处于过压状态。
结论：随着负载的增大，电压从迅速增大到基本保持不变，这个过程也就是课本上所说的从欠压进入到过压状态。因此可适当调整负载大小，以保证放大器工作在过压或欠压状态。
3 集电极调制特性
高频功率放大器的集电极调制特性是指在输入信号Vb、负载电阻R、基极偏置电压VBB不变的条件下，功率放大器的输出随电源电压VCC变化关系[9]。
3.1 VCC对工作状态的影响
当输入信号Vb、负载电阻R、基极偏置电压VBB不变时，随VCC的增大，放大器的工作状态从过压区到临界再进入欠压区[2]。若负载电阻R设置为20 kΩ，保证放大器工作在过压状态。集电极电源电压分别选择2 V,12 V,20 V，对应集电极电压输出波形如图3所示。从输出波形可以观察到此时输出波形的频率不变，振幅随VCC呈线性变化。
3.2 集电极调幅电路
根据集电极的调制特性，可以实现集电极调幅，即将调制信号与直流电源VCC串联，并保证放大器工作在过压状态，那么集电极回路输出的高频电压振幅将随调制信号的波形而变化，实现了调幅。仿真电路如图4所示。调制信号为正弦波，频率1 kHz，振幅取3 V，与VCC串联。
通过示波器观察谐振回路输出波形为普通调幅波，如图5所示，包络变化与调制信号频率相同、相位相反。调幅度可通过调整调制信号振幅实现。
4 基极调制特性
高频功率放大器的基极调制特性是指在输入信号Vb、负载电阻R、集电极偏置电压VCC不变的条件下，功率放大器的输出随电源电压VBB变化关系[9]。
4.1 VBB对工作状态的影响
当输入信号Vb、负载电阻R、集电极偏置电压VCC不变时，随VBB的增大，放大器的工作状态从欠压区到临界再进入过压区。VBB取值分别为0.05 V,0.07 V,0.1 V,0.3 V，对应的集电极电压输出如图6所示。
从图6所示输出波形可以观察到此时输出波形频率不变，振幅随VBB成线性变化。当VBB超过0.6 V时，输出电压振幅基本不变，即已进入过压状态。
4.2 基极调幅电路
根据基极调制特性，可以实现基极调幅，即将调制信号与直流电源VBB串联，并保证放大器工作在欠压状态，那么集电极回路输出的高频电压振幅将随调制信号的变化而变化，于是得到调幅波输出。
仿真电路如图7所示。调制信号为正弦波，频率20 kHz，振幅取40 mV，与VBB串联。VBB取值为0.04 V，以保证放大器工作在欠压状态。为了使观察效果明显，激励信号V4振幅调整为0.5 V。
通过示波器观察谐振回路输出波形为普通调幅波，如图8所示。从图中可看包络变化与调制信号频率相同、相位相同。由此可知调幅度可通过调整调制信号振幅实现。
5 结论
本文使用Multisim仿真软件对高频功率放大器的调制特性进行了仿真测试。仿真结果显示了集电极调幅所需要的调制信号振幅较大，即此时需要大功率的调制信号源；而基极调幅所需调制信号振幅很小，此时所需调制功率很小。这也是两种高电平调幅的主要区别。
与实验箱测试相比，使用Multisim进行仿真测试不但锻炼了学生的动手能力，还充分调动了学生的实验积极性，加深了对理论知识的理解，提高了学生的创新主动性。
参考文献
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调制放大器 篇2
ΣΔ调制应用于D类放大器可以采用开环结构,但是采用开环结构功率输出级的噪声和非线性失真无法得到有效抑制,因此,设计了一种带负反馈的D类放大器结构[5],如图1所示。
这种带负反馈结构的D类放大器,将功率输出级的噪声和非线性失真通过反馈接入到ΣΔ调制器的输入端,构成一个闭环系统,通过ΣΔ调制器的噪声整形技术以及闭环反馈结构达到抑制功率输出级噪声和失真的目的。
1 系统建模
在该ΣΔ调制的D类放大器系统建模中,可以考虑将功率输出级的噪声和非线性失真用图2所示的功率输出级噪声模型来表示。随机噪声分布可以用一个高斯分布函数表示,输出级的非线性失真可以用二倍输入信号频率处的谐波分量表示[2],这里不考虑更高次谐波分量的影响。
根据以上建立的输出级噪声和失真模型,在Matlab的Simulink环境下分别建立一个开环和闭环D类放大器非理想模型如图3和图4所示。
图3表明,在ΣΔ调制器非理想模型的输出端加上D类放大器时,输出级的噪声和非线性失真模型,功率输出级放大倍数用一个增益模块K表示,输出为放大的开关信号。图4表明,在ΣΔ调制器非理想模型的反馈回路加上输出级的噪声和非线性失真模型,将输出级的噪声和非线性失真通过反馈接入到ΣΔ调制器的输入端,构成一个闭环系统。
2 仿真分析
为考查输出级噪声和非线性失真对闭环D类放大器性能的影响,这里,ΣΔ调制器的仿真参数:过采样率OSR=128,带宽BW=25 kHz,采样点数N=65 536,采样频率Fs=6 400 kHz,输入正弦波频率Fin=7 812.5 Hz,输入正弦波幅值0.487 7 V。保持其他条件不变,分别对功率开关输出级的噪声和非线性失真与输出信噪比之间的关系进行仿真分析,如图5和图6所示。
图5表明,当二倍信号频率处的一次谐波分量幅值<0.2 V时,输出信噪比保持在90 dB以上,当幅值>0.2 V时,输出信噪比急剧下降,系统变得不稳定。图6表明,在噪声幅度不大于0.1 V时,输出信噪比基本保持在90 dB以上,当幅度>0.1 V时,输出信噪比急剧减小。因此,当噪声和非线性失真超过某个界限值时,调制器将变的不稳定,从而严重影响D类放大器的性能。
这里非线性失真的幅值取0.1 V,噪声幅值取10-6 V,考虑在实际应用中噪声和非线性失真一般不超过模型的设定值,对建立的开环和闭环D类放大器非理想模型分别进行仿真分析,输出信号的功率谱密度如图7～图10所示。
图7给出了开环D类放大器非理想模型输出信号的功率谱密度,图8给出了图7基带部分细节,从图中可得,一次谐波分量的峰值为-30 dB,如果不加以抑制,将严重影响D类放大器的性能。图9为闭环D类放大器非理想模型输出信号的功率谱密度,图10为图9基带部分细节,从图中可以得出,功率输出级的一次谐波分量基本得到抑制,输出信噪比保持在90 dB以上,满足设计要求,同时,各级积分器的输出范围和量化器的输入范围都在-1～1 V,未发生过载现象,该闭环D类放大器的系统的稳定性可以得到保证。
3 结束语
文中在一个5阶低通ΣΔ调制器的基础上,设计一个带负反馈结构的D类放大器,对ΣΔ调制应用于D类放大器进行系统建模和仿真分析,仿真分析表明,ΣΔ调制的过采样技术、噪声整形技术以及闭环D类放大器的负反馈结构能够有效的抑制低频段的噪声和谐波失真,由于功率谱总能量保持不变,只将低频段的噪声和谐波失真能量推至高频段,从而在基带内实现较高的信噪比。应用于音频D类功放,可以通过低通滤波器来滤除高频谐波能量,降低电磁干扰的危害,有效改善D类放大器的电磁干扰性能。
摘要：针对传统D类放大器脉宽调制技术引起的电磁干扰问题,将一个5阶低通ΣΔ调制器应用于一种带反馈闭环结构的D类放大器中。通过建立ΣΔ调制D类放大器的非理想模型,考察输出信号的功率谱特性。仿真分析表明,该模型能够有效抑制低频段的噪声和谐波失真,在基带内实现较高的信噪比,应用于D类功放,与传统脉宽调制方式相比,有效地改善电磁干扰性能。
关键词：D类放大器,ΣΔ调制,电磁干扰,功率谱密度
参考文献
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调制放大器 篇3
当今在各种通信系统和雷达系统中脉冲调制技术已被大量应用。实现脉冲调制的常用方法是将射频开关与功率放大器串联使用,用射频开关进行微波信号通断切换,而功率放大器处于连续上电工作状态,但常用电路中功放和射频开关是相互独立、分离的,电路的隔离性不够大;当射频开关断开时功率放大器仍处于工作状态,能量消耗过大,造成工作效率低;并可能有部分信号泄漏到低噪声放大器,产生宽频谱噪声干扰接收机工作。
本文中研究的微波固态功率放大器脉冲调制技术完全解决了这些问题,整个电路在没有微波信号时,放大器处于非工作状态,大大提高了电路隔离性,提高了电路工作效率,且电路工作性能良好。
2脉冲调制原理
本文中研究的微波固态功率放大器脉冲调制技术是将串联的射频开关和功率放大器的工作方式均采用脉冲调制方式工作,通过脉冲信号可以调节功放的工作状态。可通过改变脉冲信号状态改变偏置电压大小和输出端电流的大小,射频开关和放大器可以迅速地转换工作状态(工作状态和非工作状态),把这点应用到基于FET管的放大器的漏极或栅极时,可以有效地实现脉冲信号调制,迅速的改变工作状态,提高发射接收隔离度,提高放大器工作效率。文中电路采用了高速大电流低内阻的PMOS管调制,结合负压掉电保护电路使放大器能在低电压大电流的脉冲状态下工作。
2.1功率放大管调制方式的选择
功率放大管调制方式有:栅极脉冲调制和漏极脉冲调制两种方式。
栅极脉冲调制通过夹断漏极电流,让放大器处于非工作状态,通过转换栅极电压来实现从静态工作点(工作状态)到非工作条件的转换,如图1,2所示。但如果放大器工作在VDS值左右,静态工作点很低,当让栅极进入到截止区的同时就会增加VDS,很可能进入到击穿区,实际操作中栅极电压比漏极电压的要求更严格,实现起来难度大。
漏极脉冲调制通过周期性地在两个状态之间改变漏极电压(0V和放大器工作所需的电压VDS)来实现放大器工作状态的转换,依据所需的漏极电流的大小来选择具体的电路器件,对于高功率的放大器,可通过使用大电流PMOS管作为驱动来提供脉冲调制电流。
2.2控制电路的设计
文中微波固态功率放大器工作于脉冲状态,所以采用高速大电流低内阻的PMOS管用于漏极脉冲调制偏置电路,实现微波固态功率放大器脉冲调制状态工作。
由于Ga As器件一般都是需要栅极加负偏压,漏极加正电压,上电时都是先栅极加负偏压,再漏极加正电压,断电时则相反;所以本文采用负电掉电保护和漏极调制一体化设计。脉冲调制采用漏极调制方式来实现,主要优点是能简化偏置网络,驱动功耗小,且具有宽带特性和大的功率容量,并且还能提供很高的开关速度。负电掉电保护电路主要保证了电路在没有负电的情况下,正电不会加到放大管的漏极,从而达到保护放大管器件。
具体的负电掉电保护和漏极调制一体化驱动电路如图3所示。该电路的工作原理是用比较器MAX999实现负电检测,两只三极管实现调制脉冲驱动,PMOS管IRF5305S实现漏极电源开关的作用。当负电掉电或调制脉冲为低电平时,PMOS管IRF5305S关断,停止向功放管供电,从而达到保护功放管和漏极调制的作用。
2.3漏极脉冲调制电路设计
漏极脉冲调制电路模型图如图4所示,IN为输入端,OUT为输出端,KZ为控制端。输入端增加了电荷存储电容,在实际电路中能有效减小上升沿/下降沿的宽度。当电路开始作用,即电压加到输入端时,电容开始充电,当控制端导通时这些电容都一起放电,从而加快电压的传输,达到减小上升沿/下降沿宽度的效果。为仿真效果更接近实际工作状态,在输出端接了2欧姆的模拟负载电阻。源极S端输入(即加直流电压),栅极G端加控制信号,漏极D端输出。经测试管子导通时线性工作,控制效果良好,输出电压满足要求。
3放大器选择
本次放大器设计共有两级,初级放大器选用Tri Quint公司的TGA1328-SCC芯片,芯片增益为16d B,输出功率为25d Bm,尺寸为3.4mm*2.3mm,工作电压10V,消耗电流小于300m A;末级放大器选用富士通公司的FLM-5359-4F芯片,此芯片属于内匹配功率管,增益为10.5d B,输出功率为36.5d Bm,工作电压10V,消耗电流小于1950m A,尺寸为21mm×13mm×5.2mm。射频开关选用MACOM TECH公司的MA4SW110芯片,该芯片工作频率50
从图5和图6测试可看出,漏极脉冲调制电路输出幅度为11.4V,漏极脉冲调制电路输出前后沿小于37ns,电路转换速度较快,满足设计要求。
5结论
基于上述调制电路设计了一款C波段高速微波功率放大器,放大器工作频率在5.5GHz±200MHz,输出功率为3.5W,可以通过调节控制电路的脉冲宽度以及占空比来直接控制功率放大器的工作状态。通过采用漏极脉冲调制方式控制,微波功率放大器在无微波信号时可实现低功耗工作,大大提高了工作效率,降低了工作热损耗,输出信号前后沿小于50ns,达到了设计指标。MHzto26.5GHz,隔离度最大可达-65d B,功耗小,尺寸为0.74mm×0.45mm×0.15mm。
4测试结果
通过对整个漏极脉冲调制电路进行测试,脉冲调制电路输入端加一直流电压信号,控制端输入一个上升沿和下降沿为20ns,宽度为10μs/1.5μs的脉冲信号,输出端对地加一个2Ω电阻负载,分别来测试漏极脉冲调制电路输入输出波形和输出前后沿。测试结果如图5,6所示。
摘要：本研究设计完成了一款高速微波固态功率放大器漏极脉冲调制电路,脉冲前后沿小于50ns。主要采用高速大电流低内阻的PMOS管为微波固态功率放大器设计了漏极脉冲调制控制电路,较传统电路有很大改进,固态功率放大器的工作状态可随意变换,有功率容量大、效率高、隔离性高等优点。最终基于该调制电路设计了一款C波段高速微波功率放大器,放大器工作频率在5.5GHz±200MHz,放大器实现了低功耗工作,输出信号前后沿小于50ns,降低了工作热损耗。
关键词：固态功率放大器,漏极脉冲调制,栅极脉冲调制,上升下降沿
参考文献
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调制放大器 篇4
水声领域中模拟的功率放大器经过了几十年发展, 已经达到了相当高的水平, 其技术性能已经相当成熟。随着现代科技的发展和进步, 数字功放的应用越来越广泛, 其高效率、小体积的优势被人们高度重视, 极大的激发了人们对其应用的研究兴趣。
数字功放的概念早在20世纪60年代就有人提出了, 由于当时技术条件的限制, 进展一直较慢。1983年, M.B.Sandler等学者提出了D类放大的PCM (脉码调制) 数字功放的基本结构。主要技术要点是如何把PCM信号变成PWM (脉冲调宽信号) 。本文介绍了一种PSM (脉冲面积调制) 数字功率放大器技术特点和应用, 这是一种新型功率放大器, 它成功克服了传统功率放大器固有的效率与失真二者不能兼顾的缺陷, 是功率放大器的一次技术革命。
2 主要性能特点
PSM功率放大器, 主要应用于音频功率放大。它的显著特点是宽频带、效率高、失真度低。在纯阻负载条件下, 效率很容易达到95%以上 (在额定功率的1/10条件下, 效率也能达到60%以上) , 总谐波失真度THD+N<0.2%, 失真度性能已经达到高保真音响的指标;比较而言, 目前性能较好的D类功放也只能达到80-90%的效率。
瞬态响应好, 抗过载能力强, 通过于负载适当的功率匹配, 具有一定的频率补偿效应。
3 核心技术
PSM (脉冲面积调制) 数字功率放大器核心技术包括:脉冲面积调制数字功率处理技术、零电压转换数字功率处理技术。
脉冲面积调制技术采用通信技术中的小信号适应算法和估计算法, 将输入信号和负载电流经过数字处理后的输出信号控制场效应管的导通和关闭。这种处理方法克服了脉冲前、后沿延迟和顶部倾斜引起的失真。PSM数字功率放大器的另一项核心技术是零电压转换数字功率处理技术, 使其效率达到80%~90%, 在十分之一的额定功率下, 效率也可以达到50%~60%左右, 远高于AB类 (甲乙类) 功率放大器的指标。
以上核心技术包括信号处理算法和驱动电路已经利用先进的HVIC (高压集成电路) 半导体工艺集成在芯片中, 功率处理芯片DPP2000。
4 应用
PSM数字功率放大器的应用非常广泛, 但在水声工程领域的应用一直是一个空白。由于装备对新技术应用的滞后性, 到目前为止, 声纳线性功率放大器一般采用甲乙类功率放大器, 功率放大部分要占用整整一个机柜, 一般分为功率模块, 输出变压器、电源模块以及辅助模块等。为保证系统可靠性和稳定性, 系统设计还要采用降额设计原则, 所以甲乙类功率放大器工作效率只能达到40%左右, 加上换能器的功率匹配损失, 效率低于40%。由于效率低, 系统损耗大, 必须要有良好的散热系统, 而加装电源风扇必然增加噪声抑制和电磁设计的难度。
在水声领域, 由于功率越大声纳传输距离越远, 所以通信声纳一般都需要大功率放大器, 装备的体积庞大, 设计难度也很高。所以对线性功率放大器应用来说, 高效率, 低失真度, 体积小的宽带功率放大器一直都是各种声纳系统的理想功率放大器。
近年来, 数字信号在水声领域已经得到比较广泛的应用, 例如:伪随机扩频信号, OFDM信号等等。但是高峰平比宽带信号的研究和应用受到传统线性功率放大器性能的限制, OFDM信号带宽一般都在几KHz以上, 峰平比较高, 但OFDM信号又需要进行线性功率放大, 模拟功率放大器在大功率条件下难以平衡效率和失真度等指标要求。而PSM功率放大器, 瞬态响应好, 抗过载能力强, 经过适当的功率匹配, 适用于不同的阻抗特性的负载, PSM功率放大器的性能特点非常适合水声领域的应用。
如果采用PSM功率放大器, 不但可以小型化, 效率也可以提高到60%~80%左右, 但最终实现效率的高低与功率放大器和负载的匹配状态有关。
5 应用实例
在与中国科学院声学研究所合作的某预研项目中, 就运用了采用PSM技术的功率放大器, 该功率放大器采用68V直流电源供电, 额定输出功率为2000W, 功率放大模块外形尺寸为270 x 168 x 270 (mm) , 重量20Kg, 与通信声纳通用换能器匹配之后的声源级能达到200dB, 该功率放大器的匹配网络与功率放大模块设计在一起, 通过一组开关电源, 负责把电池组输出的48V直流电源转换为72V直流电源。与现役的通信声纳的线性功率放大器相比, 采用PSM技术的功率放大器有如下几点优势:
a.体积比现役的功率放大模块的体积要小一半之多;
b.由于效率较高, 短时间内发热量不大, 不需要额外的被动散热装置, 这样就减小了环境噪声;
c.达到同样的声源级要比现役的功率放大器消耗的电功率少将近一半;
d.由于匹配网络与功率放大模块设计在一起, 现役的通信声纳如要采用PSM技术的功率放大器, 其匹配转换装置的体积就可大大缩小。又如在某通信声纳设备中, 也使用了采用PSM技术的功率放大器, 功率放大模块与匹配网络为一体设计, 额定功率为800瓦, 尺寸仅为270x 195 x 125 (mm) , 发射声源级能达到199.7d B, 加上把220交流电源转换为72V的电源板, 总尺寸也不会增加太多, 匹配之后全功率发射时加在换能器上的电功率与消耗的总电功率之比达65%以上。该产品在试验时通信效果很好。
6 优越性
从PSM功率放大器的应用情况我们可以看到:
同样的发射功率PSM功率放大器体积是模拟线性功率放大器的1/5;重量是1/10。充分体现了PSM功率放大器的优越性。
如果不是长时间连续发射, PSM功率放大器主机几乎不发热。主机设有开关电路, 在关闭状态, 功耗几乎为零, 开关电路控制功放开机, 系统响应时间可以达到毫秒级, 在几个毫秒内可以从关闭状态达到满功率发射状态。因此功放部分可以不必安装散热风扇, 只用加装散热片即可, 这在工程上可以大大降低散热时的风燥和因开窗带来的电磁泄露。
主动声纳负载一般为压电陶瓷换能器, 容性负载, 需要进行匹配变换, PSM功率放大器0W和2000WPSM功放的功率匹配单元尺寸都较小, 可以安装在机箱内部, 更换不同的匹配单元驱动不同阻抗特性的负载。
7 结束语
本文对PSM功率放大器主要特点及核心技术进行了深入分析研究, 并与模拟的功率放大器进行了实际对比, 总结了PSM功率放大器的优越性, 对PSM功率放大器在实际应用中前景和需求进行了阐述, 明确提出了PSM功率放大器在主动声纳中具有很强的实际应用价值, 尤其是比线性功率放大器有着比较明显的优越性。
摘要：本文介绍了一种新型功率放大器, 并对其采用的关键技术和应用做了简要分细和阐述, 给出了这种新型功率放大器在水声领域的应用。