基于∑-△技术的调制器的设计与验证

论文摘要

进入21世纪,随着科学技术的迅猛发展,便携式数码设备成为了人们日常生活中不可缺少的组成部分。设计高效率、高音质的音频放大器可以推动数码设备继续向着高保真化、微型化、多功能化的方向发展。功率放大器在音频系统中起着重要的作用。直接关系到音频系统的音质、效率、功耗、体积等性能的好坏。由于D类功率放大器的工作方式比较特殊,它只有导通、截止两种状态,因此,人们把这种功率放大器称作“数字功率放大器”。与传统的A类、B类、AB类功率放大器相比,D类功率放大器具有：效率高（90%以上）、功耗低、体积小、制造工艺简单等显著的优点。所以,在注重绿色环保的时代背景下,D类功率放大器得到了广泛的应用。调制器是D类功率放大器的重要组成部分,起着模/数转换的重要作用。基于∑-△调制技术设计的D类功率放大器具有失真更小、效率更高且不易受电磁干扰的优点。本文首先对D类功率放大器的∑-△调制技术进行了理论分析。进而建立了∑-△调制器的高阶“简单级联结构”模型,并推导出调制器的信噪比与阶数、过采样率之间的函数关系式。考虑到各种非线性因素的存在,引入反馈对高阶线性模型进行改进,使得∑-△调制器能够稳定工作。这就是∑-△调制器的“分布反馈的共振器串联结构（CRFB）”模型。在理论分析的基础上,我设计了一种6阶CRFB结构的∑-△调制器,并进行了Simulink仿真和稳定性验证。仿真输出的波形与理论分析一致。最后,用Verilog HDL语言对所设计的电路进行描述,并基于FPGA进行验证。仿真和验证的结果显示该∑-△调制器具有信噪比高（约110dB）、工作稳定性好、占用资源少和易于实现的优点,具有一定的实用价值。

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第1章绪论

1.1 课题的研究背景

1.1.1 音频放大器

1.1.2 音频功放的发展历史

1.2 功率放大器

1.2.1 功率放大电路特点及研究对象

1.2.2 功率放大电路的技术指标

1.2.3 功率放大电路的分类

1.2.4 各种功率放大器主要特性的比较

1.3 论文的意义

1.4 论文研究的主要内容与结构安排

本章小结

第2章 ∑-△调制技术的基本原理

2.1 脉冲宽度调制

2.2 ∑-△调制

2.2.1 增量调制（△M）原理

2.2.2 ∑-△调制的基本原理

2.2.3 PWM调制与∑-△调制的比较

2.3 基于∑-△调制的D类功放

2.3.1 输出功率级为半桥电路的D类功放

2.3.2 输出级为全桥电路的D类功放

2.4 量化编码

本章小结

第3章 ∑-△调制器的设计方案

3.1 ∑-△调制器的基本模型

3.2 ∑-△调制器的信噪比分析

3.2.1 L阶∑-△调制器的简单级联结构模型

3.2.2 信号传输函数STF（z）

3.2.3 噪声传输函数NTF（z）

3.2.4 ∑-△调制器的信噪比

3.3 L阶∑-△调制器的稳定性分析

3.3.1 z域中离散系统稳定的充要条件

3.3.2 利用Matlab绘制根轨迹

3.3.3 一阶∑-△调制器的稳定性

3.3.4 二阶∑-△调制器的稳定性

3.3.5 三阶（高阶）∑-△调制器的稳定性

3.4 改进的∑-△调制器模型

3.5 ∑-△调制器的设计方案

本章小结

第4章 6阶∑-△调制器的设计与Simulink仿真

4.1 Simulink仿真环境

4.2 6阶CRFB结构的∑-△调制器的设计

4.3 6阶CRFB结构的∑-△调制器的参数

4.3.1 传输函数H（z）

4.3.2 a,g,b,c的增益值

4.3.3 电路的信噪比

4.4 Simulink仿真参数的设置

4.5 6阶CRFB结构的∑-△调制器的Simulink仿真

4.6 6阶CRFB结构的∑-△调制器的稳定性分析

本章小结

第5章基于FPGA的6阶∑-△调制器的验证

5.1 基于FPGA的电子设计自动化的方法简介

5.1.1 集成电路设计方法

5.1.2 电子设计自动化技术

5.1.3 专用集成电路的设计流程

5.1.4 可编程逻辑器件

5.1.5 硬件描述语言Verilog HDL

5.1.6 ModelSim

5.2 6阶CRFB结构的∑-△调制器的Verilog HDL描述

5.2.1 积分器

5.2.2 乘法器

5.2.3 加法器

5.2.4 量化器

5.3 ModelSim仿真与基于FPGA的验证

本章小结

结论

1 本论文的主要工作及创新点

2 下一步的工作

参考文献

致谢

附录A

6 阶CRFB结构的∑-△调制器的Verilog描述

相应的测试程序

附录B 论文中涉及到的主要名词索引

基于∑-△技术的调制器的设计与验证

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