專(zhuān)利名稱(chēng)：三電平半橋脈寬調(diào)制放大器及其驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及一種放大器，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種半橋脈寬調(diào)制(PWM)放大器。
背景技術(shù)：
PWM是一種根據(jù)輸入信號(hào)幅度來(lái)改變脈寬的技術(shù)。PWM具有高效、高分解力以及低 功耗等優(yōu)點(diǎn)。所以，PWM通常用于如D類(lèi)放大器這樣的放大器以及音頻系統(tǒng)。因而，PWM放 大器被稱(chēng)為D類(lèi)放大器。使用PWM的音頻系統(tǒng)在傳輸音頻信號(hào)時(shí)，通常將音頻信號(hào)嵌入到 一個(gè)頻率相對(duì)于音頻信號(hào)的采樣率更高的PWM信號(hào)中。PWM放大器將音頻信號(hào)變換成數(shù)字 PWM信號(hào)，放大該P(yáng)WM信號(hào)以及將其輸出到揚(yáng)聲器或聽(tīng)筒，例如耳機(jī)或耳塞。通常使用全橋PWM放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。半橋PWM放大器則通常用來(lái)驅(qū)動(dòng)頭戴式 耳機(jī)等裝置，基于零電壓或地電平將輸入信號(hào)施加到這些裝置。由于PWM信號(hào)通常為二電 平信號(hào)，因而在二電平PWM驅(qū)動(dòng)方法中根據(jù)PWM信號(hào)來(lái)切換一個(gè)預(yù)定的正(+)電壓和地電 平或一個(gè)正電壓和一個(gè)負(fù)電壓。在二電平PWM驅(qū)動(dòng)方法中，即使當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出端還是保持50 50的 PWM占空比和執(zhí)行切換。結(jié)果是，除了音頻信號(hào)消耗動(dòng)態(tài)電流外，靜態(tài)電流也一直在作不必 要的消耗，從而降低了輸出效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明構(gòu)思的示范性實(shí)施例提供一種通過(guò)減少靜態(tài)電流消耗來(lái)提高效率的三電 平半橋脈寬調(diào)制PWM放大器及其驅(qū)動(dòng)方法。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示范性實(shí)施例的一個(gè)方面，提供一種包含有PWM發(fā)生器以及輸 出級(jí)的三電平半橋PWM放大器。PWM發(fā)生器被配置為根據(jù)輸入信號(hào)的幅度來(lái)改變第一電平 和第二電平處的脈寬，以及輸出具有第一電平、第二電平和參考電平的三電平PWM輸出信 號(hào)。輸出級(jí)被配置為基于三電平PWM輸出信號(hào)，將連接于負(fù)載的一端的輸出節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)至第 一電源電壓、第二電源電壓或第三電源電壓中的一個(gè)電壓。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，PWM發(fā)生器可以通過(guò)將第一 PWM信號(hào)和第二 PWM信號(hào)相 加來(lái)輸出三電平PWM輸出信號(hào)，第一PWM信號(hào)是通過(guò)根據(jù)大于輸入信號(hào)的參考電平的、輸入 信號(hào)的第一輸入信號(hào)的幅度來(lái)改變第一電平處的脈寬而獲得的，第二 PWM信號(hào)是通過(guò)根據(jù) 小于輸入信號(hào)的參考電平的、輸入信號(hào)的第二輸入信號(hào)的幅度來(lái)改變第二電平處的脈寬而 獲得的。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，參考電平可以是地電平，第一輸入信號(hào)可以是正輸入信 號(hào)，第二輸入信號(hào)可以是負(fù)輸入信號(hào)。在另一個(gè)示范性實(shí)施例中，PWM發(fā)生器可以包括第一比較器和第二比較器，第一比較器被配置為將正輸入信號(hào)和第一鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較以及 產(chǎn)生第一 PWM信號(hào)，該第一鋸齒波信號(hào)在第一電平和參考電平之間擺動(dòng)，第二比較器被配 置為將負(fù)輸入信號(hào)和第二鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較以及產(chǎn)生第二 PWM信號(hào)，該第二鋸齒波信號(hào) 在參考電平和第二電平之間擺動(dòng)。第二鋸齒波信號(hào)可以是比第一鋸齒波信號(hào)的電平下降一 個(gè)擺動(dòng)寬度并且具有與第一鋸齒波信號(hào)相同波形的信號(hào)。在另一個(gè)實(shí)施例中，第三電源電 壓具有地電平，第一電源電壓具有比第三電源電壓高的正電壓，第二電源電壓具有比第三 電源電壓低的負(fù)電壓。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，輸出級(jí)可以包括上拉單元、下拉單元和轉(zhuǎn)換單元，上拉單元被配置為響應(yīng)于第一使能信號(hào)，驅(qū)動(dòng)輸出節(jié)點(diǎn)至第一電源電壓，下拉單元被配置為響應(yīng) 于第二使能信號(hào)，驅(qū)動(dòng)輸出節(jié)點(diǎn)至第二電源電壓，轉(zhuǎn)換單元被配置為響應(yīng)于第三使能信號(hào)， 驅(qū)動(dòng)輸出節(jié)點(diǎn)至第三電源電壓。在另一個(gè)示范性實(shí)施例中，上拉單元包含連接于輸出節(jié)點(diǎn) 和第一電源電壓之間并響應(yīng)于第一使能信號(hào)導(dǎo)通的上拉晶體管，下拉單元包含連接于輸出 節(jié)點(diǎn)和第二電源之間并響應(yīng)于第二使能信號(hào)導(dǎo)通的下拉晶體管，轉(zhuǎn)換單元包括至少一個(gè)連 接于輸出節(jié)點(diǎn)和第三電源之間并響應(yīng)于第三使能信號(hào)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示范性實(shí)施例的另一個(gè)方面，一種音頻系統(tǒng)包括三電平半橋 PMW放大器。三電平半橋PWM放大器包括PWM發(fā)生器和輸出級(jí)。PWM發(fā)生器被配置為根據(jù) 輸入信號(hào)的幅度改變第一電平或第二電平處的脈寬，并輸出具有第一電平、第二電平和參 考電平的三電平PWM輸出信號(hào)。輸出級(jí)被配置為基于三電平PWM輸出信號(hào)，將連接于負(fù)載 的一端的輸出節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)至第一電源電壓、第二電源電壓或第三電源電壓。在一個(gè)實(shí)施例中，PWM發(fā)生器可以通過(guò)將第一 PWM信號(hào)和第二信號(hào)相加來(lái)輸出三 電平PWM輸出信號(hào)，第一 PWM信號(hào)是通過(guò)根據(jù)大于輸入信號(hào)的參考電平的、輸入信號(hào)的第一 輸入信號(hào)的幅度來(lái)改變第一電平處的脈寬而獲得，第二 PWM信號(hào)是通過(guò)根據(jù)小于輸入信號(hào) 的參考電平的、輸入信號(hào)的第二輸入信號(hào)的幅度來(lái)改變第二電平處的脈寬而獲得。在一個(gè)實(shí)施例中，參考電平可以是地電平，第一輸入信號(hào)可以正輸入信號(hào)，第二輸 入信號(hào)可以負(fù)輸入信號(hào)。在另一個(gè)示范性實(shí)施例中，PWM發(fā)生器可以包括第一比較器和第二 比較器，第一比較器被配置為將正輸入信號(hào)和第一鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較并產(chǎn)生第一 PWM信 號(hào)，該第一鋸齒波信號(hào)在第一電平和參考電平之間擺動(dòng)，第二比較器被配置為將負(fù)輸入信 號(hào)和第二鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較并產(chǎn)生第二 PWM信號(hào)，該第二鋸齒波信號(hào)在參考電平和第二 電平之間擺動(dòng)。第二鋸齒波信號(hào)可以是比第一鋸齒波信號(hào)的電平下降一個(gè)擺動(dòng)寬度并具有 與第一鋸齒信號(hào)相同波形的信號(hào)。在另一個(gè)實(shí)施例中，第三電源電壓具有地電平，第一電源 電壓具有比第三電源電壓高的正電壓，第二電源電壓具有比第三電源電壓低的負(fù)電壓。在一個(gè)實(shí)施例中，輸出級(jí)可以包括上拉單元、下拉單元和轉(zhuǎn)換單元，上拉單元被配 置為響應(yīng)于第一使能信號(hào)，驅(qū)動(dòng)輸出節(jié)點(diǎn)至第一電源電壓，下拉單元被配置為響應(yīng)于第二 使能信號(hào)，驅(qū)動(dòng)輸出節(jié)點(diǎn)至第二電源電壓，轉(zhuǎn)換單元被配置為響應(yīng)于第三使能信號(hào)，驅(qū)動(dòng)輸 出節(jié)點(diǎn)至第三電源電壓。在另一個(gè)示范性實(shí)施例中，上拉單元包含連接于輸出節(jié)點(diǎn)和第一 電源電壓之間并響應(yīng)于第一使能信號(hào)導(dǎo)通的上拉晶體管，下拉單元包含連接于輸出節(jié)點(diǎn)和 第二電源電壓之間并響應(yīng)于第二使能信號(hào)導(dǎo)通的下拉晶體管，轉(zhuǎn)換單元包括至少一個(gè)連接 于輸出節(jié)點(diǎn)和第三電源電壓之間并響應(yīng)于第三使能信號(hào)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思示范性實(shí)施例的另一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種驅(qū)動(dòng)三電平半橋PWM放大器的方法。該方法包括產(chǎn)生三電平PWM輸出信號(hào)，其具有第一電平、第二電平和參 考電平并且根據(jù)輸入信號(hào)的幅度而在第一電平或第二電平處改變的脈寬，以及基于三電平 PWM輸出信號(hào)將連接于負(fù)載的一端的輸出節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)至第一電源電壓、第二電源電壓或第三 電源電壓。在一個(gè)實(shí)施例中，產(chǎn)生三電平輸出信號(hào)包括通過(guò)根據(jù)大于輸入信號(hào)的參考電平的、輸入信號(hào)的第一輸入信號(hào)的幅度改變第一電平處的脈寬產(chǎn)生第一 PWM信號(hào)，通過(guò)根據(jù) 小于輸入信號(hào)的參考電平的、輸入信號(hào)的第二輸入信號(hào)的幅度改變第二電平處的脈寬產(chǎn)生 第二 PWM信號(hào)，并通過(guò)將第一 PWM信號(hào)和第二 PWM信號(hào)相加來(lái)輸出三電平PWM輸出信號(hào)。在 另一個(gè)實(shí)施例中，參考電平是地電平，第一輸入信號(hào)是正輸入信號(hào)，第二輸入信號(hào)是負(fù)輸入 信號(hào)。產(chǎn)生第一 PWM信號(hào)包括將正輸入信號(hào)和第一鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較，第一鋸齒波信號(hào) 在第一電平和參考電平之間擺動(dòng)，產(chǎn)生第二 PWM信號(hào)包括將負(fù)輸入信號(hào)和第二鋸齒波信 號(hào)進(jìn)行比較，第二鋸齒波信號(hào)在參考電平和第二電平之間擺動(dòng)。第二鋸齒波信號(hào)是比第一 鋸齒波信號(hào)的電平下降一個(gè)擺動(dòng)寬度并與第一鋸齒信號(hào)具有相同的波形的信號(hào)。在另一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)輸入第一輸入信號(hào)時(shí)，第一電平處的脈寬根據(jù)第一輸入信 號(hào)的幅度發(fā)生改變，第二電平處的脈沖具有預(yù)定的最小寬度。當(dāng)輸入第二輸入信號(hào)時(shí)，第 二電平處的脈寬根據(jù)第二輸入信號(hào)的幅度發(fā)生改變，第一電平處的脈沖具有預(yù)定的最小寬 度。在另一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)輸入信號(hào)處于參考電平時(shí)，除了在第一電平處具有最小寬度的脈 沖和在第二電平處具有最小寬度的脈沖之外三電平PWM輸出信號(hào)處于參考電平。


如下圖所示，從如附圖中所示的本發(fā)明構(gòu)思優(yōu)選方面的更為具體的描述中，本發(fā) 明的前述及其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明確，貫穿不同的視圖相似的參考符號(hào)指代相同的部 件。附圖的重點(diǎn)在于圖示本發(fā)明構(gòu)思的原理，而不必要按比例。附圖中，為了清楚起見(jiàn)，層 的厚度和區(qū)域有所放大。附圖中圖1是示范性放大器輸入信號(hào)的波形圖；圖2A-圖2C是傳統(tǒng)二電平脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)的示意圖，該信號(hào)是相對(duì)于圖1所 示的放大器輸入信號(hào)而產(chǎn)生；圖3是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示范性實(shí)施例的半橋PWM放大器的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示范性實(shí)施例的、圖3中所示的 Δ- Σ (delta-sigma)調(diào)制器的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示范性實(shí)施例的、圖3中所示的三電平PWM發(fā)生器 的框圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示范性實(shí)施例的、圖3中所示的輸出級(jí)的電路圖；圖7和圖8A和圖8B是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示范性實(shí)施例的PWM放大器的 操作的波形圖；圖9A-9C是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示范性實(shí)施例的，根據(jù)PWM輸出信號(hào)的不同電 平，圖6中所示的輸出級(jí)的操作的電路圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示范性實(shí)施例的、表示圖3中映射器的表格；圖11是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示范性實(shí)施例的、表示PWM輸出信號(hào)的不同電平的信號(hào)的圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一個(gè)示范性實(shí)施例的放大器輸入信號(hào)的波形圖；和圖13A-13H是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示范性實(shí)施例的、針對(duì)圖12中所示的放大器 輸入信號(hào)的三電平PWM輸出信號(hào)的波形圖。
具體實(shí)施例方式下文將針對(duì)附圖對(duì)本發(fā)明構(gòu)思作更詳細(xì)的描述，附圖顯示了本發(fā)明構(gòu)思的實(shí)施 例。但是，本發(fā)明構(gòu)思可以通過(guò)多種形式實(shí)現(xiàn)并且不應(yīng)當(dāng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。而是， 提供這些實(shí)施例以使本發(fā)明詳盡而完整，并把本發(fā)明構(gòu)思的整個(gè)范圍傳遞給本領(lǐng)域技術(shù)人 員。附圖中，為了清楚起見(jiàn)，層和區(qū)域的大小和相對(duì)大小有所放大。貫穿附圖，相似的標(biāo)號(hào) 指代相似的元素。將理解的是，當(dāng)一個(gè)元件被稱(chēng)為“連接”或“耦接”到另一個(gè)元件時(shí)，可以認(rèn)為是直 接連接或耦接至另一個(gè)元件，或是還有中間元件。反之，當(dāng)一個(gè)元件被提到“直接連接”或 “直接耦接”至另一元件時(shí)，就沒(méi)有中間元件。通常，術(shù)語(yǔ)“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)聯(lián) 所列項(xiàng)的任意一個(gè)和全部組合，并且可以簡(jiǎn)化成“/”。應(yīng)當(dāng)理解的是，盡管此處使用了第一、第二等術(shù)語(yǔ)用于描述多個(gè)元件，但是元件不 應(yīng)當(dāng)被這些術(shù)語(yǔ)所限。這些術(shù)語(yǔ)只用于將元件互相區(qū)別開(kāi)。例如，第一信號(hào)可以稱(chēng)之為第 二信號(hào)，以及類(lèi)似的，第二信號(hào)也可以稱(chēng)之為第一信號(hào)，而不脫離本公開(kāi)的教導(dǎo)。此處所使用的術(shù)語(yǔ)只用于描述特定的實(shí)施例，而不是用于對(duì)本發(fā)明的限定。如此 處所使用的單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”、“所述”也可用于包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文中清楚指 示。還應(yīng)理解的是，術(shù)語(yǔ)“包括”、和/或、“包含”和/ “含有”當(dāng)在說(shuō)明書(shū)中使用時(shí)指定特 征、區(qū)域、整體、步驟、操作、元件和/或元件的存在，但是不排除其中存在的或附加的一個(gè) 或多個(gè)特征、區(qū)域、整體、步驟、操作、元件、元件和/或組群。除非有別的定義，否則此處所用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))與具有 本發(fā)明所屬領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)中的所通常理解含義的相同。還應(yīng)理解的是，像那些在詞典中 所通常定義的術(shù)語(yǔ)應(yīng)當(dāng)理解為具有與在本發(fā)明和/或相關(guān)技術(shù)的上下文中的含義一致，并 且除非此處特別進(jìn)行了定義，否則不會(huì)理解為理想化或過(guò)于正式的含義。圖1是示范性放大器輸入信號(hào)的波形圖。圖2是傳統(tǒng)二電平脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào) 的示意圖，該信號(hào)是相對(duì)于圖1所示的放大器輸入信號(hào)而產(chǎn)生。參見(jiàn)圖1，假設(shè)放大器輸入信號(hào)在正峰值電壓MAX和負(fù)峰值電壓MIN之間擺動(dòng)。PWM 輸出信號(hào)通常是一個(gè)具有兩個(gè)電平VDD和VSS的脈沖信號(hào)。參見(jiàn)圖2A-圖2C，當(dāng)放大器輸 入信號(hào)具有正峰值電壓MAX時(shí)，如圖2A所示，PWM輸出信號(hào)具有最長(zhǎng)的“高”時(shí)間段，也即， PWM信號(hào)處于電平VDD的時(shí)間段，以及，當(dāng)放大器輸入信號(hào)具有負(fù)峰值電壓MIN時(shí)，如圖2C 所示，具有最長(zhǎng)的“低”時(shí)間段，也即，PWM信號(hào)處于電平VSS的時(shí)間段。也就是說(shuō)，當(dāng)放大 器輸入信號(hào)增加至正峰值電壓MAX時(shí)，PWM輸出信號(hào)逐漸為“高”的時(shí)間段，在此時(shí)間段PWM 輸出信號(hào)處于VDD電平。當(dāng)放大器輸入信號(hào)降至負(fù)峰值電壓MIN時(shí)，PWM輸出信號(hào)逐漸為 “低”的時(shí)間段，在此時(shí)間段PWM輸出信號(hào)處于VSS電平。當(dāng)放大器輸入信號(hào)為零電壓時(shí)， PWM輸出信號(hào)具有等于“低”時(shí)間段的“高”時(shí)間段，這樣就具有50 50的占空比，如圖2B 所示。
盡管PWM放大器，例如D類(lèi)放大器，具有比A類(lèi)放大器、B類(lèi)放大器、AB類(lèi)放大器更 高的效率，但是PWM放大器在電平VDD和電平VSS (或地電平)之間轉(zhuǎn)換時(shí)無(wú)謂地持續(xù)消耗 靜態(tài)電流。為了進(jìn)一步提高PWM放大器的效率，有必要減少此類(lèi)靜態(tài)電流消耗。圖3是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示范性實(shí)施例的半橋PWM放大器10的示意圖。參見(jiàn)圖 3，半橋PWM放大器10包括A- E (delta-sigma)調(diào)制器110、三電平PWM發(fā)生器120、映射 器130和輸出級(jí)140。A - E調(diào)制器110將輸入信號(hào)IM量化為較小的比特?cái)?shù)，該比特為脈沖碼調(diào)制 (PCM)數(shù)據(jù)。A-E調(diào)制是一種結(jié)合了過(guò)采樣的調(diào)制機(jī)制，以減少PCM數(shù)據(jù)量化噪聲和用較 小比特?cái)?shù)提供高分解力。當(dāng)半橋PWM放大器10是音頻系統(tǒng)的音頻放大器時(shí)，例如，過(guò)采樣 音頻輸入信號(hào)分解力太高而不能直接變換為PWM信號(hào)。在這種情況下，必須降低音頻輸入 信號(hào)的分解力到一個(gè)合適的等級(jí)，以便使用A- E調(diào)制器110來(lái)將其變換為PWM信號(hào)。圖4是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示范性實(shí)施例的、圖3中所示的A- E調(diào)制器110 的示意圖。參見(jiàn)圖4，A - E調(diào)制器110包括加法器111、環(huán)路濾波器112和M比特的編碼器 113。因而，A-E調(diào)制器110的輸出信號(hào)0M是M比特的量化信號(hào)。在該示范性實(shí)施例中， M遠(yuǎn)小于PCM數(shù)據(jù)也就是輸入信號(hào)IM的比特?cái)?shù)。例如，當(dāng)PCM數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為16或20比特 時(shí)，A-E調(diào)制器110的輸出信號(hào)的長(zhǎng)度為4或5比特。圖5是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示范性實(shí)施例的、圖3中所示的三電平PWM發(fā)生器 120的框圖。參見(jiàn)圖5，三電平PWM發(fā)生器120根據(jù)輸入到其的輸出信號(hào)0M的幅度(或電 平)來(lái)改變脈沖的寬度，由此產(chǎn)生PWM輸出信號(hào)PWM_0ut。三電平PWM發(fā)生器120可以是模 擬PWM發(fā)生器。三電平PWM發(fā)生器120包括斜坡發(fā)生器122、第一比較器121a、第二比較器 121b以及加法器123。斜坡發(fā)生器122產(chǎn)生第一鋸齒波信號(hào)SA1和第二鋸齒波信號(hào)SA2。如圖7所示，第 一鋸齒波信號(hào)SA1可以在第一電平和參考電平之間周期性地上升或下降，第一電平例如是 預(yù)定的正電壓，參考電平例如是地電平，第二鋸齒波信號(hào)SA2可以具有與第一鋸齒波信號(hào) SA1相同的波形，但是周期性地在參考電平和第二電平之間上升或下降，第二電平例如是預(yù) 定的負(fù)電壓。第一鋸齒波信號(hào)SA1在第一電平和參考電平之間擺動(dòng)，第二鋸齒波信號(hào)SA2 在參考電平和第二電壓之間擺動(dòng)。第二鋸齒波信號(hào)SA2可以是比第一鋸齒波信號(hào)SA1的電 平下降一個(gè)擺動(dòng)寬度并且可以具有與第一鋸齒波信號(hào)SA1相同波形的信號(hào)。在本發(fā)明構(gòu)思 的實(shí)施例中，第一電平是VDD電平，參考電平是地電平，第二電平是VSS電平；然而，本發(fā)明 構(gòu)思并不局限于這些實(shí)施例。第一比較器121a將第一鋸齒波信號(hào)SA1和第一輸入信號(hào)0M1進(jìn)行比較，并輸出第 一 PWM信號(hào)PWM_01。第二比較器121b將第二鋸齒波信號(hào)SA2和第二輸入信號(hào)0M2比較，并 輸出第二 PWM信號(hào)PWM_02。加法器123將第一比較器121a的第一 PWM信號(hào)PWM_01和第二 比較器121b的第二 P麗信號(hào)PWM_02相加，輸出PWM輸出信號(hào)PWM_0ut。第一輸入信號(hào)可以是A-E調(diào)制器110的輸出信號(hào)0M中電平比參考電平高或等 于參考電平的信號(hào)，參考電平為地電平“0”，第二輸入信號(hào)可以是A- E調(diào)制器110的輸出 信號(hào)0M中電平比“0”低或等于“0”的信號(hào)。當(dāng)?shù)谝惠斎胄盘?hào)0M1大于第一鋸齒波信號(hào)SA1 時(shí)，第一比較器121a在第一電平、也就是VDD電平處輸出第一 PWM信號(hào)PWM_01，以及當(dāng)?shù)?一輸入信號(hào)0M1小于第一鋸齒波信號(hào)SA1時(shí)，第一比較器121a在參考電平、也就是地電平處輸出第一 PWM信號(hào)PWM_01。當(dāng)?shù)诙斎胄盘?hào)0M2大于第二鋸齒波信號(hào)SA2，第二比較器121b輸出第二 PWM信號(hào)PWM_02在參考電平，也就是地電平，以及當(dāng)?shù)诙斎胄盘?hào)0M2小于 第二鋸齒波信號(hào)SA2，第二比較器121b輸出第二 PWM信號(hào)PWM_02在第二電平，也就是VSS 電平。因而，三電平PWM發(fā)生器120輸出具有三個(gè)電平的PWM輸出信號(hào)PWM_0ut，即第一 電平、第二電平和參考電平?？商鎿Q地，三電平PWM發(fā)生器120可以根據(jù)輸入信號(hào)0M的電 平通過(guò)計(jì)數(shù)數(shù)字時(shí)鐘產(chǎn)生PWM輸出信號(hào)PWM_0ut。圖6是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示范性實(shí)施例的、圖3中所示的輸出級(jí)140的電路 圖。輸出級(jí)140基于三電平PWM輸出信號(hào)PWM_0ut驅(qū)動(dòng)輸出節(jié)點(diǎn)NO至第一電源電壓VDD、 第二電源電壓VSS或第三電源電壓GND。參見(jiàn)圖6，輸出級(jí)140包括上拉晶體管(pull-up transistor) PUT，下拉晶體管(pull-down transistor) PDT 和轉(zhuǎn)換單元 SW。上拉晶體管PUT連接在第一電源電壓VDD和輸出節(jié)點(diǎn)NO之間，根據(jù)第一使能信號(hào) VDD_EN驅(qū)動(dòng)輸出節(jié)點(diǎn)N0至第一電源電壓。圖3的半橋PWM放大器可以用于音頻系統(tǒng)。圖6 示出音頻系統(tǒng)中輸出級(jí)140。輸出節(jié)點(diǎn)N0連接至音頻系統(tǒng)的負(fù)載141的一端，例如，耳機(jī)、 耳塞或頭戴設(shè)備。負(fù)載141的另一端連接到地。下拉晶體管PDT連接于輸出節(jié)點(diǎn)N0和第 二電源電壓VSS之間，并且響應(yīng)于第二使能信號(hào)VSS_EN驅(qū)動(dòng)輸出節(jié)點(diǎn)N0至第二電源電壓 VSS。轉(zhuǎn)換單元SW連接于輸出節(jié)點(diǎn)N0和第三電源電壓GND之間，并且響應(yīng)于第三使能 信號(hào)GND_EN來(lái)導(dǎo)通和關(guān)斷。當(dāng)轉(zhuǎn)換單元SW導(dǎo)通時(shí)，輸出節(jié)點(diǎn)N0連接至第三電源電壓GND， 也就是接地，輸出節(jié)點(diǎn)N0處的電壓變成地電平。轉(zhuǎn)換單元SW可以包括至少一個(gè)開(kāi)關(guān)，該開(kāi) 關(guān)可以用例如晶體管或傳輸門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)。再回到圖3，映射器130根據(jù)PWM輸出信號(hào)PWM_0ut來(lái)產(chǎn)生第一至第三使能信號(hào) VDD_EN、VSS_EN和GND_EN，這些將在下文進(jìn)行詳細(xì)描述。圖7以及圖8A和圖8B是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示范性實(shí)施例的半橋PWM放大器 10的操作的波形圖。圖7是輸入到三電平PWM發(fā)生器120的信號(hào)0M1、0M2、SA1和SA2的 波形圖。圖8A和圖8B是PWM輸出信號(hào)PWM_0ut的波形圖。半橋PWM放大器10的操作將參照?qǐng)D3至圖8B來(lái)進(jìn)行描述。在大于零輸入信號(hào)(也即輸出信號(hào)0M)的正輸入信號(hào)(也即第一輸入信號(hào)0M1)被 輸入的時(shí)間段里，第一比較器121a將第一鋸齒波信號(hào)SA1和第一輸入信號(hào)0M1進(jìn)行比較， 當(dāng)?shù)谝惠斎胄盘?hào)0M1大于第一鋸齒波信號(hào)SA1時(shí)輸出第一電源電壓VDD，并且當(dāng)?shù)谝惠斎胄?號(hào)0M1小于第一鋸齒波信號(hào)SA1時(shí)輸出第三電源電壓GND，如圖8A和8B所示。在此期間， 如圖8B所示，第二比較器121b輸出最小脈沖信號(hào)，該最小脈沖信號(hào)具有預(yù)定的最小脈寬并 且在第二鋸齒波信號(hào)SA2的每個(gè)周期都具有第二電源電壓VSS，例如，每次第二鋸齒波信號(hào) SA2為零時(shí)。PWM輸出信號(hào)PWM_0ut的脈寬可以從預(yù)定的最小值變化到預(yù)定的最大值。最小 脈沖是在PWM輸出信號(hào)PWM_0ut的脈沖中具有最小寬度的脈沖，并且可以稱(chēng)為回零脈沖 (return-zero pulse)0在小于零輸入信號(hào)的負(fù)輸入信號(hào)(也即第二輸入信號(hào)0M2)被輸入的時(shí)間段里，第 二比較器121b將第二鋸齒波信號(hào)SA2和第二輸入信號(hào)0M2進(jìn)行比較，當(dāng)?shù)诙斎胄盘?hào)0M2大于第二鋸齒波信號(hào)SA2時(shí)，輸出第三電源電壓GND，并且當(dāng)?shù)诙斎胄盘?hào)0M2小于第二鋸齒波信號(hào)SA2時(shí)輸出第二電源電壓VSS，如圖8A和圖8B所示。在此期間，如圖8B所示，第 一比較器121a輸出最小脈沖信號(hào)，該最小脈沖信號(hào)具有預(yù)定的最小脈寬并且在第一鋸齒 波信號(hào)SA1的每個(gè)周期具有第一電源電壓VDD，例如，每次第一鋸齒波信號(hào)SA1為零時(shí)。因此，通過(guò)將第一 P麗信號(hào)PWM_01和第二 P麗信號(hào)PWM_02總計(jì)而得到的P麗輸出 信號(hào)PWM_0UT可以是一個(gè)具有第一電源電壓VDD、第二電源電壓VSS和第三電源電壓GND的 三電平脈沖信號(hào)，其中PWM_01由第一比較器121a輸出，PWM_02由第二比較器121b輸出，， 如圖8A所示。如果第一比較器121a和第二比較器121b輸出最小脈沖，即回零脈沖，PWM輸 出信號(hào)PWM_0ut可以包括脈沖，如圖8B所示。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，輸入信號(hào)0M1和0M2在圖7中示為模擬正弦信號(hào)；然而，與鋸齒波 信號(hào)SA1和SA2相比較的信號(hào)可以是A - E調(diào)制信號(hào)并由此具有與圖7中所示的輸入信號(hào) 0M1和0M2不同的波形。另外，為了描述的清楚起見(jiàn)，在圖5中所示的實(shí)施例中第一比較器121a和第二比 較器121b是分開(kāi)提供的；然而本發(fā)明構(gòu)思不局限于這些實(shí)施例。例如，第一比較器121a和 第二比較器121b可以組合成一個(gè)比較器，該比較器在接收正的輸入信號(hào)期間將大于零的 正輸入信號(hào)(即第一輸入信號(hào)0M1)與第一鋸齒波信號(hào)SA1進(jìn)行比較并輸出PWM輸出信號(hào) PWM_0ut，以及在接收負(fù)輸入信號(hào)期間，將小于零的負(fù)的輸入信號(hào)(即第二輸入信號(hào)0M2)與 第二鋸齒波信號(hào)SA2進(jìn)行比較并輸出PWM輸出信號(hào)PWM_0ut。圖9A-9C是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示范性實(shí)施例的、根據(jù)PWM輸出信號(hào)PWM_0ut 的不同電平在圖6示出的輸出級(jí)140的操作的電路圖。圖10是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示 范性實(shí)施例的、表示圖3中所示的映射器130的表格。圖11是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示范 性實(shí)施例的、表示PWM輸出信號(hào)PWM_0ut的不同電平的信號(hào)的示意圖。參見(jiàn)圖9A-9C、圖10和圖11，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示范性實(shí)施例的PWM發(fā)生器 的輸出信號(hào)，也就是，PWM輸出信號(hào)PWM_0ut具有三個(gè)電平，例如高電平VDD、零電平GND以 及低電平VSS，如圖11所示。因而，輸出級(jí)140根據(jù)PWM輸出信號(hào)PWM_0ut的電平在三個(gè)模 式下工作，如圖9A-9C所示。如圖10所示，為了圖9A-9C中所示的輸出級(jí)140的運(yùn)行，映射 器130根據(jù)PWM輸出信號(hào)PWM_0ut選擇性地激活使能信號(hào)VDD_EN、VSS_EN以及GND_EN。如圖9A所示，當(dāng)PWM輸出信號(hào)PWM_0ut位于高電平VDD時(shí)，只有第一使能信號(hào)VDD_ EN激活至“0”，其它使能信號(hào)VSS_EN和GND_EN抑制為“0”，以使得輸出級(jí)140驅(qū)動(dòng)輸出 節(jié)點(diǎn)NO至第一電源電壓VDD。如圖9C所示，當(dāng)PWM輸出信號(hào)PWM_0ut位于低電平VSS時(shí)， 只有第二使能信號(hào)VSS_EN激活至“ 1 ”，其它使能信號(hào)VSS_EN和GND_EN分別抑制為“ 1 ”和 “0”，以使得輸出級(jí)140驅(qū)動(dòng)輸出節(jié)點(diǎn)NO至第二電源電壓VSS。如圖9B所示，當(dāng)PWM輸出信 號(hào)PWM_0ut位于零電平GND時(shí)，只有第三使能信號(hào)GND_EN激活至“ 1 ”，其它使能信號(hào)VDD_ EN和VSS_EN分別抑制為“ 1 ”和“0”，以使得輸出級(jí)140驅(qū)動(dòng)輸出節(jié)點(diǎn)NO至第三電源電壓 GND。圖12是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一個(gè)示范性實(shí)施例的放大器輸入信號(hào)IM的波形圖。 圖13A-13H是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示范性實(shí)施例的、針對(duì)圖12所示的放大器輸入信號(hào)IM 的三電平PWM輸出信號(hào)PWM_0ut的波形圖。如圖12所示，放大器輸入信號(hào)IM在正峰值電 壓MAX和負(fù)峰值電壓MIN之間擺動(dòng)。對(duì)于圖12中放大器輸入信號(hào)IM的八個(gè)不同階段(1)到(8)，P麗輸出信號(hào)PWM_0ut轉(zhuǎn)換為三個(gè)電平VDD、GND和VSS中的一個(gè)，如圖13A-13H所不。對(duì)于在圖12中輸入信號(hào)IM從零電壓向正峰值電壓MAX增長(zhǎng)的階段(1)，PWM輸出 信號(hào)PWM_0ut在電平VDD上具有增加的脈寬，如圖13A的波形(1)所示。此時(shí)，在PWM輸出 信號(hào)PWM_0ut每個(gè)周期可以輸出具有VSS電平的最小脈沖。除了具有在VDD電平處增加的 脈寬的脈沖之外，PWM輸出信號(hào)PWM_0ut以地電平GND輸出，從而避免了不必要的靜態(tài)電流 的發(fā)生。當(dāng)圖12中在階段(2)輸入信號(hào)IM到達(dá)正的峰值電壓MAX時(shí)，PWM輸出電壓在電平 VDD處具有最大的脈寬，如圖13B的波形(2)所示。當(dāng)圖12中在階段(3)輸入信號(hào)IM從 正的峰值電壓MAX向零電壓下降時(shí)，PWM輸出信號(hào)PWM_0ut在電平VDD上具有減少的脈寬， 如圖13C的波形(3)所示。當(dāng)圖12中階段⑷輸入信號(hào)IM為“0”時(shí)，PWM輸出信號(hào)PWM_ Out輸出最長(zhǎng)時(shí)間的地電平GND，如圖13D的波形⑷所示。如圖1和2所示，當(dāng)輸入信號(hào)為零，典型的二電平PWM輸出信號(hào)以占空比50 50 在VDD電平和VSS電平之間切換，而沒(méi)有地電平GND。結(jié)果是，靜態(tài)電流被消耗最大。相反， 當(dāng)使用根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)示范性實(shí)施例的三電平PWM放大器時(shí)，對(duì)于零電壓輸入幾乎 沒(méi)有任何靜態(tài)電壓消耗。對(duì)于圖12中輸入信號(hào)IM從零電平向負(fù)峰值電壓MIN下降的階段(5)，P麗輸出信 號(hào)PWM_0ut在電平VSS上具有增長(zhǎng)的脈寬，如圖13E的波形(5)所示。此時(shí)，除了在VSS電 平具有增加的脈寬的脈沖之外，PWM輸出信號(hào)PWM_0ut在地電平GND輸出，由此避免了不必 要的靜態(tài)電流的發(fā)生。當(dāng)在圖12中在階段(6)輸入信號(hào)IM到達(dá)負(fù)的峰值電壓MIN時(shí)，PWM輸出電壓在 電平VSS處具有最大的脈寬，如圖13F的波形(6)所示。當(dāng)在圖12中的階段(7)輸入信號(hào) IM從負(fù)的峰值電壓MIN向零電平上升時(shí)，PWM輸出信號(hào)PWM_0ut在電平VSS處具有減少的 脈寬，如圖13G的波形(7)所示。當(dāng)在圖12中在階段⑶輸入信號(hào)IM為“0”時(shí)，麗輸出 信號(hào)PWM_0ut輸出最長(zhǎng)時(shí)間的地電平GND，如圖13H的波形⑶所示。如上所述，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示范性實(shí)施例，在不需要輸出信號(hào)分量的時(shí)間段期 間，三電平P麗放大器在地電平上輸出PWM輸出信號(hào)，由此顯著的遏制靜態(tài)電流。當(dāng)使用典 型的二電平PWM放大器時(shí)，由于電平VDD和電壓VSS之間失配導(dǎo)致的DC偏移會(huì)出現(xiàn)突發(fā)噪 聲(pop-up noise)。當(dāng)使用一個(gè)根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示范性實(shí)施例的三電壓PWM放大器時(shí)， 因?yàn)榇蠖鄶?shù)時(shí)間輸入信號(hào)為零，此時(shí)PWM輸出信號(hào)處于地電平，所以電壓失配造成的DC偏 移大多都被遏制了。因而，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示范性實(shí)施例的三電壓PWM放大器通過(guò)減少靜態(tài)電流來(lái) 提高效率，從而減少了系統(tǒng)的功耗并增加了工作時(shí)間。因而，本發(fā)明為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了便利 性和可靠性。本發(fā)明構(gòu)思的示范性實(shí)施例可以具體實(shí)施在硬件、軟件、程序包或其組合中。本發(fā)明可以具體實(shí)施為計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上的計(jì)算機(jī)可讀代碼。計(jì)算機(jī)可讀記錄 介質(zhì)是任意可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為程序的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，這些程序之后可以通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行 讀取。計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)的例子可以包括只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、 CD-ROM、磁帶、軟盤(pán)以及光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。計(jì)算機(jī)可讀傳輸介質(zhì)可以傳輸載波或信號(hào)，例如通過(guò)因特網(wǎng)傳輸有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)可以也分布于與計(jì)算機(jī)耦接的網(wǎng) 絡(luò)，這樣，計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)就可以以分布式進(jìn)行存儲(chǔ)和運(yùn)行。而且，用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的 功能程序、代碼和代碼段可以容易由本發(fā)明構(gòu)思所屬的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)解釋。
盡管參照本發(fā)明示范性實(shí)施例具體示出并描述了本發(fā)明構(gòu)思，但是本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員將理解的是，在不脫離如所附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明構(gòu)思的精神和范圍下，可 以在這里在形式和細(xì)節(jié)上進(jìn)行各種變化。
權(quán)利要求
一種三電平半橋脈寬調(diào)制PWM放大器，包括PWM發(fā)生器，被配置為根據(jù)輸入信號(hào)的幅度來(lái)改變?cè)诘谝浑娖交虻诙娖教幍拿}寬，并輸出具有第一電平、第二電平和參考電平的三電平PWM輸出信號(hào)；以及輸出級(jí)，被配置為基于所述三電平PWM輸出信號(hào)將連接至負(fù)載的一端的輸出節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)至第一電源電壓、第二電源電壓以及第三電源電壓中的一個(gè)電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的三電平半橋PWM放大器，其中，所述PWM發(fā)生器通過(guò)將第一PWM 信號(hào)和第二 PWM信號(hào)相加來(lái)輸出三電平PWM輸出信號(hào)，第一 PWM信號(hào)通過(guò)根據(jù)大于輸入信 號(hào)的參考電平的、輸入信號(hào)的第一輸入信號(hào)的幅度來(lái)改變第一電平處的脈寬來(lái)獲得，第二 PWM信號(hào)通過(guò)根據(jù)小于輸入信號(hào)的參考電平的、輸入信號(hào)的第二輸入信號(hào)的幅度來(lái)改變第 二電平處的脈寬來(lái)獲得。
3.如權(quán)利要求2所述的三電平半橋PWM放大器，其中，參考電平是地電平，第一輸入信 號(hào)是正輸入信號(hào)，第二輸入信號(hào)是負(fù)輸入信號(hào)。
4.如權(quán)利要求3所述的三電平半橋PWM放大器，其中，所述PWM發(fā)生器包括第一比較器，被配置為將正輸入信號(hào)與第一鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較以及產(chǎn)生第一 PWM信 號(hào)，其中第一鋸齒波信號(hào)在第一電平和參考電平之間擺動(dòng)；第二比較器，被配置為將負(fù)輸入信號(hào)與第二鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較以及產(chǎn)生第二 PWM信 號(hào)，其中第二鋸齒波信號(hào)在第二電平和參考電平之間擺動(dòng)；其中，第二鋸齒波信號(hào)是比第一鋸齒波信號(hào)的電平下降一個(gè)擺動(dòng)寬度并與第一鋸齒波 信號(hào)具有相同的波形的信號(hào)。
5.如權(quán)利要求4所述的三電平半橋PWM放大器，其中第三電源電壓具有地電平，第一電 源電壓是比第三電源電壓高的正電壓，第二電源是比第三電源電壓低的負(fù)電壓。
6.如權(quán)利要求1所述的三電平半橋PWM放大器，其中，所述輸出級(jí)包括 上拉單元，被配置為響應(yīng)于第一使能信號(hào)，驅(qū)動(dòng)輸出節(jié)點(diǎn)至第一電源電壓； 下拉單元，被配置為響應(yīng)于第二使能信號(hào)，驅(qū)動(dòng)輸出節(jié)點(diǎn)至第二電源電壓； 轉(zhuǎn)換單元，被配置為響應(yīng)于第三使能信號(hào)，驅(qū)動(dòng)輸出節(jié)點(diǎn)至第三電源電壓。
7.如權(quán)利要求6所述的三電平半橋PWM放大器，其中，所述上拉單元包括連接于輸出節(jié) 點(diǎn)和第一電源電壓之間并且響應(yīng)于第一使能信號(hào)而導(dǎo)通的上拉晶體管；所述下拉單元包括連接于輸出節(jié)點(diǎn)和第二電源電壓之間并且響應(yīng)于第二使能信號(hào)而 導(dǎo)通的下拉晶體管；所述轉(zhuǎn)換單元包括至少一個(gè)連接于輸出節(jié)點(diǎn)和第三電源電壓之間并且響應(yīng)于第三使 能信號(hào)而導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)。
8.如權(quán)利要求1所述的三電平半橋PWM放大器，其中，所述輸入信號(hào)為Δ-Σ調(diào)制信號(hào)。
9.如權(quán)利要求1所述的三電平半橋PWM放大器，其中，所述負(fù)載的另一端接地。
10.一種包括三電平半橋PWM放大器的音頻系統(tǒng)，其中，所述三電平半橋PWM放大器包括PWM發(fā)生器，被配置為根據(jù)輸入信號(hào)的幅度來(lái)改變第一電平或第二電平處的脈寬，并輸 出具有第一電平、第二電平和參考電平的三電平PWM輸出信號(hào)；以及輸出級(jí)，被配置為基于所述三電平PWM輸出信號(hào)將連接至負(fù)載的一端的輸出節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)至第一電源電壓，第二電源電壓以及第三電源電壓中的一個(gè)電壓 。
全文摘要
本發(fā)明提出一種三電平半橋PWM放大器，包括PWM發(fā)生器和輸出級(jí)。PWM發(fā)生器根據(jù)輸入信號(hào)的幅度來(lái)改變第一電平或第二電平處的脈寬并輸出具有第一電平、第二電平和參考電平的三電平PWM輸出信號(hào)。輸出級(jí)基于三電平PWM輸出信號(hào)將連接至負(fù)載的一端的輸出節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)至第一電源電壓、第二電源電壓或第三電源電壓。因此，減少了不必要的靜態(tài)電流消耗，由此提高了效率。
文檔編號(hào)H03G5/16GK101826846SQ20101017532
公開(kāi)日2010年9月8日 申請(qǐng)日期2010年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月3日
發(fā)明者金奉柱 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社