專利名稱：D類聲頻放大器的制作方法
相關(guān)申請(qǐng)交叉參考本申請(qǐng)書要求獲得以下美國(guó)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)并且是所述美國(guó)專利申請(qǐng)的部分繼續(xù)申請(qǐng)所述美國(guó)專利申請(qǐng)的序列號(hào)09/614,410，發(fā)明名稱“D類聲頻放大器”，提交日期2000年7月12日。
2.背景信息由于其功率效率高，D類放大器經(jīng)常被用于聲頻放大。它們提供基本上滿輸出功率，同時(shí)能使內(nèi)部功率消耗最小化。通常，D類放大器工作在開關(guān)模式，其輸出級(jí)產(chǎn)生方波，后者在輸送到負(fù)載(如揚(yáng)聲器)之前被濾波。方波根據(jù)輸入模擬信號(hào)而變化，當(dāng)方波在輸出端被濾波后，結(jié)果波形是輸入模擬信號(hào)的放大版本。
有兩項(xiàng)主要技術(shù)主導(dǎo)D類聲頻功率放大器的實(shí)現(xiàn)。第一項(xiàng)技術(shù)是脈寬調(diào)制(PWM)，它在不變的載波頻率下驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)，并調(diào)制其脈沖占空度。模擬方法中，差動(dòng)模擬比較器在一個(gè)輸入端有輸入模擬信號(hào)，在另一輸入端有三角波形。三角波形以載波頻率振蕩，三角波形每次跨過輸入模擬信號(hào)的瞬時(shí)值時(shí)，切換所述輸出級(jí)。這種切換產(chǎn)生具有對(duì)應(yīng)于輸入模擬信號(hào)值的脈沖寬度的輸出脈沖。
第二項(xiàng)技術(shù)是脈沖密度調(diào)制(PDM)，有時(shí)稱為“Δ-∑調(diào)制”，它使用以恒定頻率定時(shí)的判定塊。在每個(gè)時(shí)鐘脈沖邊緣，所述塊判定輸出級(jí)是應(yīng)該停留在當(dāng)前狀態(tài)還是應(yīng)該改變到相反狀態(tài)。思路是D類放大器的輸出是脈沖流，其寬度按時(shí)間量子增量變化。時(shí)間量子由驅(qū)動(dòng)判定塊的時(shí)鐘頻率確定。
使用PWM、PDM或其他技術(shù)的D類放大器實(shí)現(xiàn)有幾個(gè)問題和缺點(diǎn)。首先，D類放大器組件的非理想本質(zhì)導(dǎo)致了在開關(guān)輸出節(jié)點(diǎn)的畸變(例如，在D類放大器輸出級(jí)的輸出端)。試圖考慮這種畸變的現(xiàn)有方法通常不可靠或不方便。
其次，對(duì)比于輸出級(jí)或?qū)Ρ扔贏B類或B類模擬功率放大器，PWM和PDM實(shí)現(xiàn)的信號(hào)處理塊都非常復(fù)雜和昂貴。例如，PWM實(shí)現(xiàn)必須產(chǎn)生/使用三角波形，PDM實(shí)現(xiàn)必須使用時(shí)鐘機(jī)制。
此外，因?yàn)棣?∑的PDM放大器使用取樣(定時(shí))比較器來實(shí)現(xiàn)，所以時(shí)鐘的頻率限制了反饋環(huán)路的響應(yīng)時(shí)間。就是說，一旦比較器作了比較，則在到達(dá)下一個(gè)時(shí)鐘脈沖邊緣之前不能作另一個(gè)比較。同樣，僅當(dāng)輸入信號(hào)和三角波形位置重合時(shí)，PWM放大器才作出判定。
因此，需要對(duì)D類聲頻放大器作改良。


圖1是顯示具有D類放大器和可用于聲頻信號(hào)放大和其他聲頻信號(hào)處理的其他組件的系統(tǒng)的實(shí)施例的電路簡(jiǎn)圖。
圖2是顯示具有D類放大器和可用于聲頻信號(hào)放大和其他聲頻信號(hào)處理的其他組件的系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例的電路簡(jiǎn)圖。
圖3是顯示具有D類放大器和可用于聲頻信號(hào)放大和其他聲頻信號(hào)處理的其他組件的系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例的電路簡(jiǎn)圖。
圖4是顯示具有D類放大器和可用于聲頻信號(hào)放大和其他聲頻信號(hào)處理的其他組件的系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例的電路簡(jiǎn)圖。
詳細(xì)說明以下詳細(xì)說明使用D類放大器和附屬電路來進(jìn)行聲頻信號(hào)放大和其他聲頻信號(hào)處理的系統(tǒng)和方法的實(shí)施例。以下說明中提供了諸如電路組件示例值的一些具體細(xì)節(jié)，以幫助徹底理解本發(fā)明的實(shí)施例。本專業(yè)的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在缺少上述一個(gè)或多個(gè)具體細(xì)節(jié)的情況下、或者使用其他方法、組件、材料等也可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。在其他例子中未詳細(xì)地顯示或說明眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作，以避免使本發(fā)明的一些方面模糊不清。
本說明書中通篇所指的“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”意指就所述實(shí)施例說明的特定功能部件、結(jié)構(gòu)或特征包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因而，本說明書通篇各個(gè)地方出現(xiàn)的詞語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在實(shí)施例中”不必都是指相同的實(shí)施例。此外，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中特定功能部件、結(jié)構(gòu)或特征可以按任意適當(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)合。
圖1中以標(biāo)號(hào)10總的示出根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實(shí)施例。系統(tǒng)10包括D類放大器電路11和負(fù)載13。系統(tǒng)10包括一對(duì)晶體管M1和M2，它們用作驅(qū)動(dòng)輸出開關(guān)節(jié)點(diǎn)X的功率輸出開關(guān)器件。在一個(gè)實(shí)施例中，晶體管M1和M2可以是N溝道或P溝道金屬氧半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)或N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)。在另一個(gè)實(shí)施例中可以使用雙極結(jié)型晶體管(BJT)。應(yīng)當(dāng)指出，晶體管M1和M2可以包括任何類型的適當(dāng)開關(guān)器件，使得工作時(shí)在一個(gè)開關(guān)器件接通的同時(shí)另一個(gè)開關(guān)器件斷開。
晶體管M2的源端子連接到節(jié)點(diǎn)X，而晶體管M1的源端子接地。晶體管M2的漏極連接到電源Vcc、后者在一個(gè)實(shí)施例中可以是(例如)22伏，而晶體管M1的漏極連接到節(jié)點(diǎn)X。晶體管M1和晶體管M2起著開關(guān)的作用，它們構(gòu)成D類放大器電路11的輸出級(jí)的一部分，以便當(dāng)在開關(guān)模式下使用輸出級(jí)時(shí)，在節(jié)點(diǎn)X產(chǎn)生方波輸出。通過D類放大器電路11中的傳統(tǒng)邏輯(未示出)，使輸出級(jí)的交叉?zhèn)鲗?dǎo)最小化或消除它。就是說，在晶體管M1接通之前，這種邏輯電路驗(yàn)證晶體管M2是斷開的，反之也一樣。
節(jié)點(diǎn)X處的方波通過電感器Ls、電容器Cs和接地的電阻Rs濾波，然后傳送到輸出節(jié)點(diǎn)Y，所有這些構(gòu)成負(fù)載13。負(fù)載13還包括揚(yáng)聲器12，后者通過電容器Cc電容耦合到節(jié)點(diǎn)Y。在一個(gè)實(shí)施例中，所述各種電路元件的示例值可以是Ls＝58μH、Cs＝4.7μF、Rs＝0.47Ohms、Cc＝1000μF，可以理解，其他實(shí)施例可能使用具有不同值的元件。
節(jié)點(diǎn)Y處的信號(hào)通過具有并聯(lián)電阻器Ra和電容器Ca及接地電阻器Rb的網(wǎng)絡(luò)被反饋(負(fù)反饋)到總節(jié)點(diǎn)Z。輸入信號(hào)(如模擬聲頻信號(hào))通過電阻器Ri和輸入耦合電容器Ci耦合到節(jié)點(diǎn)Z。電阻器Ri提供輸入電阻，電容器Ci阻隔輸入信號(hào)的直流(DC)成分。在一個(gè)實(shí)施例中，這些電路元件的示例值可以是Ra＝90kOhms、Ca＝470pF、Rb＝20kOhms、Ri＝5kOhms、Ci＝1μF，同樣地可以理解，其他實(shí)施例可能利用具有不同值的元件。
節(jié)點(diǎn)Z連接到(或受監(jiān)控于)比較器Cmp的反相輸入端，所述比較器構(gòu)成D類放大器電路11的輸入級(jí)的一部分。比較器Cmp的非反相輸入端上加有等于參考電壓Vref的偏壓，在一個(gè)實(shí)施例中，所述偏壓可以是2伏±耦合到比較器Cmp并且與比較器Cmp的輸出電平有關(guān)的小電壓dV。小電壓dV代表局部滯后作用，它導(dǎo)致比較器Cmp干凈利落地切換。這樣，比較器Cmp和Vref及dV電壓協(xié)作以構(gòu)成通常所稱的“繼電器式控制器”。
還可以將D類放大器電路配置為非反相放大器。以圖2系統(tǒng)20中D類放大器電路18的形式示出這種實(shí)施例的實(shí)例。在這種情況下，輸入信號(hào)通過電阻器Rc和電容器Cd饋送到比較器Cmp的非反相輸入節(jié)點(diǎn)，而反相輸入端接地。電阻器Rd連接在參考電壓Vref和比較器Cmp的非反相輸入節(jié)點(diǎn)之間。本專業(yè)的技術(shù)人員可以根據(jù)本文提供的實(shí)施例說明來知道電阻器Rc和Rd及電容器Cd的適當(dāng)值。使用D類放大器電路18，當(dāng)在非反相端子接收到正的輸入信號(hào)時(shí)，節(jié)點(diǎn)Y處的輸出信號(hào)是放大的同相(如非反相)信號(hào)。
回過頭來參考圖1，比較器Cmp的輸出驅(qū)動(dòng)最小的脈沖塊MinP，后者限制從比較器Cmp輸出的信號(hào)的最小脈寬。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，塊MinP可以具有1μs的最小脈寬。塊MinP的兩個(gè)輸出具有相反的邏輯狀態(tài)(例如，若一個(gè)輸出是二進(jìn)制1，則另一個(gè)輸出是二進(jìn)制0)。塊MinP的一個(gè)輸出通過電平移動(dòng)電路LS驅(qū)動(dòng)上驅(qū)動(dòng)器Udrv，塊MinP的另一個(gè)輸出直接驅(qū)動(dòng)下驅(qū)動(dòng)器LDrv。塊MinP和電平移動(dòng)電路LS的具體電路示例不在此作詳細(xì)說明，因?yàn)樗鼈冊(cè)诒绢I(lǐng)域中是共知的。
下驅(qū)動(dòng)器LDrv的輸出驅(qū)動(dòng)晶體管M1的柵極，上驅(qū)動(dòng)器UDrv的輸出驅(qū)動(dòng)晶體管M2的柵極。利用連接在節(jié)點(diǎn)X和節(jié)點(diǎn)Boot之間的浮動(dòng)電源給上驅(qū)動(dòng)器Udrv加偏壓。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，當(dāng)晶體管M2接通時(shí)，電容器Cb(例如，電容值為22nF)提供所述浮動(dòng)電源電壓。這類似于傳統(tǒng)的引導(dǎo)指令驅(qū)動(dòng)技術(shù)，它使得能夠?qū)⒕w管M2的柵極驅(qū)動(dòng)到高于正電源(例如高于電源電壓Vcc)。
當(dāng)節(jié)點(diǎn)X處在低電平時(shí)，可以通過二極管(未示出)從穩(wěn)壓電源Vreg向電容器Cb充電。穩(wěn)壓電源Vreg還可以給比較器Cmp、塊MinP、電平移動(dòng)電路LS的一部分、下驅(qū)動(dòng)器LDrv以及其他電路(未示出)加偏壓。在一個(gè)實(shí)施例中，穩(wěn)壓電源Vreg的示例值是5伏，可以理解，不同的Rreg值也可以適合于其他實(shí)施例。
節(jié)點(diǎn)Y的靜止輸出電平V(Y)由電阻器Ra和Rb按以下公式設(shè)置V(Y)＝Vref*(1+Ra/Rb)(1)因此，在一個(gè)實(shí)施例中，若Vcc是22伏，則節(jié)點(diǎn)X處的信號(hào)將在0伏和22伏之間轉(zhuǎn)換，而節(jié)點(diǎn)Y將處在V(Y)＝11伏。
D類放大器電路11的頻帶中心增益Av(絕對(duì)值)由電阻器Ra和Ri根據(jù)以下公式設(shè)置Av＝Ra/Ri(2)D類放大器電路11在節(jié)點(diǎn)Y處產(chǎn)生放大的反相輸入信號(hào)版本(例如，Av為負(fù))。
由電容器Ci和電阻器Ri根據(jù)以下公式設(shè)置翻轉(zhuǎn)頻率ftft＝1/(2*piRi*Ci)(3)由電阻器Rs和電容器Ca對(duì)噪聲反饋進(jìn)行整形。更具體地說，電阻器Rs和電容器Ca有助于減小由高頻(頻帶外)噪聲所引起的假信號(hào)，所述高頻噪聲疊合到有意義的頻帶中(例如疊合到聲頻頻帶中的噪聲)。電阻器Rs和電容器Ca兩者都向控制回路提供一些超前補(bǔ)償，方法是從具有強(qiáng)的高頻噪聲的節(jié)點(diǎn)Y反饋輸出信號(hào)，從而補(bǔ)償或減少因輸出器件特性的微小變化而引起的聲頻頻帶的任何畸變或噪聲，以及改善整體回路穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間。
系統(tǒng)10的工作如下。比較器Cmp在節(jié)點(diǎn)Z的輸入信號(hào)與Vref+-dV進(jìn)行比較。實(shí)際上，比較器Cmp的輸出取決于輸入電壓以及其最近的歷史(如滯后)。結(jié)果，比較器Cmp的輸出為方波，它在二進(jìn)制0和二進(jìn)制1電平之間轉(zhuǎn)換。例如，當(dāng)輸入信號(hào)的幅度平穩(wěn)地增加時(shí)，比較器Cmp輸出基本上直流的二進(jìn)制1信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)的幅度平穩(wěn)地減小時(shí)，比較器Cmp輸出基本上直流的二進(jìn)制0信號(hào)。只要輸入信號(hào)和節(jié)點(diǎn)Y的輸出信號(hào)(成比例的)之間的差值(例如控制信號(hào))改變(例如，只要輸入信號(hào)的幅度開始增加或開始減小)，比較器Cmp的輸出則在二進(jìn)制0和二進(jìn)制1之間轉(zhuǎn)換(反之也一樣)，所述比較基于滯后作用。相應(yīng)地，比較器Cmp輸出信號(hào)的二進(jìn)制1和二進(jìn)制0的脈寬“長(zhǎng)度”提供了控制信號(hào)的表示。
比較器Cmp的所述方波輸出信號(hào)被饋送到塊MinP中。如上所述，塊MinP具有同時(shí)在不同邏輯狀態(tài)的兩個(gè)輸出。因此，比較器Cmp的方波輸出信號(hào)導(dǎo)致塊MinP驅(qū)動(dòng)上驅(qū)動(dòng)器UDrv和下驅(qū)動(dòng)器LDrv，分別接通/斷開晶體管M2和M1。晶體管M1和M2的切換作用的結(jié)果是，在節(jié)點(diǎn)X產(chǎn)生方波，后者是在比較器Cmp輸出端產(chǎn)生的方波的放大版本。在一個(gè)實(shí)施例中，若電源電壓Vcc是22伏，則在節(jié)點(diǎn)X的方波在22伏和0伏之間變換(即方波在22伏和0伏之間沖擊)。
接著，利用電感器Ls、電容器Cs和電阻器Rs對(duì)節(jié)點(diǎn)X處的方波進(jìn)行濾波。更具體地說，因?yàn)橥ㄟ^電感器Ls的電流和電容器Cs兩端的電壓不會(huì)瞬時(shí)改變，所以負(fù)載13上的這些元件形成一個(gè)濾波器，它使來自節(jié)點(diǎn)X的方波變得“平滑”。結(jié)果是，若使用反相配置(如在圖1中所示的)，則向揚(yáng)聲器1 2提供模擬輸出信號(hào)，它是輸入信號(hào)的反相并放大的版本。若使用非反相配置，如圖2中所示的，則不將模擬輸出信號(hào)反相(即，同相)。
以上所述的系統(tǒng)10的工作可以被認(rèn)為是D類功率放大器的“模擬自適應(yīng)調(diào)制”(AAM)。AAM允許在與輸出級(jí)相同的模板上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的信號(hào)處理塊，并具有低畸變和快速響應(yīng)時(shí)間，它是從繼電器式控制器理論派生而來的。唯一的反饋路徑是從輸出節(jié)點(diǎn)Y。這確保了對(duì)主要畸變來源的良好控制(在節(jié)點(diǎn)X的輸出級(jí)開關(guān)波形)，還可控制由于負(fù)載阻抗變化而引起的畸變。如上所述，反饋網(wǎng)絡(luò)被配置成對(duì)輸出噪聲頻譜進(jìn)行整形并使聲頻頻帶內(nèi)的噪聲污染最小化。從偽總節(jié)點(diǎn)(如在節(jié)點(diǎn)Z)上的輸入信號(hào)中減去此整形后的反饋信號(hào)。比較器Cmp是個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)Z的實(shí)時(shí)比較器，具有小量滯后。
與PDM實(shí)現(xiàn)相比較，AAM的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是比較器Cmp不是定時(shí)的，因此可以根據(jù)輸入信號(hào)與滯后的比較，自由地立即響應(yīng)輸入信號(hào)的變化。這使控制帶寬達(dá)到最大而使響應(yīng)時(shí)間達(dá)到最小。
AAM的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是比之于現(xiàn)有的PWM和PDM實(shí)現(xiàn)，它非常簡(jiǎn)單。信號(hào)處理時(shí)鐘包括比較器Cmp和時(shí)鐘MinP，用以提供定時(shí)。這些功能非常簡(jiǎn)單，以致于可在與功率輸出級(jí)相同的模板上經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)它們。AAM無需另外的諸如用于PWM的三角波形。
另外，使用AAM，輸出級(jí)僅當(dāng)必要時(shí)才作轉(zhuǎn)變，以便控制節(jié)點(diǎn)Y處輸出節(jié)點(diǎn)電壓的軌跡。就是說，僅當(dāng)響應(yīng)控制信號(hào)軌跡的變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)X處的方波才從高轉(zhuǎn)為低(反之也一樣)。開關(guān)輸出節(jié)點(diǎn)X處的邊緣越少，意味著在輸出級(jí)中開關(guān)損耗越少(例如，晶體管M1和M2較少進(jìn)行切換)，這進(jìn)一步提高了D類放大器電路11和18的效率。此外，AAM以與PDM大致相同的方式在輸出開關(guān)節(jié)點(diǎn)X擴(kuò)展信號(hào)的頻譜。
圖3是顯示另一個(gè)具有D類放大器電路32和可用于聲頻信號(hào)放大和其他聲頻信號(hào)處理的其他組件的系統(tǒng)30的實(shí)施例的電路示意圖。在系統(tǒng)30的負(fù)載13中除去了電阻器Rs，因而直接將電容器Cs接地。對(duì)于D類放大器電路32，電容器Cs連接到節(jié)點(diǎn)Y，而電阻器Ra連接到耦合節(jié)點(diǎn)X。電容器Cint連接在節(jié)點(diǎn)Z和地之間。因而形成包括電阻器Ra和電容器Cint的反饋網(wǎng)絡(luò)，而另一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)包括電容器Ca。
圖4是顯示另一個(gè)具有D類放大器電路42和可用于聲頻信號(hào)放大和其他聲頻信號(hào)處理的其他組件的系統(tǒng)40的實(shí)施例的電路示意圖。更具體地說，圖4的D類放大器電路42是圖3的D類放大器電路32的非反相版本。圖3和4各自的系統(tǒng)30和40的元件示例值分別是Ra＝330kOhms、Ri＝10kOhms、Ci＝1μF、Rb＝68kOhms、Ca＝15pF以及Cint＝1nF。
系統(tǒng)30和40的工作一般與上述的系統(tǒng)10和20的工作類似，反饋中的有些不同之處將在下面說明。首先，對(duì)于圖1和圖2各自的系統(tǒng)10和20，來自輸出節(jié)點(diǎn)Y的前導(dǎo)反饋由Rs*Cs時(shí)間常數(shù)構(gòu)成的零所構(gòu)成。在高于此時(shí)間常數(shù)的頻率上，Cs將短路，Rs占主導(dǎo)(例如，Rs和Cs的阻抗變成電阻性的)。并且，由于電感器Ls所產(chǎn)生的磁極，節(jié)點(diǎn)Y處的信號(hào)滯后于節(jié)點(diǎn)X處的信號(hào)。在某些特定的頻率上，電容器Cs也可進(jìn)一步對(duì)從節(jié)點(diǎn)X到節(jié)點(diǎn)Y的相位延遲有影響(例如，因?yàn)殡姼衅鱈s和電容器Cs而存在兩個(gè)磁極)。Ra和Ca共同起作用使節(jié)點(diǎn)Z的信號(hào)的相位超前，從而部分地抵銷了此相位延遲/滯后。
對(duì)于顯示在圖3-4中的實(shí)施例，從輸出開關(guān)節(jié)點(diǎn)X取得反饋。通過經(jīng)由電阻器Ra和電容器Cint對(duì)節(jié)點(diǎn)X處的信號(hào)進(jìn)行積分來形成到節(jié)點(diǎn)Z的所述反饋。從相位的角度，在比較器Cmp輸入端的節(jié)點(diǎn)Z處開始至節(jié)點(diǎn)X，通常有可略去不計(jì)的相位延遲，后者由比較器Cmp、最小脈沖塊MinP及驅(qū)動(dòng)器Udrv和LDrv產(chǎn)生。但是，從節(jié)點(diǎn)X至節(jié)點(diǎn)Z，由電阻器Ra、電阻器Ri、電容器Cint及電阻器Rb構(gòu)成的一階低通網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生約為90度的相位移。電感器Ls、電容器Cs及電容器Cc對(duì)節(jié)點(diǎn)Z處的信號(hào)沒有一階影響，因而對(duì)節(jié)點(diǎn)X處的信號(hào)幾乎沒有影響。電容器Ca增加了聲頻波段的相位容限。
圖3和4中所示的實(shí)施例的工作可以進(jìn)一步說明如下。首先，在聲頻頻帶中Cc*Rload＞＞[Ls*Cs]，并且為著分析目的省去了電容器Cc。阻抗Rload可以包括揚(yáng)聲器12的阻抗，例如，通常的阻抗為4至8Ohms。為使節(jié)點(diǎn)Y處的負(fù)載反射最小，來自傳輸線的原理表述如下[Ls/Cs]＝Rload(4)電感器Ls和電容器Cs包括二階低通濾波器，后者對(duì)在節(jié)點(diǎn)X輸入的方波進(jìn)行濾波，以便在節(jié)點(diǎn)Y形成模擬輸出。此濾波器的截止頻率設(shè)置在上聲頻頻帶。通常在各種實(shí)施例中，它在FHI＝15-20kHz。因此FHI＝1/[(2pi)*(Ls*Cs)] (5)
節(jié)點(diǎn)Z輸入的負(fù)反饋是在節(jié)點(diǎn)X由電阻器Ra、Ri、Rb及電容器Cint和Ci從信號(hào)的低通濾波器導(dǎo)出。與聲頻的低頻范圍20至100Hz(FLO)相比較，Ri*Ci的乘積很大，因此為了分析目的可以省去電容器Ci。節(jié)點(diǎn)Z處的低通頻率FZ是FZ＝1/[(2pi)*(R′*Cint)] (6)其中R′是電阻器Ra、Rb和Ri的并聯(lián)阻抗。
假設(shè)FZ＝FHI，則可以保持節(jié)點(diǎn)Y處受控制輸出信號(hào)的平坦的增益和相位。在高于FHI的頻率，節(jié)點(diǎn)Y處的信號(hào)相對(duì)于節(jié)點(diǎn)X處的信號(hào)以每10倍-40dB(-40dB/decade)滾降。通過把節(jié)點(diǎn)X的高于Fz以每10倍-20dB(-20dB/decade)滾降的信號(hào)反饋到節(jié)點(diǎn)Z，節(jié)點(diǎn)Y處的輸出將相對(duì)于名義上通過電阻器Ri和電容器Ci輸入的輸入信號(hào)以每10倍-20dB(-20dB/decade)滾降。電容器Ca在頻率Fz或高于它的頻率增加額外的從節(jié)點(diǎn)Y到節(jié)點(diǎn)Z的相位容限。電容器Ca還增加噪聲整形。
說明反饋工作的另一種方法是節(jié)點(diǎn)X處的信號(hào)由比較器Cmp在節(jié)點(diǎn)Z的加輸入端與減輸入端的差值驅(qū)動(dòng)。在高于Fz的頻率，節(jié)點(diǎn)Y處的信號(hào)以每10倍-40dB(-40dB/decade)滾降。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)Z處高于頻率Fz的信號(hào)以每10倍-20dB(-20dB/decade)滾降，所以，在比較器Cmp輸入端所見的凈差將以每10倍-20dB(-20dB/decade)增加。因此，節(jié)點(diǎn)X處的信號(hào)以每10倍-20dB(-20dB/decade)增加，并且現(xiàn)在Y將以每10倍-20dB(-20dB/decade)而不是以每10倍-40dB(-40dB/decade)滾降，從而大大地降低了相位和增益畸變。換句話說，由反饋網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點(diǎn)X至節(jié)點(diǎn)Z形成的一階磁極基本與由包括電感器Ls和電容器Cs的濾波器形成的二階磁極匹配，或者，連接到輸出級(jí)的輸出節(jié)點(diǎn)X的濾波器和連接在輸出級(jí)的輸出節(jié)點(diǎn)X和輸入級(jí)的輸入節(jié)點(diǎn)Z之間的反饋網(wǎng)絡(luò)濾波器具有基本相同的低通截止頻率。電容器Ca在節(jié)點(diǎn)Z以高于頻率Fz的頻率提供附加信號(hào)。
以上對(duì)本發(fā)明的圖解說明實(shí)施例的描述、包括在摘要中所描述的，目的不在于窮舉或?qū)⒈景l(fā)明局限在所公開的嚴(yán)格形式上。雖然本文作為說明目的描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例和示例，但在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以有各種各樣等效的修改，本專業(yè)的技術(shù)人員將會(huì)明白它。
例如，本文雖然提供了具體的元件值和電壓值，應(yīng)當(dāng)指出，這些值僅是為著說明和解釋的目的。本發(fā)明的各種實(shí)施例可以使用不同于本文指定的值。
鑒于以上的詳細(xì)描述，可以對(duì)本發(fā)明作出這些修改。不應(yīng)將以下如權(quán)利要求書中所使用的術(shù)語(yǔ)理解為用來將本發(fā)明限制在說明書和權(quán)利要求書中所公開的具體實(shí)施例上。相反，本發(fā)明的范圍全部由以下的如權(quán)利要求書所確定，要根據(jù)如權(quán)利要求解釋的確定意義來理解它。
權(quán)利要求
1.一種方法，它包括向輸入級(jí)引入控制信號(hào)；在輸入級(jí)使用繼電器式控制器來觸發(fā)產(chǎn)生代表所述控制信號(hào)的第一信號(hào)；使用所述第一信號(hào)來驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)產(chǎn)生第二信號(hào)；以及對(duì)由所述輸出級(jí)產(chǎn)生的所述第二信號(hào)進(jìn)行濾波以便獲得放大的輸出信號(hào)，后者大體上能代表從中導(dǎo)出所述控制信號(hào)的輸入信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于包括對(duì)所述輸出信號(hào)進(jìn)行噪聲整形；以及將所述噪聲整形后的輸出信號(hào)反饋到所述輸入級(jí)，并且從所述輸入信號(hào)減去所述反饋噪聲整形后的輸出信號(hào)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于對(duì)所述輸出信號(hào)進(jìn)行噪聲整形包括增強(qiáng)高頻噪聲成分，其方法是使用構(gòu)成對(duì)所述第二信號(hào)進(jìn)行濾波的濾波器的電阻器和在反饋網(wǎng)絡(luò)中將所述輸出信號(hào)反饋到所述輸入級(jí)的電容器。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述輸入信號(hào)和輸出信號(hào)包括持續(xù)時(shí)間模擬信號(hào)，其中，所述第一和第二信號(hào)包括基本上的矩形波形。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于使用所述繼電器式控制器來觸發(fā)產(chǎn)生所述第一信號(hào)包括將所述控制信號(hào)與從與所述第一信號(hào)相關(guān)的滯后導(dǎo)出的信號(hào)進(jìn)行比較；以及根據(jù)所述比較來改變所述第一信號(hào)的狀態(tài)，所述第一信號(hào)狀態(tài)的所述改變表示所述控制信號(hào)值的改變。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于使用所述第一信號(hào)來驅(qū)動(dòng)所述輸出級(jí)以產(chǎn)生所述第二信號(hào)包括根據(jù)所述第一信號(hào)的狀態(tài)來有選擇和交替地激活一對(duì)開關(guān)器件。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括將由所述輸出級(jí)產(chǎn)生的所述濾波后的第二信號(hào)反饋到所述輸入級(jí)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于將所述第二信號(hào)反饋到所述輸入級(jí)包括經(jīng)由包括電阻器和電容器的反饋網(wǎng)絡(luò)對(duì)所述第二信號(hào)進(jìn)行積分。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括增加經(jīng)由連接到提供所述放大的輸出信號(hào)的輸出節(jié)點(diǎn)的電容器反饋到所述輸入級(jí)的所述第二信號(hào)的相位容限。
10.一種裝置，它包括接收控制信號(hào)的輸入級(jí)，所述輸入級(jí)包括繼電器式控制器、用以觸發(fā)產(chǎn)生代表所述控制信號(hào)的第一信號(hào)；連接到所述輸入級(jí)的輸出級(jí)，它響應(yīng)所述第一信號(hào)而產(chǎn)生第二信號(hào)；以及連接到所述輸出級(jí)的輸出節(jié)點(diǎn)的濾波器、用以對(duì)所述第二信號(hào)進(jìn)行濾波以便得到放大的輸出信號(hào)，后者基本上代表從中導(dǎo)出所述控制信號(hào)的輸入信號(hào)。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于還包括連接在所述濾波器的輸出節(jié)點(diǎn)和所述輸入級(jí)的輸入節(jié)點(diǎn)之間的反饋網(wǎng)絡(luò)，所述反饋網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)λ鲚敵鲂盘?hào)進(jìn)行噪聲整形，并且將所述噪聲整形后的輸出信號(hào)反饋到所述輸入級(jí)以便從所述輸入信號(hào)減去所述噪聲整形后的輸出信號(hào)。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于所述反饋網(wǎng)絡(luò)包括并聯(lián)的電阻器和電容器，所述電容器能夠與所述濾波器的電阻器合作來對(duì)所述輸出信號(hào)進(jìn)行噪聲整形。
13.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于所述輸入級(jí)包括比較器，它在反相輸入端具有與所述控制信號(hào)相關(guān)的信號(hào)，而在非反相輸入端具有從所述第一信號(hào)相關(guān)的滯后現(xiàn)象導(dǎo)出的信號(hào)。
14.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于所述輸出級(jí)包括最小脈寬塊，用以從所述輸入級(jí)接收所述第一信號(hào)并且輸出具有相反狀態(tài)的第三和第四信號(hào)，所述最小脈寬塊能夠向第一驅(qū)動(dòng)器發(fā)送所述第三信號(hào)；電平移動(dòng)電路，用于從所述最小脈寬塊接收所述第四信號(hào)并且其輸出端連接到第二驅(qū)動(dòng)器；以及第一和第二晶體管，它們分別連接到所述第一和第二驅(qū)動(dòng)器并且分別對(duì)所述第一和第二驅(qū)動(dòng)器敏感，所述第一和第二晶體管能夠根據(jù)分別由所述第一和第二驅(qū)動(dòng)器接收到的所述第三和第四信號(hào)而交替地激活和去激活以便產(chǎn)生所述第二信號(hào)。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于由連接所述輸出級(jí)的輸出節(jié)點(diǎn)和所述第二驅(qū)動(dòng)器的節(jié)點(diǎn)之間的浮動(dòng)電源給所述第二驅(qū)動(dòng)器加偏壓。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于所述浮動(dòng)電源包括電容器，當(dāng)所述第二晶體管被激活時(shí)所述電容器被充電。
17.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于還包括連接到所述濾波器的負(fù)載，后者用以接收所述放大的輸出信號(hào)。
18.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于所述輸入信號(hào)和輸出信號(hào)包括持續(xù)時(shí)間模擬信號(hào)，其中，所述第一和第二信號(hào)包括基本上的矩形波形。
19.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于所述耦合繼電器式控制器連接成將所述控制信號(hào)與從與所述第一信號(hào)相關(guān)的滯后現(xiàn)象導(dǎo)出的信號(hào)進(jìn)行比較；以及根據(jù)所述比較來改變所述第一信號(hào)的狀態(tài)，所述第一信號(hào)狀態(tài)的所述改變表示所述控制信號(hào)的值的改變。
20.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于所述輸入級(jí)包括具有反相配置的放大器。
21.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于所述輸入級(jí)包括具有非反相配置的放大器。
22.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于還包括連接在所述輸出級(jí)的所述輸出節(jié)點(diǎn)和所述輸入級(jí)的輸入節(jié)點(diǎn)之間的反饋網(wǎng)絡(luò)，所述反饋網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⑺龅诙盘?hào)積分并且將所述積分后的第二信號(hào)反饋到所述輸入級(jí)。
23.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于所述反饋網(wǎng)絡(luò)包括連接到接地的電容器的電阻器，所述電容器能夠與所述電阻器合作來積分所述第二信號(hào)。
24.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于還包括連接在所述濾波器的輸出節(jié)點(diǎn)和所述輸入級(jí)的輸入節(jié)點(diǎn)之間的另一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)，后者包括電容器、用以給反饋到所述輸入級(jí)的所述第二信號(hào)增加相位容限和噪聲整形。
25.一種裝置，它包括接收控制信號(hào)的輸入級(jí)，所述輸入級(jí)包括繼電器式控制器、用以觸發(fā)產(chǎn)生代表所述控制信號(hào)的第一信號(hào)；連接到所述輸入級(jí)的輸出級(jí)，它響應(yīng)所述第一信號(hào)而產(chǎn)生第二信號(hào)；連接到所述輸出級(jí)的輸出節(jié)點(diǎn)的濾波器、用以對(duì)所述第二信號(hào)進(jìn)行濾波而得到放大的輸出信號(hào)，后者基本上代表從中導(dǎo)出所述控制信號(hào)的所述輸入信號(hào)；以及連接在所述輸出級(jí)的所述輸出節(jié)點(diǎn)和所述輸入級(jí)的輸入節(jié)點(diǎn)之間的反饋網(wǎng)絡(luò)，后者用以對(duì)所述第二信號(hào)進(jìn)行積分并且向所述輸入級(jí)的所述輸入節(jié)點(diǎn)提供所述積分后的第二信號(hào)。
26.如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于所述反饋網(wǎng)絡(luò)包括連接在接地的電容器的電阻器，所述電容器能夠與所述電阻器合作來積分所述第二信號(hào)。
27.如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于還包括連接在所述濾波器的輸出節(jié)點(diǎn)和所述輸入級(jí)的所述輸入節(jié)點(diǎn)之間的另一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)，后者用以給反饋到所述輸入級(jí)的所述第二信號(hào)增加相位容限。
28.如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于所述另一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)包括比較器，用以給反饋到所述輸入級(jí)的所述第二信號(hào)添加相位超前。
29.如權(quán)利要求28所述的裝置，其特征在于連接到所述輸出級(jí)的所述輸出節(jié)點(diǎn)的所述濾波器與連接在所述輸出級(jí)的所述輸出節(jié)點(diǎn)和所述輸入級(jí)的所述輸入節(jié)點(diǎn)之間的反饋網(wǎng)絡(luò)濾波器具有基本上相同的低通截止頻率。
全文摘要
D類放大器電路利用繼電器式控制器和噪聲整形反饋網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行聲頻信號(hào)處理和其他信號(hào)處理。繼電器式控制器觸發(fā)產(chǎn)生方波，后者對(duì)應(yīng)于從輸入的模擬信號(hào)導(dǎo)出的控制信號(hào)的變化，方波的產(chǎn)生是根據(jù)控制信號(hào)與另一個(gè)信號(hào)的比較，所述另一個(gè)信號(hào)是從與比較器輸出相關(guān)的滯后現(xiàn)象導(dǎo)出的。濾波器對(duì)所述方波進(jìn)行濾波以得到放大的輸出模擬信號(hào)，后者基本上能代表輸入的模擬信號(hào)。反饋網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸出模擬信號(hào)進(jìn)行噪聲整形并反饋所述噪聲整形后的輸出模擬信號(hào)并將其從輸入模擬信號(hào)中減去。
文檔編號(hào)H03F3/217GK1443396SQ01812755
公開日2003年9月17日 申請(qǐng)日期2001年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月12日
發(fā)明者H·塔卡吉施 申請(qǐng)人:單晶片電力系統(tǒng)公司