预失真电路设计论文

摘要：在无线通信系统中，由于功率放大器本身非线性失真，引起信号带外频谱扩展和带内信号失真，从而造成邻道干扰。结合实际输入输出数据，利用Matlab拟合出无记忆功放特性函数，再针对功率放大器非线性特性对功放建立符合实际情况的预失真处理模型。今天小编给大家找来了《预失真电路设计论文(精选3篇)》相关资料，欢迎阅读！

预失真电路设计论文 篇1：

ＨＤＷ市场中数子性能的闭环分析

摘要：本文是针对闭环架构的高级概览，文中论述了其在HDTV领域具有的三个主要优势：更高的阻尼因子、更好的电源噪声抗扰度和更高的EMC性能。

关键词：音频；D类放大器；TAS5706；TAS5601；TAS5602

高清电视(HDTV)领域中闭环音频架构的诸多优势已得到广泛印证，且绝大多数模拟输入D类放大器均采用闭环架构。由于该市场正向数字输入放大器(12S／PCM Serial Ⅰ／Fs)转换，降低成本、加速产品上市进程和性能提升的压力也正不断增加，为此闭环架构变得更加引人注目。本文是针对闭环架构的高级概览，文中论述了其在HDTV领域具有的三个主要优势：更高的阻尼因子、更好的电源噪声抗扰度和更高的EMC性能。

闭环架构概述

在音频领域，对于闭环和开环架构的激烈争论已经持续数年之久。根据终端应用或用户喜好的不同，可以得出对于这两种架构正确的论点。在HDTV领域，闭环放大器已经被证明是毫无疑问的胜出者。但是，在高端音频，关于这两种架构的争论仍然异常激烈。闭环架构的主要优势包括更佳的线性度、增益稳定性，更高的带宽，以及更低的输出阻抗，但其也存在一些劣势，主要包括存在降低稳定性、降低增益和增加复杂性的可能性。

从概念上来看，有助于我们考虑闭环放大器的“预失真”方面。放大器输出由放大信号和由放大器或电源引入的所有非线性失真组成，反馈网络对该放大器输出进行采样。接着，在同进入源信号重新组合之前，该输出采样被衰减和反向。求和节点(A点)之外的总信号为一个受到衰减的输入信号，同时在之前添加了放大器和电源非线性的区域存在反向“预失真”。此时，放大器增大信号，带来非线性失真的增加。由于源信号经由反馈网络遭受了预失真，因此您得到了一个预失真+失真的相互抵消的结果，从而产生了一个非常线性的信号。这是负反馈的主要优势，由此您就拥有了一个在系统中动态地进行非线性调节的机制。在一个开环架构中，这种机制并不存在。因此，对于放大器线性度和电源调节的性能要求均非常高，其通常会带来较高的成本和／或牺牲较多的性能。

阻尼因子的优势

阻尼因子是扬声器阻抗与放大器输出阻抗的比率。尤其是在低频率和瞬态条件下，其表明该放大器开始和停止扬声器纸盆运动能力的好坏。高阻尼因子放大器通常可以再产生一个更加致密、精确的低音响应。

闭环放大器拥有一个非常低的输出阻抗，相当于拥有一个高阻尼因子。在一个闭环系统中，通过增加电压输出对放大器输出端电阻压降进行反馈补偿。增高输出电压的效果相当于降低了反馈放大器的输出阻抗。

为了更好地理解低输出阻抗如何提供对扬声器的更好控制，我们需要看一下一个扬声器是如何工作的。假设您对扬声器的各终端施加一个三周期的80Hz猝发模式信号。当将该信号施加到各终端时，其驱动一个电流流经音圈，这反过来会产生一个推动扬声器纸盆来回运动的EMF。理想状态下，一旦消除该信号，扬声器纸盆会立即停止在其静止位置。不幸的是，在使扬声器纸盆运动停止前，我们已经将能量添加至必须被耗散或衰减的系统中。在扬声器中有两种阻尼：(1)由扬声器停止和振动膜空气动力负载产生的机械阻尼；(2)由扬声器磁性材料产生的电子阻尼。机械阻尼属性为扬声器结构和所用材料作用的结果，而电子阻尼的属性则为放大器阻尼因子直接影响的结果。

在移除信号以及扬声器开始发声以后，将产生一个欲停止扬声器纸盆运动的“阻尼”后EMF。通过放大器的输出阻抗，该EMF会产生一个从一个终端至另一个终端的电流。阻抗越小，电流就越大，因此，阻尼EMF也就越强。总之，低输出阻抗允许流过一个较大的后EMF电流，这样反过来又在振铃上施加了一个较强的阻尼力。

一个闭环(红紫色)和开环放大器(红色)，该开环放大器驱动了一个80Hz猝发模式信号三周期的超低音扬声器。振幅为28V峰至峰，同时80Hz信号接近该超低音扬声器的谐振频率。您可以清楚地看到，相比开环放大器，闭环放大器对振铃的阻尼更加快速。除了更大的阻尼以外，同一个开环放大器相比，闭环放大器还可以更加快速地开始扬声器纸盆的运动。

电源抑制优势

由定义可知，一个闭环系统使用反馈来使系统响应具有对外界干扰的低敏感性。开环系统不包含该反馈机制。一个开环系统的相关性能完全依靠最小化外界干扰来实现。

在一个音频放大器中，一个主要的外界干扰是电源。通过使用电容或者使用利用反馈来保证稳定输出电压的专用开关电源，可以使这种干扰最小化。在一个LCD-TV中，通过去除清洁的开关电源，同时直接使用+12V或+24V背光电源来驱动音频放大器，这样就可以实现极大的系统成本节约。

对一个放大器抑制电源干扰能力的常用测量方法是电源抑制。不幸的是，这种测量技术并未突出表明在桥接输出结构中闭环系统相对于开环系统的优势。该技术将放大器输入接地，同时通过在DC电源顶部增加一个频率组件来对电源进行调制。在开环系统中，输入电压与进入电源纹波混频在一起。由于零输入，因此没有混频发生，同时每一个输出端上的干扰均被轻松地在桥接负载上被抵消掉。在正弦信号输入频率的现实音频系统中，输入频率与电源纹波混频，同时创建出音调和音频带失真。另外，开环放大器增益可以通过电源纹波进行调制。

一个100Hz正弦波被施加于所有系统的输入端，同时该输入电压被增高以扫描THD+N曲线，与测得的8Q负载输出功率形成了对比。所用电源为非定制12V开关调节器。当为负载提供5W输出功率时，在300mVp条件下，测得在每一个放大器输入端的输出纹波。由于对电源的需求带来更多的电压纹波，因此开环和闭环系统之间的THD+N差异增加了。在那些调节器有大输出摆幅校正困难的低频率下，这一现象甚至更为明显。

总之，闭环系统让一个音频电路设计人员可以获得较高的音频性能，无需在设计紧密的系统电源(特别是为音频电路)上面花费更多的时间或金钱。

EMC优势

闭环系统的另一个优势是具有使输出转换上升沿和下降沿缓慢下来的能力，并且不包含总谐波失真或转换率控制。这就是将栅极驱动器从关闭状态缓慢地转换至开启状态的情况，从而带来一个更为缓慢的系统响应(更低的dV／dt响应)，以及在EMC测量中更低的峰值。

在D类放大器中，无反应时间是产生总谐波失真的一个重要原因。当输出H桥接中的两个MOSFET均处于关闭状态时，被定义为时间。在开环系统中，实现无反应时间在输出MOSFET之间的匹配来避免二阶效应至关重要。为了最小化无反应时间，脉宽调制(PWM)输出上升沿或下降沿均在非常快的速率下进行转换。一个典型开环放大器(在2.4ns时进行测量)的上升时间，以及一个闭环器件(在10ns时进行测量)的上升时间。请注意在示波器采集(随较大过冲产生的快速上升沿)中产生EMC的一些原因。

在闭环放大器中，通过将输入信号(理想输出响应)和实际输出响应之间的误差与较慢的边缘转换相结合，反馈可以对较慢的边缘转换进行校正。

EMC曲线图对比了一个开环放大器和一个闭环放大器。由于不恰当的电路板布局是影响EMC性能的一个重要因素，因此此处的电路板布局要与本实验非常匹配。另外，需要注意的是，该闭环放大器的频谱仅通过一个输出端LC滤波器来测量。开环放大器在每一个输出端上都拥有更多由一个R和C组成的缓冲电路，用于限制dV／dt。缓冲电路不仅增加了系统材料清单(BOM)，同时还增大了电路板面积。在昂贵的四层电路板上减少电路板面积至关重要。如果工程时间没有被花费在EMC室进行电路板调试，则不但节省了时间，而且还节省了成本。

结语

总之，闭环放大器在HDTV市场中具有三个主要的优势：较高的阻尼因子、较好的电源噪声抗扰度(即较高的电源纹波抑制比，或PSRR)，以及较高的EMC性能。随着从模拟输入D类音频放大器向数字输入放大器的过渡，一些闭环器件(例如TAS5706 D类放大器、TAS5601及TAS5602 PWM功率级)正为设备厂商们提供更高的性能、更低的成本和更短的产品上市时间。

作者：Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｆｉｒｔｈ　Ｒｙａｎ　Ｋｅｈｒ

预失真电路设计论文 篇2：

基于Matlab的功放非线性及预失真建模

摘 要：在无线通信系统中，由于功率放大器本身非线性失真，引起信号带外频谱扩展和带内信号失真，从而造成邻道干扰。结合实际输入输出数据，利用Matlab拟合出无记忆功放特性函数，再针对功率放大器非线性特性对功放建立符合实际情况的预失真处理模型。

关键词：非线性失真；无记忆功放；预失真处理

功放输出信号相对于输入信号可能产生非线性变形，这将带来干扰信号，影响信信息正确传递和接收，此现象称为非线性失真。传统电路设计上，可通过降低输出功率的方式减轻非线性失真效应。功放非线性属于有源电子器件的固有特性，研究其机理并采取措施改善，具有重要意义。

1 问题分析

从数学建模的角度进行探索，若记输入信号x（t），输出信号为z（t），t为时间变量，则功放非线性在数学上可表示为z（t）=G（x（t）），其中G为非线性函数。预失真的基本原理是：在功放前设置一个预失真处理模块，这两个模块的合成总效果使整体输入-输出特性线性化。原理框图如图1所示。

根据建模需要，一要假定信号强度与相位无关，二要假定功率输出存在饱和电平。

2 无记忆功放模型建立

⑴理论分析。由于各类功放的固有特性不同，特性函数G（）差异较大，即使同一功放，由于输入信号类型、环境温度等的改变，非线性特性也发生变化。根据函数逼近定理，对解析函数G（x）总可以用一个次数充分大的多项式逼近到任意程度，故可用计算简单的多项式表示非线性函数。

如果某一时刻的输出仅与此时刻的输入相关，称为无记忆功放，其特性可表示为：

式中K表示非线性阶数，hk为各次幂系数。

⑵计算结果评价。模型的数值计算结果业界常用NMSE、EVM等参数评价其准确度。归一化均方误差（Normalized Mean Square Error，NMSE）来表征计算精度，用EVM衡量整体模型对信号的幅度失真程度，表达式分别为：

⑶功放多项式拟合。非线性多项式的拟合是用连续曲线近似刻画或比拟平面上离散点组函数关系的一种数据处理方法。在数据是复数的情况下，曲线拟合时将实部与虚部分开，从二次做起，通过对各个次的NMSE值及其模型仿真图比较，NMSE值趋于稳定，曲线拟合程度相对接近，考虑到拟合函数的复杂程度，采用六次多项式作为功放数学模型。

3 预失真模型建立

在功放特性函數G（）已知条件下，求解G（F（x））是一种特殊函数方程，本文以线性原则为主要依据，结合假定2，通过枚举g值，在g值给定的情况下，根据G（F（x））得到某一区间的输入-输出模型，该区间上限可由饱和电平与g值之比确定。

由G（F（x））=g*x得到F（x）=G-1（gx），而函数逆运算G-1可以通过对功放反向做曲线拟合，六次拟合求出G（）的逆函数。分别得出F的实部和虚部，最后求出F（x）。

预失真建模还需考虑2个约束条件：1）预失真处理输出幅度限制。由于功放输入幅度需保持在一定范围，过大的值会导致饱和溢出，建模需限定预失真处理输出幅度不大于所给出功放输入幅度最大值。2）预失真处理加载后，尽可能使功放输出功率最大化。根据以上条件的限制，本文采用试算法，枚举g的取值，计算各个g值所对应模型的误差，综合考虑得到本系统的线性化模型。当g=1.8时预失真处理之后效果最佳。无预失真功与有预失真处理后功放对比如图2所示。

建立预失真模型后的函数表达式为：

4 模型评价及目标误差函数

⑴无记忆模型评价。对各个不同的g值下的NMSE的值和EVM的值进行比较筛选，本文最终综合NMSE及EVM值、约束条件因素，选择g=1.8时所建立的线性化模型。

⑵目标误差函数。根据上节优化得g=1.8，确定理想输入-输出与实际模型所得输入-输出函数之差，即为目标误差函数：

[参考文献]

[1]曹新容，黄联芬，赵毅峰.一种基于Hammerstein模型的数字预失真算法[J].厦门大学学报（自然科学版），2009，48（1）：47-50.

[2]钱业青，姚天任.记忆非线性功率放大器的神经网络预失真[J].计算机工程与应用，2004，40（21）：100-103.

[3]钱业青.一种高效的用于RF功率放大器线性化的自适应预失真结构[J].通信学报，2006，27（5）：35-40，46.

[4]王华东，鲍景富，何松柏.修正Volterra级数的功放行为模型[J].电子科技大学学报，2010，39 （3）：368-371.

作者：何琳琳　王阳

预失真电路设计论文 篇3：

高效率、高线性数字功放开发与研究

摘 要：本文所论述的数字功放技术用于实现一种高效率，高线性、小体积的D类数字功放，其应用领域为专业数字功放系统，它包含四个组成部分：输入级，放大级，输出级和误差效正系统。本数字功放技术采用了NPWM调制技术，高效率H桥，VFC2反馈控制技术等先进技术，样机最大输出功率1000W，失真度0.08%，信噪比115dBV。技术水平与国外同类产品相当。

关键词：D类数字功放；NPWM调制；高效率H桥；VFC2反馈控制

1 音频功放技术现状

目前A类、B类和AB类模拟功放在市场上仍然占据着主要地位，这类功放工作在线性状态，通常不采用感性器件，且在线性电路中，输出与输入保持着严格的比例关系，因此线性电路一般能得到很好的保真度，即极小的失真度。但是，既然晶体管始终工作在线性区，那么必将持续的产生较大的功率损耗，同时导致整个电路效率的大幅下降。低的效率会带来以下问题：第一、功放管产生大量的热量，影响自身可靠性；第二、体积庞大，难以实现小型化；第三、电能消耗大，运行成本高。因此，提高功放效率成为摆在人们面前的重要课题。

D类功放，也被称为开关类功放和数字功放。这类功放中采用了容性和感性器件，理论上它们不损耗功率，同时抛弃了阻性器件和工作在线性区的半导体器件，加入了工作在开关状态的半导体器件。这种半导体器件不是完全导通就是完全截止，在完全导通且流过较大电流的状态下，半导体器件上的压降为零，在完全截止的状态下，半导体器件上的电流接为零，这种工作模式称为“零电压，零电流模式”，在理论上能够实现零功率损耗。

实际使用中，由于半导体器件的导通阻抗和漏电流产生，其功率损耗是不可避免的，不过这种损耗微不足道，开关类功放的主要损耗是开关损耗——在完全导通态与完全截止态之间转换时产生的功率损耗。显然，这种开关损耗与线性功放产生的损耗比较要小很多。

因此，D类功放能够解决传统模拟功放效率低的问题。体积小、重量轻、效率高的数字功放在一些领域得到的大量的使用，如便携式设备，移动电话、小型的音响系统和一些使用电池的设备中。但是，与模拟功放相比，D类数字功放的设计相当复杂，这阻碍了D类功放在一些领域中的应用。

2 高效率、高线性数字功放技术

本数字功放技术包含四个组成部分：输入级，放大级，输出级和误差效正系统。其工作原理的简单描述如下：

输入模拟音频信号首先经隔离放大器放大，然后与反馈回来的音频信号一起送到误差放大器，输出放大的误差音频信号。三角波发生器产生高线性度的模拟三角波信号。将放大的误差信号和三角波信号送到NPWM调制器，输出PWM信号。PWM信号送到H桥驱动器进行预放大，同时在H桥驱动信号间插入死区时间（dead time）。H桥放大器对PWM信号进行放大，输出功率PWM信号。功率PWM信号送到低通滤波器，输出放大的模拟音频信号。

准确的说，数字功放是一种DC-AC转换器。

本文所论述的数字功放技术包括四个重要的关键技术：

（1）脉宽调制技术。

（2）MOSFET桥式放大电路设计。

（3）解调滤波器设计。

（4）误差效正系统。

2.1 脉宽调制技术

脉宽调制（PWM）技术是数字功放技术的核心技术，让脉宽调制信号与输入音频信号的变化形成某种特定关系，这就是脉宽调制技术的目的，脉宽调制技术分为两种，分别是归一化脉宽调制（UPWM）和自然采样脉宽调制（NPWM）。本数字功放技术中使用的是NPWM調制。

已有的分析表明，三电平调制（NBDD）优于两电平调制（NADD），特别是在高频抑制特性方面。

本数字功放技术使用三电平调制（NBDD），并将其与全桥放大电路结合使用，得到了很好的效果。

2.2 MOSFET桥式放大电路设计

4 结论

本论文采用性能优良的NBDD脉宽调制方式以及控制结构简单、稳定性好的VFC2反馈控制结构，并结合高效率的H桥放大器设计和合理的滤波器设计，完成了一款性能指标优良的数字音频功率放大器的开发。技术指标达到了中档模拟功放的水平，与国外同类产品指标相当。

数字功放技术在不断的向前快速发展，数字功放的技术水平在不断提高，我公司紧跟技术发展动向，今年正在开发、应用更高指标的数字功放技术，主要采用自振荡NPWM调制，目前已开发出初样，其失真度为0.005%，信噪比为120 dB，频响为20Hz-40kHz，最大输出功率达3000W，效率达92%。

参考文献：

[1]Christopher N.Hemmings.Improving Class D Audio Power Amplifiers.University of Queensland，St Lucia，Department of Computer Science and Electrical Engineering，1999.

[2]Design Consideration for Class-DAudio Power Amplifiers.Texas Instruments Inc，1999，8.

[3]Class d tutorial.IR公司，2004，2.

[4]System Design Considerations for True Digital Audio Power Amplifiers.Texas Instruments Inc..Novenber 2001.Publication number SLAA117A

作者简介：凌智（1981.1-），男，湖南常德武陵区人，常德职业技术学院现代教育技术中心，助教。

作者：凌智