專利名稱：一種d類功率放大器的免濾波電路結(jié)構(gòu)及其處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其涉及電路的信號(hào)濾波處理技術(shù)領(lǐng)域中 對(duì)于電路功耗和信號(hào)失真控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
D類功率放大器的效率比AB類功率》文大器的效率高二到五倍。為了 保證其較高的效率，D類功率放大器需要盡可能的降低功率消耗，顯著的 減小系統(tǒng)成本。通常，減小過零功耗是一個(gè)比較常用的辦法，能在保留信 號(hào)有效信息的基礎(chǔ)上，有效降低放大器的功率損耗，同時(shí)也能將信號(hào)失真 控制在合理的范圍內(nèi)。
圖1中的專利(專利號(hào):US6211728B1，專利申請(qǐng)日期2001.4.3)通 過將原始音頻信號(hào)與一if各三角波信號(hào)進(jìn)行比較，分別得到OUTP信號(hào)，同 時(shí)，將音頻信號(hào)反相后與三角波信號(hào)比較，得到另外一路與OUTP信號(hào)交 錯(cuò)的信號(hào)OUTN。 OUTP-OUTN差值信號(hào)既保持了音頻信號(hào)的信息，又在 音頻信號(hào)的零點(diǎn)位置變成了寬度較窄的脈沖。與原始音頻信號(hào)相比，通過 這種方法既保留了原始音頻信號(hào)的信息，OUTP-OUTN差值信號(hào)相比較原 始音頻信號(hào)在零點(diǎn)位置的功耗大大較小，從而減小了整個(gè)D類功率放大器 的整體功耗。
圖2中的專利(專利號(hào)US20070109049A1，專利申請(qǐng)日期2007.5.17) 通過將參考三角波信號(hào)反相后，將正相和反相的兩路三角波分別與原始音 頻信號(hào)比較，得到了 一路OUTP信號(hào)以及另外一路與信號(hào)OUTP交錯(cuò)的信號(hào)OUTN，同樣，最終的差值信號(hào)OUTP-OUTN既保持了音頻信號(hào)的信息， 又在音頻信號(hào)的零點(diǎn)位置變成了寬度較窄的脈沖，與原始音頻信號(hào)相比， 大大節(jié)省了功耗。
綜上，現(xiàn)有技術(shù)中以上兩種方法都是比較普遍的通過降低輸出信號(hào)零 點(diǎn)功耗從而減小D類功率放大器整體功耗的辦法。這兩種方法都是通過將 三角波與音頻信號(hào)的相對(duì)相位反相，得到第二路信號(hào)OUTN，從而實(shí)現(xiàn)了 兩路信號(hào)的交錯(cuò)，最終降低了過零功耗。上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷在于在三角 波頻率固定的情況下，以上兩種方法中三角波3爭(zhēng)越了音頻信號(hào)的零點(diǎn)位置， 導(dǎo)致了 OUTP與OUTN在零點(diǎn)附近必然存在交錯(cuò)，也就必然會(huì)在 OUTP-OUTN的差值信號(hào)中存在窄脈沖信號(hào)，由于三角波相對(duì)于音頻信號(hào) 的跨越是無(wú)規(guī)律的，因此上述技術(shù)均不能控制信號(hào)零點(diǎn)位置附近的窄脈沖 數(shù)量及其出現(xiàn)的頻率等，在一定程度上增加了零點(diǎn)位置上損耗功率的不確 定性，影響D類功率放大器的效率的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種能夠控制D類功率放大器的輸出音頻信號(hào)零點(diǎn)位置 附近的窄脈沖信號(hào)數(shù)量，直至消除音頻信號(hào)零點(diǎn)位置的窄脈沖信號(hào)的信號(hào) 處理技術(shù)方案，提供了一種高效，免濾波的D類功率放大器，在降低過零 功耗和減小過零失真方面使電路有了靈活設(shè)計(jì)的余地，提高放大器的穩(wěn)定性。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種免濾波D類功率放大器，包括依次連接的增益調(diào)節(jié)電路，運(yùn)算放 大電路，多路比較器及驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路；還包括三角波基準(zhǔn)發(fā)生電路，其特征在于還包括三角波限幅或搬移電路，三角波基準(zhǔn)發(fā)生電路的輸出端連 接于三角波限幅或搬移電路，三角波限幅或搬移電路的一個(gè)輸出端分別與 運(yùn)算放大器的一個(gè)輸出端同時(shí)連接于一個(gè)比較器；多路比較器之間相互并 聯(lián)，多路比較器的輸出端與驅(qū)動(dòng)電路相連。用于脈沖寬度調(diào)制的信號(hào)為兩 路或兩路以上的限幅或搬移后的三角波信號(hào)；多路比較器的數(shù)量與三角波 限幅或搬移電路產(chǎn)生的三角波信號(hào)數(shù)量相同；運(yùn)算放大器輸出多個(gè)相同的 音頻信號(hào)，其數(shù)量與限幅或搬移后的三角波信號(hào)數(shù)量相同；三角波限幅或 搬移電路產(chǎn)生的三角波信號(hào)相位相同或相反；相鄰兩路比較器之間，音頻 信號(hào)分別連接的比較器輸入端極性不同；相鄰兩路比較器之間，三角波信 號(hào)分別連接的比較器輸入端極性不同。
本發(fā)明的免濾波D類功率放大器，當(dāng)限幅或搬移后的三角波信號(hào)為三 路或三路以上時(shí)，多路比較器的輸出端連接于編碼電路，編碼電路的輸出 端連接于驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路。
同時(shí)，本發(fā)明提供一種D類功率放大器的免濾波處理方法，其特征在 于包括以下步驟a.接收音頻信號(hào)；b.對(duì)接收到的音頻信號(hào)進(jìn)行增益調(diào) 節(jié)；c.將增益調(diào)節(jié)后的音頻信號(hào)分別輸入多i 各比較器；d.生成原始三角 波信號(hào)；e.限幅或搬移三角波信號(hào)，得到多路三角波信號(hào)；f.將限幅或 搬移后的多路三角波信號(hào)分別輸入到多路比較器；g.輸出多路比較器中音 頻信號(hào)與三角波信號(hào)的比較結(jié)果；h.將兩路脈寬調(diào)制信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)模塊加 到負(fù)載兩端，得到最終差值輸出信號(hào)。該方法中用于脈沖寬度調(diào)制的信號(hào) 為兩路或兩路以上的限幅或搬移三角波信號(hào)；運(yùn)算放大器輸出相同的音頻 信號(hào)，其數(shù)量與限幅或搬移后的三角波信號(hào)數(shù)量相同，所需的比較器數(shù)量 與限幅或搬移后三角波信號(hào)的數(shù)量相同；相鄰兩路比較器的基準(zhǔn)信號(hào)不相同，音頻信號(hào)與限幅或搬移后的三角波信號(hào)交替作為基準(zhǔn)信號(hào)。
本發(fā)明中當(dāng)用于脈沖寬度調(diào)制的限幅或搬移三角波信號(hào)為三路或三路
以上時(shí)，包括以下步驟a.將所有比較器的輸出信號(hào)分為兩部分；b.通 過編碼電路將這兩部分比較器輸出信號(hào)最終合成為兩路信號(hào)；c.將兩路脈 寬調(diào)制信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)模塊加到負(fù)載兩端，得到最終差值輸出信號(hào)。在音頻 信號(hào)的零點(diǎn)位置上，多路限幅或搬移后的三角波信號(hào)相互之間的振幅不存 在交疊時(shí)，最終差值信號(hào)在音頻信號(hào)的零點(diǎn)位置為零電平信號(hào)；多路限幅 或搬移后的三角波信號(hào)相互之間的振幅存在交疊時(shí)，最終差值信號(hào)在音頻 信號(hào)的零點(diǎn)位置為窄脈沖信號(hào)。
本發(fā)明可以方便地調(diào)節(jié)D類音頻功放免濾波輸出信號(hào)的過零功耗，通 過不交疊的三角波，能夠完全消除零點(diǎn)附近的窄脈沖；另一方面，通過適 當(dāng)?shù)慕化B三角波，使電路的過零失真大大減小。


圖1現(xiàn)有專利1的信號(hào)波形圖2現(xiàn)有專利2的信號(hào)波形圖3本發(fā)明的兩路三角波情況下信號(hào)波形圖4本發(fā)明的D類音頻功放結(jié)構(gòu)示意圖，以兩路為例；
圖5本發(fā)明兩路不交疊的三角路濾波的信號(hào)波形圖6本發(fā)明中兩路交疊的三角波濾波的信號(hào)波形圖7本發(fā)明中的D類音頻功放結(jié)構(gòu)示意圖，以三路為例。
標(biāo)號(hào)說明1、增益調(diào)節(jié)器 2、運(yùn)算放大器
3、基準(zhǔn)三角波發(fā)生器4、三角波搬移器 5、第一路比較器 6、第二路比較器 7、第三路比較器 8、編碼電路
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種全新的解決D類功率》文大器零點(diǎn)功耗和信號(hào)失真的 控制方案，既能使在音頻信號(hào)零點(diǎn)位置附近的窄脈沖完全消失，滿足降低 功耗的要求，又能控制音頻信號(hào)零點(diǎn)附近的窄脈沖信號(hào)出現(xiàn)的頻率，有效 控制信號(hào)失真。下面結(jié)合附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案
圖4是本發(fā)明在選取了兩路三角波作為參考信號(hào)時(shí)的電路結(jié)構(gòu)圖，圖3 是此方案的信號(hào)波形圖，圖4中，輸入音頻信號(hào)經(jīng)過增益調(diào)節(jié)1和運(yùn)算放 大電路2后分別輸入第一路比較器1和第二路比較器2，同時(shí)，通過"三角 波限幅、搬移電路"模塊4輸出兩路三角波與音頻信號(hào)進(jìn)行比較。"三角波 限幅、搬移電路，，模塊4對(duì)輸入的一路三角波進(jìn)行幅度限制處理(或者直 接輸入一路幅度較小的三角波)，模塊內(nèi)部的比例放大器會(huì)根據(jù)不同的偏置 電壓設(shè)置，將一路三角波轉(zhuǎn)換為上下兩路。通過調(diào)節(jié)比例放大器的偏置電 壓，可以控制兩路輸出三角波的交疊幅度。第一路音頻信號(hào)連接到第一路 比較器5的正輸入端， 一路三角波連接到第二路比較器6的負(fù)輸入端，另 外一路音頻信號(hào)輸入到第二路比較器6的負(fù)輸入端， 一路三角波信號(hào)輸入 到第二路比較器6的正輸入端。當(dāng)正輸入端的信號(hào)大于負(fù)輸入端時(shí)，比較 器輸出高電平，反之，則輸出低電平。這樣，利用搬移后的兩路三角波(同 相或者反相)分別對(duì)音頻信號(hào)的上半部分和下半部分進(jìn)行比較，原來(lái)音頻信號(hào)的零點(diǎn)相對(duì)于每一路三角波來(lái)說就變成了最高點(diǎn)和最低點(diǎn)。經(jīng)過比較
得到的信號(hào)，即脈沖寬度限幅(PWM)信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)管加到負(fù)載的兩 端，形成免濾波輸出信號(hào)OUTP-OUTN。
采用HSPICE軟件對(duì)兩路三角波的情況進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，v(al)表示音 頻信號(hào)，v(yl)代表OUTP信號(hào)，v(y2)代表OUTN信號(hào)，v(yl,y2)代表 OUTP-OUTN信號(hào)，v(b2)、 v(bl)是上下兩路三角波。如圖5波形圖所示， 當(dāng)兩路三角波在音頻信號(hào)的零點(diǎn)處幅度值不交疊，則零點(diǎn)處就不會(huì)出現(xiàn)窄 脈沖，如圖5所示，音頻信號(hào)v(al)的零點(diǎn)附近(即圖中正弦波約2.5V 電壓的位置)，v(yl,y2)—直是0電平，消除了很多窄脈沖。但是，如圖6 所示，如果兩路三角波在音頻信號(hào)的零點(diǎn)處幅度值存在交疊，則音頻信號(hào) 零點(diǎn)位置附近處就會(huì)出現(xiàn)明顯的窄脈沖或者窄脈沖的數(shù)量增加。圖6種音 頻信號(hào)v(al)的零點(diǎn)附近(即圖中正弦波約2.5V電壓的位置)，v(yl,y2) 出現(xiàn)了交疊的窄脈沖。窄脈沖數(shù)量的多少和寬度的大小由兩路三角波振幅 交疊幅度和音頻信號(hào)本身的特點(diǎn)決定。
由于窄脈沖含有音頻信號(hào)零點(diǎn)附近的信息，所以，如果窄脈沖完全消
失或者很少，則OUTP-OUTN信號(hào)在零點(diǎn)附近的失真就會(huì)變大。但是，窄 脈沖減少后，實(shí)際電路處于工作狀態(tài)的時(shí)間會(huì)減少，所以過零功耗會(huì)較小。 反之，過零失真較小，而過零功耗較大。
作為一種免濾波輸出信號(hào)的處理方案，可用于D類音頻功率放大電路。 在高電源電壓、大輸出功率的電路中，由于信號(hào)的電壓范圍較大，可以采 用多于兩路的三角波進(jìn)行限幅，可以擴(kuò)展到3路，4路，5路等等任意整數(shù) 路的三角波進(jìn)行比較限幅。如圖7所示，當(dāng)三角波信號(hào)為三路時(shí)，三路比 較器并聯(lián)連接于連接編碼電路8，比較后的方波可以依次命名為OUTl，OUT2， OUT3。通過數(shù)字邏輯編碼電路首先將OUTl， OUT2合并為OUTP, 將OUT3作為OUTN,然后將OUTP和OUTN加到負(fù)載兩端，便得到 OUTP-OUTN信號(hào)。
免濾波信號(hào)過零位置的窄脈沖數(shù)量和寬度由幅度值經(jīng)過音頻信號(hào)零點(diǎn) 的三角波決定，即如果有兩路三角波跨越音頻信號(hào)零點(diǎn)，也就是圖3的 交疊情況，則窄脈沖由這兩路三角波的交疊程度決定；如果只有一路三角 波跨越音頻信號(hào)零點(diǎn)，這與圖1和圖2中的情況相似，窄脈沖由跨越零點(diǎn) 的這一路三角波決定，但是由于本方案是多路三角波，通過調(diào)節(jié)跨越零點(diǎn) 三角波及相鄰三角波的幅度和頻率，仍然可以控制窄脈沖的數(shù)量和寬度， 而不會(huì)出現(xiàn)單路三角波由于幅度萎縮所造成的限幅失真。三角波數(shù)量越多， 幅度越萎縮，會(huì)使限幅后的信號(hào)失真變大。通過提高各路三角波的頻率和 比較器的比較精度，有利于減d、限幅過程中的失真。
權(quán)利要求
1、一種免濾波D類功率放大器，包括依次連接的增益調(diào)節(jié)電路，運(yùn)算放大電路，多路比較器及驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路；還包括三角波基準(zhǔn)發(fā)生電路，其特征在于還包括三角波限幅或搬移電路，三角波基準(zhǔn)發(fā)生電路的輸出端連接于三角波限幅或搬移電路，三角波限幅或搬移電路的一個(gè)輸出端分別與運(yùn)算放大器的一個(gè)輸出端同時(shí)連接于一個(gè)比較器；多路比較器之間相互并聯(lián)，多路比較器的輸出端與驅(qū)動(dòng)電路相連。
2、 如權(quán)利要求1所述的免濾波D類功率放大器，其特征在于用于脈 沖寬度調(diào)制的信號(hào)為兩路或兩路以上的限幅或搬移后的三角波信號(hào)。
3、 如權(quán)利要求1所述的免濾波D類功率放大器，其特征在于多路比 較器的數(shù)量與三角波限幅或搬移電路產(chǎn)生的三角波信號(hào)數(shù)量相同；運(yùn)算放 大器輸出多個(gè)相同的音頻信號(hào)，其ft量與限幅或^:移后的三角波信號(hào)數(shù)量 相同。
4、 如權(quán)利要求1所述的免濾波D類功率放大器，其特征在于三角波 限幅或搬移電路產(chǎn)生的三角波信號(hào)相位相同或相反。
5、 如權(quán)利要求1所述的免濾波D類功率放大器，其特征在于，相鄰兩 路比較器之間，音頻信號(hào)分別連接的比較器輸入端極性不同；相鄰兩路比 較器之間，三角波信號(hào)分別連接的比較器輸入端極性不同。
6、 如權(quán)利要求1所述的免濾波D類功率放大器，其特征在于限幅或 搬移后的三角波信號(hào)為三路或三路以上時(shí)，多路比較器的輸出端連接于編 碼電路，編碼電路的輸出端連接于驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路。
7、 一種D類功率放大器的免濾波處理方法，其特征在于，該方法包括以下步驟a. 接收音頻信號(hào)；b. 對(duì)接收到的音頻信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)節(jié)；c. 將增益調(diào)節(jié)后的音頻信號(hào)分別輸入多路比較器；d. 生成原始三角波〃f言號(hào)；e. 限幅或搬移三角波信號(hào)，得到多路三角波信號(hào)；f. 將限幅或搬移后的多路三角波信號(hào)分別輸入到多路比較器；g. 輸出多路比較器中音頻信號(hào)與三角波信號(hào)的比較結(jié)果；h. 將兩路脈寬調(diào)制信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)模塊加到負(fù)載兩端，得到最終差值輸 出信號(hào)。
8、 如權(quán)利要求7所述的D類功率放大器免濾波處理方法，其特征在于 用于脈沖寬度調(diào)制的信號(hào)為兩路或兩路以上的限幅或4般移三角波信號(hào)。
9、 如權(quán)利要求7所述的D類功率放大器免濾波處理方法，其特征在 于運(yùn)算放大器輸出相同的音頻信號(hào)，其數(shù)量與限幅或搬移后的三角波信 號(hào)數(shù)量相同，所需的比較器數(shù)量與限幅或搬移后三角波信號(hào)的數(shù)量相同。
10、 如權(quán)利要求7所述的D類功率放大器免濾波處理方法，其特征在 于相鄰兩路比較器的基準(zhǔn)信號(hào)不相同，音頻信號(hào)與限幅或搬移后的三角 波信號(hào)交替作為基準(zhǔn)信號(hào)。
11、 如權(quán)利要求7所述的D類功率放大器免濾波處理方法，其特征在 于，用于脈沖寬度調(diào)制的限幅或搬移三角波信號(hào)為三路或三路以上時(shí)，包 括以下步驟a. 將所有比較器的輸出信號(hào)分為兩部分；b. 通過編碼電路將這兩部分比較器輸出信號(hào)最終合成為兩路信號(hào)；C.將兩路脈寬調(diào)制信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)模塊加到負(fù)載兩端，得到最終差值輸 出信號(hào)。
12、如權(quán)利要求7所述的D類功率放大器免濾波處理方法，其特征在 于在音頻信號(hào)的零點(diǎn)位置上，多路限幅或搬移后的三角波信號(hào)相互之間 的振幅不存在交疊時(shí)，最終差值信號(hào)在音頻信號(hào)的零點(diǎn)位置為零電平信號(hào)； 多路限幅或搬移后的三角波信號(hào)相互之間的振幅存在交疊時(shí)，最終差值信 號(hào)在音頻信號(hào)的零點(diǎn)位置為窄脈沖信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種D類功率放大器免濾波電路結(jié)構(gòu)及其處理方法，通過兩路或兩路以上的相位相同或相反的限幅或搬移三角波信號(hào)與音頻信號(hào)相比較，通過限幅或搬移三角波電路控制各路三角波之間振幅的交疊情況，達(dá)到消除或控制音頻信號(hào)零點(diǎn)位置窄脈沖的效果，從而減小功放的電路功耗。本發(fā)明通過控制三角波交疊的程度來(lái)控制零點(diǎn)位置的失真，達(dá)到最佳的效果，為控制零點(diǎn)功耗和失真提供了一種靈活有效的電路結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H03F3/217GK101453194SQ200710171450
公開日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者呂永康, 孟為民, 張?zhí)祜w, 徐冬艷, 曹春茂, 云 林 申請(qǐng)人:無(wú)錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司