專利名稱：數(shù)字放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直接將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成功率輸出的數(shù)字放大器的領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及通過具有脈動(ripple)和噪聲的電源來供電的這種數(shù)字放大器。詳細(xì)而言，本發(fā)明涉及一種用于將音頻信號轉(zhuǎn)換成功率輸出的數(shù)字放大器、涉及一種脈動抑制電路以及一種用于抑制脈動的方法。
已經(jīng)研制出幾種類型的功率放大器輸出級。便利地，將它們標(biāo)記為例如A類放大器、B類放大器和C類放大器。更近一些，出現(xiàn)了D類放大器。A、B、AB和D類在低頻音頻設(shè)計(jì)中是普遍的，并在其它領(lǐng)域中具有一些應(yīng)用，比如伺服電動機(jī)驅(qū)動和RF放大。C類、E類和F型通常僅用于RF應(yīng)用。
近年來，由于與通常采用的AB類線性放大技術(shù)相比D類放大器的急劇提高的效率，所以特別是D類放大器已經(jīng)變得日益普遍。通常在Carsten Nielsen的“High Fidelity PWM based Amplifier Conceptfor Active Speaker Systems with a very low Energy Consumption”(100thAES Convention，哥本哈根，1996年5月，預(yù)印本4259)中說明了D類放大器，因此將其結(jié)合以供參考。
D類放大器的發(fā)展表明為提高放大器效率的努力。在方案上類似于開關(guān)調(diào)節(jié)器，D類放大器利用較高頻率的方波來脈寬調(diào)制音頻輸入信號，以使音頻信號信息變成調(diào)制信號的脈寬的變化。該調(diào)制信號饋給一組半橋開關(guān)(通常被稱為H橋)，并且每一H橋由兩個功率MOSFET組成。不像A或B類結(jié)構(gòu)，放大器負(fù)載或揚(yáng)聲器被放置跨過橋的腿，而不是從輸出至地。該結(jié)構(gòu)允許放大器重現(xiàn)低至20Hz的低頻信號，而不需要雙極性電源或不會在輸出中引入DC偏移。
盡管變得越來越普遍，但D類音頻放大器因其不良的失真特性而眾所周知。過去嘗試了濾波所調(diào)制的輸出以去除高頻信號，并恢復(fù)放大的輸入信號。諸如雙極巴特沃茲(Butterworth)濾波器、雙極切比雪夫(Chebyshev)或雙極貝塞爾(Bessel)濾波器之類的濾波器結(jié)構(gòu)是已知的，它們沒有給出令人滿意的結(jié)果或者會引起相當(dāng)大的工作量和成本。
本發(fā)明的目的是減小數(shù)字放大器中的失真。
如在此使用的，術(shù)語“數(shù)字放大器”適用于直接轉(zhuǎn)換成功率輸出的放大器。
依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，利用將音頻信號轉(zhuǎn)換成功率輸出的數(shù)字放大器可以實(shí)現(xiàn)上面的目的，所述數(shù)字放大器包括電源端口、具有至少一對開關(guān)的橋接電路以及脈動抑制電路。所述脈動抑制電路被設(shè)置并適于抑制通過電壓饋送端口供給具有至少一對開關(guān)的橋接電路的電源電壓中的電壓脈動。在電源端口和橋接電路之間設(shè)置所述脈動抑制電路。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)數(shù)字放大器的失真的相當(dāng)大的部分是由數(shù)字放大器的電源電壓的脈動引起的。在這方面，需要指出的是，關(guān)于該應(yīng)用，術(shù)語“脈動”不限于100Hz的脈動等，而是指在輸出信號的20kHz帶寬中的干擾、不想要的波動(waviness)以及脈動。同樣，術(shù)語“抑制”包括任何補(bǔ)償或均衡。特別是在D類放大器的情況中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)前饋D類放大器中的重要失真源之一是D類放大器的全橋處的電源電壓脈動，所述電源電壓脈動是由負(fù)載電流改變而造成的電壓降引起的。
因此，利用依據(jù)本發(fā)明的脈動抑制電路，可以大大減小數(shù)字放大器中的失真。由于此，所以依據(jù)本發(fā)明的上述示例性實(shí)施例的數(shù)字放大器可以用于全數(shù)字音頻放大器而不用任何反饋，同時確保改進(jìn)的總諧波失真圖。換句話說，利用依據(jù)本發(fā)明的數(shù)字放大器，提供了可以具有開環(huán)同時具有減小的失真的數(shù)字開關(guān)放大器。
依據(jù)如權(quán)利要求2所述的本發(fā)明的示例性實(shí)施例，所述脈動抑制電路包括線性控制的電壓控制器，其允許輸出電壓的變化。有利地，這種線性控制確保具有最小脈動的電源電壓，因此對于輸出信號具有減小的失真。有利地，通過線性控制的電壓控制器，可以沒有附加成本地實(shí)現(xiàn)可變電壓源(VV)?？勺冸妷涸纯梢栽试S開關(guān)放大器中空載損耗的急劇減小。此外，有利地，可以減小正常操作過程中的電磁干擾(EMI)。
如權(quán)利要求3所述的本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例提供一種數(shù)字放大器，其中在控制電壓控制器之前應(yīng)用粗(coarse)電源電壓設(shè)置。由于僅進(jìn)行粗電源電壓調(diào)節(jié)，所以可以結(jié)合數(shù)字放大器使用便宜的以及甚至不精密的電源，同時實(shí)現(xiàn)放大器輸出處減小的失真。因此，例如電池就可用作電源。
如權(quán)利要求4所述的本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例提供一種數(shù)字放大器，其中將脈動抑制電路設(shè)置成在晶體管的線性區(qū)域中驅(qū)動D類放大器的例如橋接結(jié)構(gòu)的一對晶體管中的一個晶體管。有利地，依據(jù)本發(fā)明的所述示例性實(shí)施例，通過考慮包括銅印制線(track)和半導(dǎo)體封裝的損耗的全部可能的電壓降來補(bǔ)償功率級內(nèi)部的電壓降。有利地，依據(jù)本發(fā)明的所述示例性實(shí)施例，還將補(bǔ)償由于弱電源控制或小的輸出電容引起的電壓降。此外，有利地，由于關(guān)于輸出電壓穩(wěn)定性的電源需要的減小，所以實(shí)現(xiàn)了成本大大減小的可能。
權(quán)利要求5、6和7提供了本發(fā)明的進(jìn)一步的示例性實(shí)施例，通過減小或完全補(bǔ)償數(shù)字放大器的電源電壓的波動，同時保持低成本，其有利地允許減小數(shù)字放大器的輸出信號的失真。
依據(jù)如權(quán)利要求8所述的本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例，依據(jù)本發(fā)明的數(shù)字放大器系統(tǒng)被集成為一個模塊或集成電路。這有利地允許提供具有最小尺寸、同時具有減小失真的數(shù)字放大器。此外，有利地，這提供了在一個芯片上的放大器級和補(bǔ)償電路。
依據(jù)如權(quán)利要求10所述的本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例，數(shù)字放大器是D類放大器，優(yōu)選地具有H橋，并且脈動抑制電路的補(bǔ)償裕度(margin)適于放大器的輸出功率。
本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例在權(quán)利要求10中被陳述，并提供一種用于電源和D類放大器之間的連接的脈動抑制電路，該脈動抑制電路包括線性控制的電壓控制器，其可以連接于電源和D類放大器的H橋之間。有利地，在減小了對電源的輸出電壓的電壓穩(wěn)定性的需要的同時，其減小了電源的成本，依據(jù)本發(fā)明的所述示例性實(shí)施例的脈動抑制電路允許D類放大器的輸出信號的失真的減小。
如權(quán)利要求11所述的本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例提供一種脈動抑制電路，其中D類放大器的至少一對晶體管中的一個晶體管在所述晶體管的線性區(qū)域中工作，從而允許放大器的輸出信號中減小的失真。
權(quán)利要求12和13提供一種用于抑制D類放大器的電源的脈動的方法的示例性實(shí)施例，這允許D類放大器的操作具有減小的失真。
補(bǔ)償數(shù)字放大器的電源電壓上的脈動，從而引起這些數(shù)字放大器的輸出信號的失真的減小，這可以被看作是本發(fā)明的示例性實(shí)施例的要點(diǎn)。特別是，至數(shù)字放大器、尤其是至例如D類放大器的H橋的電源線上脈動消去(cancellation)模塊或線性調(diào)節(jié)器的提供，允許減小放大器輸出信號的失真。此外，其被線性控制的開關(guān)半橋的晶體管的控制允許改進(jìn)的輸出信號。
參考下文中所述的實(shí)施例并參考下面的附圖，本發(fā)明的這些和其它方面將是顯而易見的并將被闡明圖1示出了依據(jù)本發(fā)明用于將音頻信號轉(zhuǎn)換成功率輸出的數(shù)字放大器的第一示例性實(shí)施例的示意圖。
圖2示出了依據(jù)本發(fā)明用于將音頻信號轉(zhuǎn)換成功率輸出的數(shù)字放大器的第二示例性實(shí)施例的示意圖。
圖3示出了依據(jù)本發(fā)明用于將音頻信號轉(zhuǎn)換成功率輸出的數(shù)字放大器的第三示例性實(shí)施例的示意圖。
圖4示出了圖3的數(shù)字放大器的簡化電路圖。
圖5示出了依據(jù)本發(fā)明用于將音頻信號轉(zhuǎn)換成功率輸出的數(shù)字放大器的第四示例性實(shí)施例的示意圖。
圖6示出了圖5的數(shù)字放大器的簡化電路圖。
圖7是示出圖4的數(shù)字放大器中的定時的時間圖。
在下面將參考


本發(fā)明的示例性實(shí)施例。在圖1、2、3、4、5和6中所述的數(shù)字放大器是D類放大器，其具有全橋，通常被稱作H橋。盡管事實(shí)是將參考D類放大器的示例性實(shí)施例說明本發(fā)明，但對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，本發(fā)明不限于D類放大器，而是可以適用于任何種類的數(shù)字放大器，其中電源電壓的脈動引起諸如放大器的輸出信號的失真之類的問題。
圖1示出了依據(jù)本發(fā)明用于將音頻信號轉(zhuǎn)換成功率輸出的數(shù)字放大器的第一示例性實(shí)施例的簡化示意性框圖。圖1中的參考數(shù)字2表示輸出音頻信號至調(diào)制器4的音頻源。調(diào)制器4利用較高頻率的方波來脈寬調(diào)制音頻信號，以使調(diào)制器4的輸出處的信號輸出包括作為調(diào)制信號的脈寬變化的音頻信號信息。此調(diào)制信號饋給一組半橋開關(guān)，其通常被稱為H橋6。通常，每一H橋由兩個功率MOSFET組成。在將輸出信號施加至揚(yáng)聲器10之前，將橋6的輸出饋入用于對信號濾波的濾波器。不像A或B類結(jié)構(gòu)，放大器負(fù)載，也就是揚(yáng)聲器10跨接在橋6的腿上，而不是從輸出至地。需要注意，也可以在D類半橋體系結(jié)構(gòu)中實(shí)施本發(fā)明。在將本發(fā)明應(yīng)用至D類半橋體系結(jié)構(gòu)中的情況下，揚(yáng)聲器然后連接至半電源(half supply)，或通過一系列電容。
參考數(shù)字12表示電源，比如開關(guān)電源或甚至為電池。電源12通過電源端口14將電源電壓饋給橋6的開關(guān)。如可以從圖1中獲得的，依據(jù)本發(fā)明，在電源端口14和橋6之間的電源線中存在脈動抑制電路16。脈動抑制電路16被設(shè)置成抑制供給橋接電路6的電源電壓的電壓脈動。
依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，可將調(diào)制器4、全橋6和脈動抑制電路16設(shè)置成一個模塊或集成電路18。這種集成電路(IC)或模塊通常組成數(shù)字放大器。
依據(jù)本發(fā)明的所述示例性實(shí)施例，利用新的和本發(fā)明的發(fā)現(xiàn)，以使得通過電源脈動抑制的增強(qiáng)可以減小在橋6的輸出即數(shù)字放大器的輸出處失真的相當(dāng)大的部分。由于依據(jù)本發(fā)明的脈動抑制電路16，所以可以有利地減小針對輸出脈動的電源需要，這又可以產(chǎn)生成本大大減小的可能。此外，本發(fā)明使得能夠提供基本上沒有失真的數(shù)字開環(huán)開關(guān)放大器。
圖2示出了依據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的簡化示意性框圖。圖2中的參考數(shù)字20表示連接至數(shù)字放大器的電源端口22的電源，比如開關(guān)電源SMPS。依據(jù)本發(fā)明的這個示例性實(shí)施例，對于每一通道Ch1、Ch2、Ch3、Chi和Chn，配備脈動消去模塊RC1、RC2、RC3、RCi、RCn。利用參考數(shù)字24來表示脈動消去模塊24。依據(jù)本發(fā)明的此第二示例性實(shí)施例的變形，可以通過電壓抑制電路設(shè)置這些脈動消去模塊24。這些電壓抑制電路完成兩個任務(wù)。第一，它們確保供給放大器的開關(guān)的電源電壓的電壓波動的必要的抑制。第二，它們?nèi)ヱ顔为?dú)的音頻通道Ch1至Chn。通過線性控制器或線性調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)電壓抑制電路24，所述線性控制器或線性調(diào)節(jié)器根據(jù)所施加的電流而可以是標(biāo)準(zhǔn)的或低下降的線性控制器或調(diào)節(jié)器。然而，由于實(shí)際上電源電壓的控制或調(diào)節(jié)不是必須的，由于通過SMPS 20來控制電源電壓的DC值，所以依據(jù)本發(fā)明的所述示例性實(shí)施例的變形，通過可變電阻器也可以實(shí)現(xiàn)脈動消去模塊24，該可變電阻器的電阻可以被控制低至僅幾個mΩ。這種可變電阻器允許均衡寄生電源線處的電壓降，這取決于所施加的負(fù)載。同樣，有利地，這些可變電阻器允許減小和均衡由SMPS中的開關(guān)引起的波動或脈動以及由負(fù)載變化導(dǎo)致的瞬態(tài)電壓起伏或抖動的波動或脈動。換句話說，通過脈動消去模塊24中的可變電阻器，電源線中電阻的調(diào)制允許在供給開關(guān)的電源電壓中避免與負(fù)載相關(guān)的電壓降。
通過具有合適的柵驅(qū)動的MOSFET可以實(shí)現(xiàn)這種可變電阻器。有利地，在低阻MOSFET的情況中，整個數(shù)字放大器的系統(tǒng)有效性幾乎保持不變。
有利地，如圖2中示出的本發(fā)明的所述示例性實(shí)施例允許在全數(shù)字音頻放大器的情況中提高的聲音質(zhì)量和非常好的通道隔離，即使僅使用一個電源。此外，有利地，可以大大減小對電源的輸出進(jìn)行濾波的工作量，因?yàn)橥ㄟ^脈動消去模塊24來處理電壓波動的實(shí)際抑制。
圖3示出了依據(jù)本發(fā)明的數(shù)字放大器的第三示例性實(shí)施例的簡化示意性框圖。在圖3中，與圖1中使用的相同的參考數(shù)字表示相同或相應(yīng)的元件。參考數(shù)字30表示包括非常粗的電壓控制的粗電源，所述輸出電壓即電源電壓被提供給橋6，并且它包括脈動且是不穩(wěn)定的。該粗電源電壓通過數(shù)字放大器34的電源端口14輸入至數(shù)字放大器34。參考記號35表示線性控制，它被設(shè)置在電源端口14和橋6的開關(guān)之間。參考圖4將詳細(xì)說明線性控制35在哪里以及如何連接至橋6。參考數(shù)字32表示音量設(shè)置，通過所述音量設(shè)置，操作數(shù)字放大器的人可以設(shè)置通過揚(yáng)聲器10輸出的音頻信號的音量，也就是通過橋6的開關(guān)輸出的信號電平。在多通道放大器系統(tǒng)中，依據(jù)本發(fā)明的一個方面，對于每一通道或通道組可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)線性控制。有利地，這允許使用者控制通道之間的差別，例如，通過借助于音量設(shè)置32調(diào)節(jié)線性控制35的左右平衡或后前(back-forward)控制。
正如在前面的實(shí)施例中一樣，在圖3中示出的第三示例性實(shí)施例利用了新的和本發(fā)明的發(fā)現(xiàn)，即通過改進(jìn)數(shù)字放大器34的電源脈動抑制，可以改進(jìn)數(shù)字放大器34的失真特性。如可以從圖3中獲得的，可以配備線性控制35，該線性控制35也可以通過線性調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)。線性控制35允許輸出電壓變化，以使得可以控制供給橋6的開關(guān)的電壓。該線性控制35有利地允許僅具有最小脈動的干凈的電源電壓。由于線性控制35，所以可以沒有附加成本地使用可變電源電壓(VVS)?？勺冸娫措妷禾峁╅_關(guān)放大器中空載損耗的急劇減小。此外，可以大大減小正常工作過程中的電磁發(fā)射(EMI)。在最高的輸出電壓設(shè)置處的線性控制35的控制裕度甚至可以是0(減小損耗至最小)，因?yàn)樵诜逯倒β侍幍氖д嬉笤谝纛l應(yīng)用中通常不那么嚴(yán)格。優(yōu)選地，通過諸如線性控制器35之類的線性輸出電壓調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)線性控制35，其中可以在寬的范圍中改變輸出電平，以控制放大器輸出功率(音量控制)。如圖3中所示，可將線性控制35、調(diào)制器4和全橋6合并成一個模塊或集成電路。
圖4示出了依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的線性控制35和橋6的簡化電路圖。如通過框40示出的，依據(jù)本發(fā)明的一個方面，可將線性調(diào)節(jié)器和橋6一起集成在一個模塊或集成電路中。H橋6包括在H結(jié)構(gòu)中的四個開關(guān)(晶體管)42、44、46和48。通常，兩個上部開關(guān)42和44被稱作高側(cè)開關(guān)，而開關(guān)46和48被稱作低側(cè)開關(guān)。此外，配備了在具有輸入信號“輸入1”的線路和開關(guān)42的柵極之間設(shè)置的第一驅(qū)動器50，所述輸入信號被饋給開關(guān)46的柵極。此外，配備了第二驅(qū)動器52，其輸入信號是信號“輸入2”，并且其輸出被提供給開關(guān)44的柵極。同樣，信號“輸入2”被提供給開關(guān)48的柵極。如可以從圖4中獲得的，輸出信號輸出1和輸出2跨過橋的腿。H橋的通常結(jié)構(gòu)和操作在本領(lǐng)域是已知，因此在此不將詳細(xì)說明。如可以從圖4中獲得的，線性控制35包括線性調(diào)節(jié)器54和比較器或差動放大器56。比較器或差動放大器56的一個輸入連接至線性控制35的輸出和橋6的輸入之間的線性控制35的輸出線。換句話說，該輸入連接至橋6的驅(qū)動電壓U驅(qū)動。同樣，比較器或差動放大器56的所述輸入通過電容器58連接至橋6的接地參考。在比較器或差動放大器56的輸入處的電壓信號被稱作U感測。比較器或差動放大器56的另一輸入接收參考電壓。比較器或差動放大器56的輸出被輸入至線性調(diào)節(jié)器54，其也接收電源電壓輸入。
線性控制35監(jiān)控用于H橋6的電源電壓，并校正相對于參考電壓所比較的任何差別。參考電壓信號是控制H橋的供電電壓的工具。對于在輸入信號輸入1和輸入2處的固定調(diào)制深度，所述參考信號因此允許控制輸出信號輸出1和輸出2的輸出功率。優(yōu)選地，感測(sense)信號U感測應(yīng)該盡可能近地連接至H橋的開關(guān)42和44，在這種情況下需要很好地控制電壓U橋。
在線性控制35的工作過程中，在線性調(diào)節(jié)器54上出現(xiàn)電壓降。在線性調(diào)節(jié)器54上的電壓降產(chǎn)生損耗。這些損耗線性地相關(guān)于負(fù)載電流。換句話說，只要橋接電壓是低的，則負(fù)載電流就是低的，因此在調(diào)節(jié)器中的損耗也就是低的。由于該關(guān)系，有利地，在高電流通過調(diào)節(jié)器時出現(xiàn)高輸出音量的損耗，但存在低的電壓降。在低音量處，將存在高的電壓降，但僅是低電流。
有利地，依據(jù)本發(fā)明的一個方面，在輸出功率信號輸出1和輸出2處用于高輸出功率的控制裕度應(yīng)該被選擇為最小。通過這樣做，可以實(shí)現(xiàn)非常高的效率。這意味著在極端情況中，將線性調(diào)節(jié)器54設(shè)置成在最高的輸出功率設(shè)置處不存在用于電源脈動的補(bǔ)償。換句話說，在高功率處，相比于減小的輸出功率，總諧波特性將變得更壞。然而，這完全適于傳統(tǒng)放大器的性能，其中失真在過量的輸出功率處上升。因此，有利地，這對音頻應(yīng)用不具有任何負(fù)面影響。
依據(jù)本發(fā)明的一個方面，通過音量控制來控制的粗電壓設(shè)置可以用于依據(jù)音量設(shè)置來逐步地調(diào)節(jié)輸入電壓。換句話說，可以實(shí)現(xiàn)雙級控制(two step control)。這允許進(jìn)一步減小線性調(diào)節(jié)器54中的損耗。
依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的另一方面，簡單的SMPS可用作在線性調(diào)節(jié)器54之前在一個步驟中的粗開關(guān)模式調(diào)節(jié)器，由于它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以其僅允許輸入電壓變化的補(bǔ)償，而不允許負(fù)載變化。有利地，由于在線性控制35之前這種粗開關(guān)模式調(diào)節(jié)器的提供，所以控制裕度可以保持最小，并因此可以實(shí)現(xiàn)非常高的效率。
有利地，線性控制35可以用于多通道應(yīng)用中多于一個的通道，例如線性控制35可以用于立體聲放大器中的左側(cè)和右側(cè)。然而，為了實(shí)現(xiàn)通道的最小耦合，分開的調(diào)節(jié)器可以是有利的，同樣對于過量的功率，每個通道的線性控制可以提供更好的損耗和熱分布。
圖5示出了依據(jù)本發(fā)明的數(shù)字放大器的第四示例性實(shí)施例的簡化示意性框圖。在圖5的實(shí)施例中，與圖1中使用的相同的參考數(shù)字表示相同或相應(yīng)的元件。圖5中的參考記號60表示電源脈動監(jiān)控電路，其連接于電源12和橋6之間。電源脈動監(jiān)控電路60被設(shè)置成測量通過電源12提供的電源電壓，并控制線性區(qū)域中橋6的開關(guān)之一。優(yōu)選地，電源脈動監(jiān)控電路控制線性區(qū)域中的低側(cè)開關(guān)之一(例如圖4中的開關(guān)46或48)。有利地，通過依據(jù)本發(fā)明的這種控制，在功率級內(nèi)部補(bǔ)償由于負(fù)載電流改變而引起的電源12所供給的電源電壓中的電壓降。有利地，這允許考慮到全部可能的電壓降，包括銅印制線和半導(dǎo)體封裝中的損耗。當(dāng)然，也可以補(bǔ)償由弱電源控制或小的輸出電容器引起的電壓降。有利地，與已知解決方案相比，這允許具有低失真的非常便宜的數(shù)字放大器，其中大的輸出電容器和具有寬的銅印制線的電源線是必需的。除了更有成本效率之外，依據(jù)本發(fā)明通過電源脈動監(jiān)控電路60的補(bǔ)償也允許布線中電壓降的補(bǔ)償。
圖6示出了描述依據(jù)用于一個半橋的本發(fā)明的示例性實(shí)施例的電源脈動監(jiān)控電路60的結(jié)構(gòu)的簡化電路圖。
參考數(shù)字70表示具有K1增益的差動放大器，它測量相對于參考電壓的電源電壓上的電壓脈動，并產(chǎn)生被輸出至另一差動放大器72的信號U脈動。只要電源電壓上的電壓脈動小于補(bǔ)償裕度，信號U脈動就是正的。
參考數(shù)字74表示具有K1增益的另一個差動放大器(與差動放大器70增益相同)，它測量在低側(cè)開關(guān)76上的電壓降。差動放大器74的輸出信號被稱作U下降。通過差動放大器72將電壓U下降與電壓U脈動進(jìn)行比較。基于U下降對U脈動的比較的差動放大器72的輸出信號被稱作誤差信號UErr。將誤差信號UErr饋入低側(cè)柵驅(qū)動器78，以基于誤差信號UErr來控制低側(cè)開關(guān)76的柵電壓。
參考數(shù)字80表示用于驅(qū)動高側(cè)開關(guān)82的柵電壓的高側(cè)柵驅(qū)動器。
圖7示出了一個時間圖，該時間圖描述在將依據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的電源脈動監(jiān)控電路60應(yīng)用至諸如在圖4中示出的橋6之類的H橋時數(shù)字放大器中的信號。在圖7中使用的信號名稱與在圖4至6中使用的信號名稱相同。
圖7中的第一幅圖示出了由模擬音頻源2輸出至調(diào)制器4的音頻信號。
隨后的兩幅時間圖示出了通過調(diào)制器4輸入橋6的相應(yīng)的輸入信號輸入信號1和輸入信號2。
隨后的圖描述了電源電壓，其中水平線表示基于時間的理想電壓，而線90示出了包括脈動的實(shí)際的電源電壓。
隨后的兩幅圖示出了從橋6輸出的輸出信號輸出信號1和輸出信號2。盡管事實(shí)是圖7中的表示是夸大的，但顯而易見的是，輸出信號1和輸出信號2受到了電源電壓上脈動的影響。特別是，輸出信號1對輸入信號1和輸出信號2對輸入信號2的比較表明輸出信號表現(xiàn)出了失真。然而，由于依據(jù)本發(fā)明為了補(bǔ)償通過差動放大器70測量的電源變化而控制線性區(qū)域中的低側(cè)開關(guān)，所以在輸出信號1和輸出信號2上示出的失真是這樣的當(dāng)將輸出信號1和輸出信號2這兩個信號組合成一個被提供給揚(yáng)聲器10的輸出信號時，失真消除或彼此補(bǔ)償。因此，如示出了輸出電壓的隨后的圖中所示，輸出電壓沒有失真。
依據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的一個方面，選擇參考輸入信號，以使電源電壓決不變得低于所述參考電壓。依據(jù)本發(fā)明，基于控制裕度和損耗的最小化進(jìn)行補(bǔ)償裕度的選擇。
依據(jù)在圖5和6中示出的第四實(shí)施例的有利方面，用于誤差信號的附加濾波器可以用來對多個開關(guān)周期上的誤差信息進(jìn)行平均，以減小對于補(bǔ)償控制回路的帶寬需要。這不具有對總諧波失真(THD)的負(fù)面影響，因?yàn)檫@是由音頻帶中電源脈動的影響支配的。在此，低頻脈動是特別重要的。對于較高的脈動頻率(超過5kHz)，較高的諧波不落入測量帶，并且不會影響THD。
依據(jù)在圖5和6中示出的第四示例性實(shí)施例，連續(xù)監(jiān)控電源電壓，并相對于參考電壓對其比較。然而，依據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的變形，通過用于電源電壓信號的采樣和保持功能決可以實(shí)現(xiàn)類似的功能。然后，對每一開關(guān)周期采樣電源電壓，從而導(dǎo)致在一個周期期間在負(fù)載側(cè)開關(guān)上的恒定的電壓降。在開關(guān)周期過程中的電源電壓變化沒有影響。有利地，這允許對電源電壓線路上開關(guān)噪聲的敏感性的減小。
同樣，依據(jù)本發(fā)明的第四示例性實(shí)施例的另一變形，電源電壓的自適應(yīng)跟蹤可以用于自動調(diào)節(jié)參考電壓。有利地，這以損耗對于給出的補(bǔ)償裕度保持最小的方式來執(zhí)行。
依據(jù)此變形的一個方面，這種自適應(yīng)系統(tǒng)具有裕度的自動設(shè)置。負(fù)載電流主要引起電源脈動。此外，低輸出電壓將導(dǎo)致低輸出電流。在低負(fù)載電流處，補(bǔ)償裕度可以比在高電流處的小。因此，依據(jù)本發(fā)明的這個方面，有利的是與放大器的輸出音量一起來控制裕度，以便最小化損耗。
依據(jù)第四實(shí)施例的另一方面，電源脈動監(jiān)控電路60可以是柵驅(qū)動電路的一部分。優(yōu)選地，電源脈動監(jiān)控電路60在集成電路的內(nèi)部，以減小部件計(jì)數(shù)。
依據(jù)本發(fā)明的第四示例性實(shí)施例的另一方面，替代的電源脈動監(jiān)控電路60也可以具有高側(cè)開關(guān)。因此，依據(jù)本發(fā)明的這個方面，取代避免低側(cè)開關(guān)在飽和時不工作，可以對高側(cè)開關(guān)配備電源脈動監(jiān)控電路，以避免高側(cè)開關(guān)在飽和時工作。
權(quán)利要求
1.用于將音頻信號轉(zhuǎn)換成功率輸出的數(shù)字放大器，包括電源端口；具有至少一對開關(guān)的橋接電路；以及脈動抑制電路，用于抑制通過電壓饋送端口供給具有至少一對開關(guān)的橋接電路的電源電壓的電壓脈動；其中在電源端口和具有至少一對開關(guān)的橋接電路之間設(shè)置所述脈動抑制電路。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字放大器，其中脈動抑制電路包括線性控制的電壓控制器。
3.依據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)字放大器，其中控制電壓控制器用于放大器的多路通道；其中將至少一對開關(guān)設(shè)置為H橋；并且其中在控制電壓控制器之前應(yīng)用粗電源電壓設(shè)置。
4.依據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字放大器，其中開關(guān)是晶體管；其中脈動抑制電路被連接到至少一對晶體管的第一晶體管；并且其中將脈動抑制電路設(shè)置成在第一晶體管的線性區(qū)域中驅(qū)動至少一對晶體管的第一晶體管。
5.依據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)字放大器，其中將脈動抑制電路設(shè)置成基于電源端口處的電壓與參考電壓的比較以及在至少一對晶體管的第二晶體管上的電壓降來產(chǎn)生誤差信號，并基于該誤差信號控制第一晶體管的柵壓，以在線性區(qū)域中驅(qū)動第一晶體管。
6.依據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)字放大器，其中脈動抑制電路包括帶通濾波器，用于限制脈動抑制電路的帶寬以減小對控制回路的要求；并且其中脈動抑制電路進(jìn)一步包括采樣和保持電路，用于采樣在工作周期時電源端口處的電壓。
7.依據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)字放大器，進(jìn)一步包括參考電壓源，它基于電源端口處的電壓產(chǎn)生參考電壓，以確保需要的補(bǔ)償裕度。
8.依據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字放大器，其中至少一對開關(guān)包括功率晶體管，并且其中將功率晶體管和脈動抑制電路集成在一個模塊或集成電路中。
9.依據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字放大器，其中脈動抑制電路的補(bǔ)償裕度適于放大器的輸出功率，以使它在放大器的高輸出功率處是低的，并且其中數(shù)字放大器是D類放大器。
10.一種用于電源和D類放大器之間的連接的脈動抑制電路，所述脈動抑制電路包括線性控制的電壓控制器。
11.一種用于電源和D類放大器之間的連接的脈動抑制電路，所述D類放大器包括至少一對晶體管，其中脈動抑制電路被連接到至少一對晶體管的第一晶體管，并且其中將脈動抑制電路設(shè)置成在第一晶體管的線性區(qū)域中驅(qū)動至少一對晶體管的第一晶體管。
12.用于抑制D類放大器的電源電壓中的脈動的方法，所述方法包括下列步驟對D類放大器的電源線上的電源電壓進(jìn)行線性電壓控制。
13.用于抑制D類放大器的電源電壓中的脈動的方法，其中所述D類放大器包括至少一對晶體管，所述方法包括下列步驟在第一晶體管的線性區(qū)域中驅(qū)動至少一對晶體管的第一晶體管。
全文摘要
最近，D類音頻放大器的使用已變得越來越普遍。相比于通常采用的AB類線性放大技術(shù)，D類放大器允許提高的效率。然而，D類的原理因其不良的失真特性而眾所周知。依據(jù)本發(fā)明，提供一種用于將音頻信號轉(zhuǎn)換成功率輸出的數(shù)字放大器(18)，它包括脈動抑制電路(16)，用于抑制被提供給具有至少一對開關(guān)的橋接電路(6)的電源電壓中的電壓脈動。脈動抑制電路(16)抑制被提供給橋接電路(6)中開關(guān)的電源電壓中的脈動，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)所述脈動引起數(shù)字放大器(18)的輸出信號中失真的主要部分。
文檔編號H03F3/217GK1768472SQ200480009059
公開日2006年5月3日 申請日期2004年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月7日
發(fā)明者T·迪爾鮑姆, I·莫塞利, M·溫德特, F·J·埃斯格維拉斯, G·紹爾萊恩德, H·范德布勒克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司