CN100492891C - 数字放大器 - Google Patents

Abstract

最近，D类音频放大器的使用已变得越来越普遍。相比于通常采用的AB类线性放大技术，D类放大器允许提高的效率。然而，D类的原理因其不良的失真特性而众所周知。依据本发明，测量端级(6)的开关延迟，并且所述开关延迟用于补偿由端级(6)的滞后时间引起的失真。这可以通过修改功率级的开关延迟来实现。以这种方式，校正输出脉冲持续时间以反映输入工作周期。有利地，可以补偿由设备特性发散、老化、电流和温度引起的开关时间的变化。

Description

数字放大器

技术领域

本发明涉及直接将数字信号转换成功率输出的数字放大器的领域。更具体地，本发明涉及一种数字放大器，涉及一种用于校正数字放大器的电桥的开关的开关定时误差的开关定时校正器，以及涉及一种校正数字放大器的电桥的开关的脉冲定时误差的方法。

背景技术

已经研制出几种类型的功率放大器输出级。便利地，将它们标记为例如A类放大器、B类放大器和C类放大器。更近一些，出现了D类放大器。A、B、AB和D类在低频音频设计中是普遍的，并在其它领域中具有一些应用，比如伺服电动机驱动和RP放大。C类、E类和F型通常仅用于RF应用。

近年来，由于与通常采用的朋类线性放大技术相比D类放大器急剧提高的效率，所以特别是D类放大器已经变得日益普遍。通常在CarstenNielsen的“High Fidelity PWM based Amplifier Concept for Active SpeakerSystems with a very low Energy Consumption”(100^th AES Convention，哥本哈根，1996年5月，预印本4259)中说明了D类放大器，因此将其结合以供参考。

D类放大器的发展表明为提高放大器效率的努力。在方案上类似于开关调节器，D类放大器利用较高频率的方波来脉宽调制音频输入信号，以使音频信号信息变成调制信号的脉宽的变化。该调制信号馈给一组半桥开关(通常被称为H桥)，并且每一H桥由两个功率MOSFET组成。不像A或B类结构，放大器负载或扬声器被放置跨过桥的腿，而不是从输出至地。该结构允许放大器再现低至20Hz的低频信号，而不需要双极性电源或不会在输出中引入DC偏移。

尽管变得越来越普遍，但D类音频放大器因其不良的失真特性而众所周知。过去尝试了滤波所调制的输出以去除高频信号，并恢复放大的输入信号。诸如双极巴特沃兹(Butterworth)滤波器、双极切比雪夫(Chebyshev)或双极贝塞尔(Bessel)滤波器之类的滤波器结构是已知的，它们没有给出令人满意的结果或者会引起相当大的工作量和成本。

发明内容

本发明的目的是减小数字放大器中的失真。

如在此使用的，术语“数字放大器”适用于直接转换成功率输出的放大器。

依据本发明的示例性实施例，利用包括具有开关的半桥系统和开关定时校正电路的数字放大器可以实现上面的目的。将开关的输入信号和输出信号施加至开关定时校正电路。依据本发明的一个方面，基于开关的输入信号和开关的输出信号的脉冲定时误差，开关定时校正电路校正开关的开关定时误差。

依据本发明的一个方面，已经发现数字放大器的失真的相当大的部分是由功率级中开关的脉冲失真引起的。特别是，依据本发明已经发现，在脉冲失真的区域中，开关的滞后时间是引起不想要的失真的主要影响因素。

因此，对于如上所述的本发明，诸如开关的滞后时间特性之类的开关定时误差的直接补偿是直接进行补偿的，这允许以简单的方式减小依据本发明的数字放大器的总谐波失真(THD)。在具有依据本发明的开关时间校正的PWM放大器的情况下，有利地，仅减小的反馈需要达到令人满意的THD图。

滞后时间也可以随着开关中的电流而变化，因为体二极管(bodydiode)中的电流衰减会引起开关的断开时间的变化。同样，利用本发明的装置和/方法可以补偿这些变化。

依据其中试图通过电路调节来最小化开关的滞后时间的已知的解决方案，在这种情况中，需要对每一端级(end stage)的昂贵的微调，本发明允许使每一端级的这种单独微调变得不必要。此外，依据本发明，可以补偿基于时间和温度的变化。

依据本发明的示例性实施例，通过延迟输入信号的脉冲的上升沿和下降沿中的至少一个来校正开关的开关定时误差。这允许定时误差的简单而快速的校正。

依据本发明的另一示例性实施例，在提供给开关的脉冲的接通延迟和由开关输出的脉冲响应的断开延迟之间的接通/断开差用于产生误差信号，所述误差信号用于校正开关的开关定时误差。本发明的此示例性实施例允许用于确定开关的脉冲定时误差的非常简单的电路结构。

依据本发明的另一示例性实施例，从一个开关周期产生误差信号，并且所述误差信号影响随后一个开关周期的开关沿，举例来说，比如直接跟随的周期的开关沿。

依据本发明的另一示例性实施例，通过在预定数目的开关周期上对相应于开关的脉冲定时误差的误差信号进行平均来减小分谐波注入(injection)。有利地，这可允许几乎完全地减小数字滤波器的输出信号的失真。

依据本发明的另一示例性实施例，提供一种用于产生误差信号的非常简单而可靠的电路，这允许以低成本制造依据本发明的数字放大器。

依据本发明的另一示例性实施例，提供一种用于校正数字放大器的电桥的开关的开关定时误差的开关定时校正器。依据本发明的所述示例性实施例的开关定时校正器包括脉冲沿延迟检测器，用于检测在提供给开关的脉冲的接通延迟和由开关输出的脉冲响应的断开延迟之间的接通/断开差。基于此接通/断开差，产生误差信号，该误差信号用于通过延迟开关的输入信号的脉冲的上升沿和下降沿中的至少一个来校正开关的开关定时误差。可以有利地将依据本发明的这种开关定时校正器提供给数字滤波器的端级，以减小放大器的输出信号的失真。

本发明的其他方面提供了依据本发明的开关定时校正器的示例性实施例，其具有简单而可靠的电路结构，这允许以低成本制造依据本发明的开关定时校正器。依据本发明的一个方面，可以在与数字放大器相同的模块或集成电路IC上提供依据本发明的开关定时校正器。

本发明的其他方面提供了一种用于校正数字放大器的电桥的开关的脉冲定时误差的方法的示例性实施例，这允许以减小的失真和减小的总谐波失真(T肋)来操作数字放大器。

下述可以被看作是本发明的示例性实施例的要点：依据本发明，提供一种用于测量数字放大器和补偿电路的电桥结构的开关的开关延迟的测量电路，这允许通过修改功率级的开关延迟来补偿这些失真。通过这样，校正输出脉冲持续时间以更准确地反映输入工作周期(duty cycle)。可以以简单的方式校正由设备特性发散(spread)、老化、电流和温度引起的开关时间的变化。

附图说明

参考下文中所述的实施例并参考下面的附图，本发明的这些和其它方面是显而易见的并将被阐明：

图1示出了依据本发明包括依据本发明的开关定时校正器的示例性实施例的数字放大器的示例性实施例的示意图。

图2是图1的数字放大器的端级的输入信号和输出信号的时间图，用于进一步解释本发明的一个方面。

图3示出了如可以用于图1中示出的数字放大器的依据本发明的开关定时校正器的示例性实施例的简化示意图。

图4示出了如可以用于图3中示出的开关定时校正器的依据本发明的误差信号发生器的示例性实施例的简化电路图。

图5示出了一个时间图，用于进一步解释在图4中示出的误差信号发生器的操作的示例性实施例。

图6示出了如可以用于图3中示出的开关定时校正器的依据本发明的示例性实施例的开关定时校正电路的简化电路图。

具体实施方式

在下面将参考附图说明本发明的示例性实施例。在下面的说明中，参考了本发明可以应用的D类放大器。D类放大器通常具有全桥，其通常被称作H桥。尽管事实是将参考D类放大器的示例性实施例说明本发明，但对本领域技术人员来说显而易见的是，本发明不限于D类放大器，而是可以适用于任何种类的数字放大器，其中失真是由用于数字放大器的开关的开关定时误差引起的。本发明也可以应用于半桥结构。

图1示出了依据本发明用于将音频信号转换成功率输出的数字放大器的第一示例性实施例的简化示意性框图。图1中所示的数字放大器是D类放大器。图1中的参考数字2表示输出音频信号至调制器4的音频源。调制器4利用高频率的方波来脉宽调制音频信号，以使调制器4的输出处的信号14的输出包括作为调制信号的脉宽变化的音频信号信息。所述调制信号14馈给端级6，通常为一组半桥开关，比如H桥。通常，每一H桥由两个功率MOSFET组成。将端级6的输出信号16馈入滤波器8，该滤波器8用于在将滤波器8的输出信号施加至扬声器10之前对信号进行滤波。不像A或B类结构，放大器负载即扬声器10跨接在端级6的腿上，而不是从输出至地。需要注意，也可以在D类半桥体系结构中实施本发明。在将本发明应用至D类半桥体系结构中的情况下，扬声器然后连接至半电源(halfsupply)，或通过一系列电容。

参考数字12表示依据本发明的示例性实施例的开关定时校正器PEC，用于基于端级6的输入信号14和端级6的输出信号16之间的脉冲定时误差来校正端级6的开关的开关定时误差。为此，如可以从图1中获得的，信号14和16被馈入开关定时校正器12，并且如箭头18所示。开关定时校正器12基于输入信号14和输出信号16来校正端级6的开关的脉冲定时误差。

图2示出了简化的时间图，其中画出端级6的输入信号14和端级6的输出信号16的草图，以用于进一步说明本发明的一个方面。特别是，在图2中示出了输入信号14的脉冲和端级6的它的脉冲响应，也就是输出信号16的脉冲26。图2示出了通过接通延迟20来相对于脉冲24的上升沿28延迟脉冲26的上升沿30。同样，通过断开延迟22来相对于脉冲24的下降沿32延迟脉冲26的下降沿34。

如上面提到的，将音频信号的信息编码成信号14的脉宽。因此，相对于输入信号14的输出信号16的工作周期中的失真引起放大器的失真。换句话说，在接通延迟20具有与断开延迟22相同的大小的情况下，在输出信号16中没有引起失真。然而，如在图2的情况中，在端级6中的开关通常引起不同于断开延迟22的接通延迟20。

依据本发明，开关定时校正器12测量该接通/断开延迟差，也就是接通延迟20和断开延迟22的长度差，并利用该接通/断开延迟来补偿或校正输出信号16。特别是，依据本发明的一个方面，为了补偿输出信号16而移位接通延迟。

接通延迟20和断开延迟22之间的接通/断开延迟差的测量可以在数字装置中通过递增/递减计数器以及在线性设备中通过对电容器进行充电和放电来实现。在将数字系统应用到高频开关系统的情况下，相应地不得不适应时间分辨率。

在下面，参考图3说明开关定时校正器12的示例性实施例，该图3示出了依据本发明的示例性实施例的开关定时校正器的简化电路图。为了简化，如图1中使用的相同的参考数字表示相同或相应的元件。

在图3中所示的开关定时校正器由误差信号发生器40和开关定时校正电路48组成，其在这种情况中被并入与端级6相同的模块或IC中。将输入信号14提供给开关定时校正电路48以及误差信号发生器40。在误差信号发生器40中，将输入信号14提供给断开延迟测量电路42以及接通延迟测量电路44。将端级6的输出信号16也提供给误差信号发生器40，其中该输出信号16被提供给断开延迟测量电路42和接通延迟测量电路44。接通延迟测量电路44确定如图2所示的接通延迟20。断开延迟测量电路42确定如图2所示的断开延迟22。断开延迟测量电路42提供断开延迟给差确定器46，比如减法器，其也接收来自接通延迟测量电路44的接通延迟测量。

减法器46提供在接通延迟20和断开延迟22之间的接通/断开差给开关定时校正电路48，所述开关定时校正电路校正在后面的开关周期中的开关定时。详细而言，开关定时校正。电路48增大输入信号14的随后的上升沿28的接通延迟，并提供受控输入信号14给包括开关的半桥50，以使输出信号15具有与输入信号14相同的工作周期。

换句话说，在图3中示出的开关定时校正器中，通过误差信号发生器40确定接通延迟和断开延迟之间的的差。所述信息用于控制开关定时发生器电路48，所述开关定时发生器电路增大输入信号14的随后的脉中的接通延迟20。依据本发明的一个方面，开关定时校正电路48仅移位接通沿，这对于在图2中示出的情况是足够的，其中断开延迟22大于接通延迟22。然而，如果端级的断开延迟固有地短于接通延迟20，则可以在开关定时校正电路48中提供断开延迟增大单元，以移位断开沿。依据本发明的另一方面，可以提供开关定时校正电路48，以用于移位输入信号14的脉冲的接通沿和断开沿。取代基于来自如上所述的一个开关周期的测量来执行随后的开关周期的开关沿的移位，依据本发明的一个方面，也可以在预定数量的开关周期上执行接通延迟和断开延迟测量，并通过平均电路来平均这些测量。所述平均的测量然后用于补偿。有利地，这可以减小分谐波注入。

在下面，参考图4将说明用于输出误差信号至开关定时校正电路48的误差信号发生器的示例性实施例。

图4示出了依据本发明的示例性实施例的误差信号发生器的简化电路图。

如可从图4中获得的，输入信号14被输入至施密特触发器50，将施密特触发器50的输出信号输入至反相器54和与门60。反相器54的输出信号被输入至与门58。将输出信号16提供给另一个施密特触发器52，将所述施密特触发器的输出馈给另一反相器56和与门58。将反相器56的输出馈入与门60。

通过正向偏置的二极管64提供输出信号信号B给积分器70，所述积分器的输入通过电容器68接地。将与门60的输出信号信号A提供给另一反相器62，并通过反向偏置的二极管66提供给积分器70的输入。

现在参考图5说明在图4中示出的误差信号发生器的操作。图5示出了草拟下面的信号的简化时间图：输入信号14；输出信号16；信号A，也就是与门60的输出信号，其表示接通延迟20；信号B，也就是与门58的输出信号，其表示断开延迟22；以及积分器70的输出信号，如可从积分器70的输出信号获得的，在接通延迟20的过程中，也就是在信号A的接通时间过程中，积分器的输出信号减小，而它在断开延迟22的过程中增大，也就是在信号B的接通时间过程中。

依据本发明的一个方面，在图4中没有提供积分器70。取代积分器70的输出信号，电容器68两端的电压可被用作误差信号。

在下面，参考图6说明允许接通延迟增大的开关定时校正电路48的示例性实施例。图6示出了依据本发明的沿延迟发生器的简化电路图。

如可从图6中获得的，输入信号14用于启动开关66，所述开关被连接至MOSFET 62的栅极。此外，将输入信号14通过反相器76施加至开关64，以用于开关被连接至MOSFET 60的栅极的开关64。开关64开关在电流源70和受控电流源68之间的MOSFET 60的栅极，所述受控电流源68是通过误差信号控制的。

开关66开关在电流源74和受控电流源72之间MOSFET 62的栅极，所述受控电流源72是通过误差信号控制的。

栅驱动电路通常用于对MOSFET 60和62的栅电容进行充电和放电。当达到各自的阈值电压时，驱动的MOSFET 60和62被切换。依据本发明的一个方面，通过误差信号在外部控制这些栅驱动器，所述误差信号允许移位输入信号14的沿。

如可从图6中获得的，为了在确保MOSFET 60和62的定时误差的补偿的同时使用正常的栅驱动器，两个分离的电流控制，也就是受控电流源68和72被提供来控制MOSFET 60和62的栅电容的充电和放电。以这种方式，可以控制接通和断开延迟。

在图6中示出的电路中，通过减小高侧充电电流，也就是MOSFET 60的栅极的充电电流，并同时减小低侧放电电流，也就是MOSFET 62的栅极的放电电流，减慢了上升输出沿，从而增大了接通延迟。

对于本领域技术人员来说显而易见的是，取代在图6中提供的电路，通过输入线路中的数字延迟也可以实现沿延迟设备，比如通过数字采样和保持门。

Claims (13)

1、数字放大器，包括：具有开关的半桥系统；与半桥系统相连的开关定时校正器，开关的输入信号和输出信号施加到所述开关定时校正器，所述开关定时校正器包括：

开关定时校正电路，包括：脉冲沿延迟检测器，用于检测输出信号脉冲的上升沿相对于输入信号脉冲的上升沿的接通延迟与输出信号脉冲的下降沿相对于输入信号脉冲的下降沿的断开延迟之间的接通/断开差，所述输出信号脉冲是提供给开关的输入信号脉冲的脉冲响应；以及

误差信号发生器，用于基于接通/断开差产生误差信号；

其中误差信号对应于在开关的输入信号和开关的输出信号之间的脉冲定时误差；

并且其中开关定时校正电路基于误差信号来校正开关的开关定时误差。

2、权利要求1的数字放大器，其中通过延迟输入信号的脉冲的上升沿和下降沿中的至少一个，开关定时校正电路校正开关的开关定时误差。

3、权利要求1的数字放大器，其中从一个开关周期产生误差信号，并且所述误差信号影响随后开关周期的开关沿。

4、权利要求1的数字放大器，其中通过平均电路在预定数目的开关周期上对误差信号进行平均，以减小分谐波注入。

5、权利要求1的数字放大器，其中通过积分电容器产生误差信号；并且其中数字放大器是D类放大器。

6、用于校正数字放大器的电桥的开关的开关定时误差的开关定时校正器，所述开关定时校正器包括：脉冲沿延迟检测器，用于检测在提供给开关的脉冲的接通延迟和由开关输出的脉冲响应的断开延迟之间的接通/断开差；误差信号发生器，用于基于接通/断开差来产生误差信号；输入脉冲延迟电路，用于通过基于误差信号延迟输入信号的脉冲的上升沿和下降沿中的至少一个来校正开关的开关定时误差。

7、权利要求6的开关定时校正器，其中从一个开关周期产生误差信号，并且所述误差信号影响随后开关周期的开关沿。

8、权利要求6的开关定时校正器，其中通过平均电路在预定数目的开关周期上对误差信号进行平均，以减小分谐波注入。

9、权利要求6的开关定时校正器，其中通过积分电容器产生误差信号；并且其中开关定时校正器适于连接至D类放大器。

10、校正数字放大器的电桥的开关的脉冲定时误差的方法，所述方法包括下面的步骤：检测开关的输入和输出信号的上升和下降脉冲沿；产生相应于输入和输出信号的上升和下降脉冲沿之间的脉冲沿延迟的误差信号；以及基于该误差信号来校正开关的开关定时误差。

11、权利要求10的方法，其中通过延迟输入信号的脉冲的上升沿和下降沿中的至少一个来校正开关的开关定时误差。

12、权利要求10的方法，其中从一个开关周期产生误差信号，并且所述误差信号影响随后开关周期的开关沿。

13、权利要求10的方法，其中通过平均电路在预定数目的开关周期上对误差信号进行平均，以减小分谐波注入。

Images