專利名稱：可噪聲修整的功率放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功率放大器，特別是涉及一種可噪聲修整的功率放大器。
背景技術(shù)：
參考圖1, 一般功率放大器，尤其是音頻功率放大器，會(huì)采用負(fù)回授設(shè) 計(jì)以得到一穩(wěn)定增益，同時(shí)為了消除高頻噪聲，會(huì)串接一低通濾波器，該 低通濾波器通常為一積分電路。如圖1所示，回授電路110將差動(dòng)模式輸出信號(hào)對(duì)Vol與Vo2轉(zhuǎn)換為單端模式的回授信號(hào)Vsum一P。此回授信號(hào) Vsum—P與輸入信號(hào)VI再經(jīng)過(guò)積分器120以濾除噪聲。然而，自從放大器由真空管演進(jìn)到晶體管以后，噪聲干擾一直是音頻 功率放大器所遭遇最大的問(wèn)題。噪聲的主要來(lái)源有二，其一為電源啐音 (Power Supply Hum)。這是由于輸出功率放大級(jí)130會(huì)從電源供應(yīng)端Vqd抽取大電流，但是卻無(wú)法對(duì)電源供應(yīng)端VoD進(jìn)行有效的濾波。所以當(dāng)柵極信號(hào)觸發(fā)，要求電源供應(yīng)端VDD通過(guò)一純凈的大電流時(shí)，該大電流本身即含 有噪聲而非純凈，所以會(huì)將噪聲通過(guò)回授電路110饋入整體電路。以上內(nèi) 容請(qǐng)參考Adel S. Sedra & Kenneth C. Smith所著Microelectronic Circuit第 四版第八章第二節(jié)。因此普遍作法是于回授電路110中加上一濾波器以消 除噪聲。然而此類設(shè)計(jì)，如圖1所示，僅依靠傳統(tǒng)濾波器消除噪聲，成效 并不理想。噪聲來(lái)源之二則是射頻干擾，當(dāng)射頻信號(hào)接近音頻放大器時(shí)，共模拒 斥比(common rejection ratio )相對(duì)較差的電路架構(gòu)，便會(huì)將射頻信號(hào)一并 接收而成為音頻放大器本身的噪聲干擾，例如手機(jī)靠近喇叭時(shí)所產(chǎn)生的嗡 嗡聲，而傳統(tǒng)音頻放大器并未使用全差動(dòng)式架構(gòu)以提升共模拒斥比。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是提供一種可噪聲修整的功率放大器，使放大器達(dá)到最大信號(hào)噪聲比(signal to noise ratio, SNR)。本發(fā)明以delta -sigma電路串 接二階或以上積分電路，可提供更好的止帶信號(hào)消除效果；取代傳統(tǒng)音頻 放大器于回授電路中設(shè)置濾波器的作法。此外，還利用共模輸入信號(hào)，取 代傳統(tǒng)單端輸入信號(hào)，藉由全差動(dòng)式架構(gòu)提升共模拒斥比，增強(qiáng)電路抵抗 射頻干擾的能力。本發(fā)明提出一種可噪聲修整的功率放大器。該功率放大器包括差動(dòng)模 式積分器、積分暨調(diào)節(jié)單元以及開關(guān)單元。差動(dòng)模式積分器用以接收差動(dòng) 模式輸入信號(hào)以及差動(dòng)模式輸出信號(hào)，并進(jìn)行積分操作，以產(chǎn)生差動(dòng)模式 第一信號(hào)。積分暨調(diào)節(jié)單元耦接至差動(dòng)模式積分器，用以接收差動(dòng)模式第 一信號(hào)及差動(dòng)模式輸出信號(hào)并進(jìn)行積分操作，并且將差動(dòng)模式第一信號(hào)調(diào) 節(jié)為單端模式的第二信號(hào)。該第二信號(hào)輸入至開關(guān)單元。開關(guān)單元的工作狀態(tài)基于第二信號(hào)來(lái)決定，并輸出差動(dòng)模式輸出信號(hào)以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。本發(fā)明利用全差動(dòng)模式設(shè)計(jì)，以共模輸入信號(hào)，取代傳統(tǒng)單端輸入信 號(hào)，提高共模拒斥比而消除共模噪聲，增加電路抵抗射頻千擾的能力。此 外，差動(dòng)模式積分器與積分暨調(diào)節(jié)單元皆包含一 delta-sigma電路，兩者串 接形成一個(gè)二階低通濾波電路，比傳統(tǒng)負(fù)回授電路與濾波器的組合，提供 更強(qiáng)的止帶信號(hào)消除效果，以達(dá)到更高的濾波效果，可得一較佳的信號(hào)噪 聲比。然本發(fā)明并不以此為限，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可視需求串接更多積分 電路，以構(gòu)成三階或以上濾波電^各。為使本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉 較佳實(shí)施例，并結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明如下。


圖1繪示為先前技術(shù)音頻放大器的電路方塊圖。圖2為依照本發(fā)明實(shí)施例繪示可噪聲修整的功率放大器的電路方塊圖。 圖3為依照本發(fā)明實(shí)施例繪示圖2功率放大器的電路圖。附圖符號(hào)說(shuō)明 110:回授電蹈_ 120:積分器130:功率放大級(jí)140:負(fù)載210:差動(dòng)模式積分器220:積分暨調(diào)節(jié)單元230:開關(guān)單元240:負(fù)載311:第一電阻312:第二電阻313:第三電阻314:第四電阻315:第一運(yùn)算放大器316:第一電容317:第二電容321:第一阻抗322:第二阻抗323:第三阻抗324:第四阻抗325:第二運(yùn)算放大器326:第五阻抗327:第六阻抗331:脈寬調(diào)制級(jí)332:第一開關(guān)333:第二開關(guān)334:第三開關(guān)335:第四開關(guān)具體實(shí)施方式
以下將以D類音頻功率放大器(class-D audio power amplifier )做為本 發(fā)明的實(shí)施范例。但本發(fā)明并不以此為限，本領(lǐng)域的技術(shù)人員亦可根據(jù)本 發(fā)明的精神，將之套用于各式功率放大器，例如A類、B類、AB類等功率 方文大器。圖2為依照本發(fā)明實(shí)施例繪示可噪聲修整的功率放大器的電路方塊圖。請(qǐng)參考圖2，該功率放大器包括差動(dòng)模式積分器210、積分暨調(diào)節(jié)單元220 以及開關(guān)單元230。差動(dòng)模式積分器210將所接收的音頻信號(hào)(在此為差動(dòng) 模式輸入信號(hào)對(duì)VIN與VIP )以及差動(dòng)模式輸出信號(hào)對(duì)VON與VOP進(jìn)行 積分操作，以產(chǎn)生差動(dòng)模式第一信號(hào)對(duì)VIN，與VIP，。積分暨調(diào)節(jié)單元220 接收差動(dòng)模式第一信號(hào)對(duì)VIN，與VIP，及差動(dòng)模式輸出信號(hào)對(duì)VON與VOP 并進(jìn)行積分操作。另外，積分暨調(diào)節(jié)單元220更將差動(dòng)模式第一信號(hào)對(duì)VIN， 與VIP，調(diào)節(jié)為單端模式的第二信號(hào)Vo，并將第二信號(hào)Vo輸出至開關(guān)單元 230。開關(guān)單元230基于第二信號(hào)Vo來(lái)決定其工作狀態(tài)，并且開關(guān)單元230 輸出差動(dòng)模式輸出信號(hào)VON與VOP以驅(qū)動(dòng)負(fù)載240。于本實(shí)施例中，該負(fù) 載240可以為喇叭或其它負(fù)載。圖3為依照本發(fā)明繪示圖2功率放大器的實(shí)施范例。請(qǐng)參照?qǐng)D3,差動(dòng) 模式積分器210包括第一電阻311、第二電阻312、第三電阻313、第四電 阻314、第一運(yùn)算放大器315、第一電容316及第二電容317。電阻311與312的第一端各自接收該差動(dòng)模式輸入信號(hào)的第一端信號(hào) VIN與第二端信號(hào)VIP。電阻313與314的第一端各自接收該差動(dòng)模式輸出 信號(hào)的第一端信號(hào)VON與第二端信號(hào)VOP。第一運(yùn)算放大器315，其第一 輸入端(例如為正輸入端)耦接至第二電阻312的第二端與第三電阻313 的第二端，而其第二輸入端(例如為負(fù)輸入端)則耦接至第一電阻311的 第二端與第四電阻314的第二端。第一運(yùn)算放大器315的第一輸出端(例 如為正輸出端)與第二輸出端(例如為負(fù)輸出端)分別輸出該差動(dòng)模式第 一信號(hào)的第一端信號(hào)VIN，與第二端信號(hào)VIP，。第一電容316的第一端與第 二端分別耦接至第一運(yùn)算放大器315的第一輸出端與第二輸入端。第二電 容317的第一端與第二端分別耦接至第一運(yùn)算放大器315的第二輸出端與 第一輸入端。如此便可構(gòu)成一差動(dòng)輸入及輸出的積分電路。所屬領(lǐng)域具有 通常知識(shí)者可以依其需求而調(diào)配電阻311-314的阻值以及電容316-317 的電容值，亦即調(diào)整其阻抗匹配以控制差動(dòng)模式積分器210的低通帶頻寬。 于本實(shí)施例中，第一電阻311與第二電阻312的阻值譬如為RP而第三電 阻313與第四電阻314的阻值譬如為G* Ri (G與R,為實(shí)數(shù))。第一電容 316與第二電容317的電容值譬如均為C， (d為實(shí)數(shù))。積分暨調(diào)節(jié)單元220包括第一阻抗321、第二阻抗322、第三阻抗323、 第四阻抗324、第二運(yùn)算放大器325、第五阻抗326及第六阻抗327。阻抗 321與322的第 一端各自耦接至差動(dòng)模式積分器210的第 一輸出端與第二輸 出端，以接收該差動(dòng)模式第一信號(hào)的第一端信號(hào)VIN，與第二端信號(hào)VIP，。 第三阻抗323的第一端接收差動(dòng)模式輸出信號(hào)的第一端信號(hào)VON。第四阻 抗324的第一端接收差動(dòng)模式輸出信號(hào)的第二端信號(hào)VOP。第二運(yùn)算放大 器325的第一輸入端(例如為正輸入端)耦接至第一阻抗321與第三阻抗 323的第二端，而其第二輸入端(例如為負(fù)輸入端)則耦接至第二阻抗322 與第四阻抗324的第二端。第一運(yùn)算放大器315的輸出端輸出單端模式的 第二信號(hào)Vo。第五阻抗326的第一端耦接至第二運(yùn)算放大器325的第一輸 入端，而其第二端則接收第一電壓。于本實(shí)施例中，上述第一電壓譬如為 接地電壓。第六阻抗327的第一端與第二端分別耦接至第二運(yùn)算放大器325 的輸出端與第二輸入端。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以依據(jù)其需求，而以任何手段實(shí)施第一阻抗 第 六阻抗，以及依據(jù)需求決定各阻抗的阻抗值以獲得所需的電路特性。于本 實(shí)施例中，第一阻抗321與第二阻抗322均以阻值為112的電阻實(shí)施的，而 第三阻抗323與第四阻抗324均以阻值為F+R2的電阻實(shí)施的(F為實(shí)數(shù))。 另外，本實(shí)施例是以電容值為C2的電容實(shí)施第五阻抗326與第六阻抗327。 而第一電壓可為一參考電壓電平，包括接地電壓，機(jī)殼接地及視設(shè)計(jì)需求 所釆用的電平電壓。該開關(guān)單元230包括脈寬調(diào)制級(jí)(pulse width modulation stage, PWM stage )331以及橋式電路。脈寬調(diào)制級(jí)331用以產(chǎn)生至少一脈寬調(diào)制信號(hào)(本 實(shí)施例為第一脈寬調(diào)制信號(hào)PWMSl以及第二脈寬調(diào)制信號(hào)PWMS2)。其 中，脈寬調(diào)制級(jí)331依據(jù)單端模式的第二信號(hào)Vo而調(diào)制脈寬調(diào)制信號(hào) PWMSl與PWMS2的脈寬。本實(shí)施例的橋式電路是以Class-D輸出放大級(jí) 為例，然并不以此為限。此橋式電路包含受脈寬調(diào)制信號(hào)PWMS1與PWMS2 所控制的多個(gè)開關(guān)(本實(shí)施例為第一開關(guān)332、第二開關(guān)333、第三開關(guān)334 以及第四開關(guān)335 )。于橋式電路中，第一開關(guān)332的第一端接收第二電壓 (例如為電源電壓VDD),其第二端將差動(dòng)模式輸出信號(hào)的第一端信號(hào) VON輸出至負(fù)載240的第一端。第二開關(guān)333的第一端接收第三電壓(例如為接地電壓)，其第二端耦接至負(fù)載240的第一端。其中，開關(guān)332與 333均受控于第一脈寬調(diào)制信號(hào)PWM1。第三開關(guān)334的第一端接收第二電壓，其第二端將差動(dòng)模式輸出信號(hào) 的第二端信號(hào)VOP輸出至負(fù)載240的第二端。第四開關(guān)335的第 一端接收 第三電壓，其第二端耦接至負(fù)載240的第二端。其中，開關(guān)334與335均 受控于第二脈寬調(diào)制信號(hào)PWM2。于本實(shí)施例中，上述第一開關(guān)332與第三開關(guān)334為P型晶體管，而 第二開關(guān)333與第四開關(guān)335則為N型晶體管，四者構(gòu)成一個(gè)Class-D輸出 放大級(jí)。脈寬調(diào)制級(jí)331藉由調(diào)制脈寬調(diào)制信號(hào)PWMS1與PWMS2的脈寬 與相位而控制橋式電路的開關(guān)332 ~ 335。因此，開關(guān)單元230可以依據(jù)第 二信號(hào)Vo而輸出音頻信號(hào)(即該差動(dòng)模式輸出信號(hào)對(duì)VON與VOP)來(lái)驅(qū) 動(dòng)負(fù)載240。于本實(shí)施例中，第二電壓為一電源電壓，是指驅(qū)動(dòng)輸出放大級(jí) 的電壓，而非以整體電路的電源電壓為限；第三電壓亦為一電壓參考電平， 而非以接地電壓為限。本實(shí)施例中差動(dòng)模式輸入信號(hào)經(jīng)兩層積分器運(yùn)算處理后構(gòu)成輸出信號(hào) Vo=(Vip-Vin)/{S2R2C2+SRC/F+l/G}+S2R2C2*(THD+Noise)/{S2R2C2+SRC/F+ 1/G)，其中S=j .=j2 f， f即為頻率。上述等式中THD為總諧波失真(Total Harmonic Distortion),這是將差動(dòng)模式輸出信號(hào)諧波成分的均方根(root mean square, rms )值去除基本諧波后，表示成基本諧波均方根值的百分比。 一般輸出級(jí)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的評(píng)量即基于此THD參數(shù)。通常一個(gè)高傳真 (high-fidelity)音頻放大器的THD約在零點(diǎn)幾個(gè)百分比的數(shù)量級(jí)。由上述等 式可知，在聲頻信號(hào)下SRC<<1,因此Noise將被大幅衰減，而得到極佳的 信號(hào)噪聲比。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，本 領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下可作些許的更動(dòng)與 潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍以本申請(qǐng)的權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種功率放大器，用以依據(jù)所接收的差動(dòng)模式輸入信號(hào)產(chǎn)生一差動(dòng)模式輸出信號(hào)以驅(qū)動(dòng)一負(fù)載，該功率放大器包括一差動(dòng)模式積分器，用以接收該差動(dòng)模式輸入信號(hào)與該差動(dòng)模式輸出信號(hào)并進(jìn)行積分操作，以輸出一差動(dòng)模式第一信號(hào)；一積分暨調(diào)節(jié)單元，用以接收該差動(dòng)模式第一信號(hào)與該差動(dòng)模式輸出信號(hào)并進(jìn)行積分操作，以將該差動(dòng)模式第一信號(hào)調(diào)節(jié)為單端模式的第二信號(hào)；以及一開關(guān)單元，耦接至該差動(dòng)模式積分器與該積分暨調(diào)節(jié)單元，其中該開關(guān)單元的工作狀態(tài)基于該積分暨調(diào)節(jié)單元所輸出的該第二信號(hào)來(lái)決定，該開關(guān)單元輸出差動(dòng)模式的該差動(dòng)模式輸出信號(hào)以驅(qū)動(dòng)該負(fù)載。
2. 如權(quán)利要求1所述的功率放大器，其中該差動(dòng)模式積分器包括一第一電阻，其第一端接收該差動(dòng)模式輸入信號(hào)的第一端信號(hào)；一第二電阻，其第一端接收該差動(dòng)模式輸入信號(hào)的第二端信號(hào)；一第三電阻，其第一端接收該差動(dòng)模式輸出信號(hào)的第一端信號(hào)；一第四電阻，其第一端接收該差動(dòng)模式輸出信號(hào)的第二端信號(hào)；一第一運(yùn)算放大器，其第一輸入端耦接至該第二電阻的第二端與該第三電阻的第二端，其第二輸入端耦接至該第一電阻的第二端與該第四電阻的第二端，以及其第一輸出端與第二輸出端分別輸出該差動(dòng)模式第一信號(hào)的第一端信號(hào)與第二端信號(hào)；一第一電容，其耦接于該第一運(yùn)算放大器的第一輸出端與第二輸入端的間；以及一第二電容，其耦接于該第 一運(yùn)算放大器的第二輸出端與第 一輸入端的間。
3. 如權(quán)利要求2所述的功率放大器，其中該第一電阻與該第二電阻的阻值相同。
4. 如權(quán)利要求2所述的功率放大器，其中該第三電阻與該第四電阻的阻值相同。
5. 如權(quán)利要求2所述的功率放大器，其中該第一電容與該第二電容的電容值相同。
6. 如權(quán)利要求1所述的功率放大器，其中該積分暨調(diào)節(jié)單元包括一第一阻抗，其第一端接收該差動(dòng)模式第一信號(hào)的第一端信號(hào)；一第二阻抗，其第一端接收該差動(dòng)模式第一信號(hào)的第二端信號(hào)；一第三阻抗，其第一端接收該差動(dòng)模式輸出信號(hào)的第一端信號(hào)；一第四阻抗，其第一端接收該差動(dòng)模式輸出信號(hào)的第二端信號(hào)；一第二運(yùn)算放大器，其第一輸入端耦接至該第一阻抗的第二端與該第三阻抗的第二端，其第二輸入端耦接至該第二阻抗的第二端與該第四阻抗的第二端，以及其輸出端輸出單端模式的該第二信號(hào)；一第五阻抗，其第一端耦接至該第二運(yùn)算放大器的第一輸入端，以及其第二端接收一第一電壓；以及一第六阻抗，其第一端與第二端分別耦接至該第二運(yùn)算放大器的輸出端與第二輸入端。
7. 如權(quán)利要求6所述的功率放大器，其中該第一阻抗、該第二阻抗、該第三阻抗、與該第四阻抗均為電阻。
8. 如權(quán)利要求7所述的功率放大器，其中該第一阻抗與該第二阻抗的阻值相同。
9. 如權(quán)利要求7所述的功率放大器，其中該第三阻抗與該第四阻抗的阻值相同。
10. 如權(quán)利要求6所述的功率放大器，其中該第五阻抗與該第六阻抗均為電容。
11. 如權(quán)利要求IO所述的功率放大器，其中該第五阻抗與該第六阻抗的電容值相同。
12. 如權(quán)利要求6所述的功率放大器，其中該第一電壓包括接地電壓。
13. 如權(quán)利要求1所述的功率放大器，其中該開關(guān)單元包括一脈寬調(diào)制級(jí)，用以產(chǎn)生至少一脈寬調(diào)制信號(hào)，其中依據(jù)單端模式的該第二信號(hào)而調(diào)制至該脈寬調(diào)制信號(hào)的脈寬；以及一橋式電路，其具有受該脈寬調(diào)制信號(hào)所控制的多個(gè)開關(guān)。
14. 如權(quán)利要求13所述的功率放大器，其中該脈寬調(diào)制級(jí)產(chǎn)生一第一脈寬調(diào)制信號(hào)及一第二脈寬調(diào)制信號(hào)，并依據(jù)單端模式的該第二信號(hào)調(diào)制該第 一 脈寬調(diào)制信號(hào)及該第二脈寬調(diào)制信號(hào)的脈寬。
15. 如權(quán)利要求14所述的功率放大器，其中該橋式電路包含一第一開關(guān)，其第一端接收一第二電壓，其第二端耦接至該負(fù)載的第一端，而該第一開關(guān)受控于該第一脈寬調(diào)制信號(hào)；一第二開關(guān)，其第一端接收一第三電壓，其第二端耦接至該負(fù)載的第一端，而該第二開關(guān)受控于該第一脈寬調(diào)制信號(hào)；一第三開關(guān)，其第一端接收該第二電壓，其第二端耦接至該負(fù)載的第二端，而該第三開關(guān)受控于該第二脈寬調(diào)制信號(hào)；以及一第四開關(guān)，其第一端接收該第三電壓，其第二端耦接至該負(fù)載的第二端，而該第四開關(guān)受控于該第二脈寬調(diào)制信號(hào)。
16.如權(quán)利要求15所述的功率放大器，其中該第一開關(guān)與該第三開關(guān)為P型晶體管，而該第二開關(guān)與該第四開關(guān)為N型晶體管。
全文摘要
本發(fā)明是一種可噪聲修整的功率放大器，其可修整一般功率放大器所遭受的噪聲干擾問(wèn)題。該功率放大器包括差動(dòng)模式積分器、積分暨調(diào)節(jié)單元及開關(guān)單元。差動(dòng)模式積分器用以接收差動(dòng)模式的輸入信號(hào)及輸出信號(hào)，并輸出差動(dòng)模式第一信號(hào)。積分暨調(diào)節(jié)單元耦接至差動(dòng)模式積分器，用以接收差動(dòng)模式第一信號(hào)及差動(dòng)模式輸出信號(hào)，并輸出單端模式的第二信號(hào)。開關(guān)單元接收第二信號(hào)，并輸出差動(dòng)模式輸出信號(hào)以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。本發(fā)明利用共模輸入信號(hào)，取代單端輸入信號(hào)，以消除共模噪聲；又利用二階或以上積分電路取代傳統(tǒng)濾波器，以達(dá)到更佳的止帶信號(hào)消除效果。
文檔編號(hào)H03F1/26GK101557200SQ200810090999
公開日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2008年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月8日
發(fā)明者吳國(guó)宏, 莊志禹, 林俊年 申請(qǐng)人:原景科技股份有限公司