CN100571021C - 无滤波电路的d类功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种用于无滤波电路的功率放大器的双参考波调制方案以减小电磁干扰(EMI)和共模电压。在该无滤波电路的功率放大器中，用于驱动负载阻抗的一对(两个)差动输出被反馈并根据输入音频信号而被校正。参考波发生器产生参考波。控制逻辑响应时钟信号或一参考电压，以及根据输入音频信号和第一、第二参考波之间的相交关系，在该对差动输出中产生脉冲。该对差动输出之一的脉冲不与根据差动输出的另一的脉冲重迭，以消除功率放大器的共模噪声。
Description
技术领域
本发明有关于一种无滤波电路放大器，特别是，有关一种用于减少电磁干扰(EMI)和共模噪声的无滤波电路放大器的双参考波的无滤波电路调制架构及其方法。
背景技术
D类音频功率放大器的效率比AB类音频功率放大器的效率高二到五倍。因其较高的效率，D类放大器需要较小电源并降低功率消耗，显著地减小系统成本、大小和重量。
D类音频功率放大器将音频信号转换高频脉冲，其可按照音频输入信号切换输出。某些D类放大器使用脉冲宽度调制器(PWM)来产生连续脉冲，其宽度按照音频信号幅度而变化。宽度变化的脉冲以一固定频率来切换输出晶体管。其他D类放大器可依靠其他类型的脉冲调制器。为方便解释，以下讨论将主要参考脉冲宽度调制器，但公知此技者将了解到D类放大器可配置其他类型的调制器。
图1显示了一种公知的D类放大器。输入音频信号经由电容CIN1和CIN2输入到一输入放大器101。然后，比较器105比较由负输入端所接收的放大器101输出和正输入端所接收的三角参考波发生器103的三角参考波，据以产生PWM信号。PWM信号输入到栅极驱动器107以驱动晶体管Q11～Q14。D类放大器的差动输出OUTP和OUTN分别反馈到低通滤波器(由L1/C1与L2/C2所组成)，其将脉冲回转为音频放大信号，以驱动一个或一个以上的负载109(例如，音频扬声器)。
公知D类放大器有差动输出(OUTP和OUTN)，每一输出是互补的，其信号摆动范围从接地到VDD。
图2A～图2C显示当分别是大输入信号、小输入信号和无输入信号时的波形。在图2C中，产生了高输出纹波电流(ripple current)。为了减小输出纹波电流，需要大的LC滤波器，如图1所示。
当输入信号是零或非常小的时候，公知D类放大器在负载两端还有占空因数(duty cycle)差不多为50％的负载回路。这负载回路吸收并产生通过负载(扬声器)的大电流，导致额外的功率消耗。
因为公知D类放大器需要大的LC滤波器，其增加了体积大小和电路成本，因此D类放大器在很多随身携产品中不流行。无滤波电路的D类放大器不需要使用输出滤波器，同时保持高效率。无滤波电路调制方案使D类放大器在成本和大小方面近似等于AB类放大器，但效率仍然较高。一种公知无滤波电路的D类放大器如图3所示。图4A和4B分别显示大输入信号和小输入信号的波形。
如图3所示，驱动负载315的无滤波电路的D类放大器至少包括差动输入放大器301、积分器305和307、三角参考波发生器303、比较器309和311、一个控制逻辑和栅极驱动器313和开关晶体管Q31～Q34。音频信号通过电阻RS1而输入至差动输入放大器301的正输入端。差动输入放大器301的负输入端则耦接电容CIN3与电阻RS2。差动输入放大器301的负输出端通过电阻RFB31而反馈至差动输入放大器301的正输入端。差动输入放大器301的正输出端通过电阻RFB32而反馈至差动输入放大器301的负输入端。差动输入放大器301的负输出端通过电阻RS3而耦接至比较器305的负输入端。差动输入放大器301的正输出端通过电阻RS4而耦接至比较器307的负输入端。比较器307的正输入端与比较器305的正输入端则耦接至电源VDD/2。比较器305的输出端通过电容C32而反馈至其负输入端。比较器307的输出端通过电容C31而反馈至其负输入端。输出信号OUTP通过电阻RFB33而反馈至比较器305的负输入端。输出信号OUTN通过电阻RFB34而反馈至比较器307的负输入端。
这个调制方案减小EMI并没有低通滤波器(这就是为什么叫做“无滤波电路”的原因)。然而，此种调制方式的问题在于，共模噪声的变化，因为OUTP与OUTN会同时为高电位或低电位，如图4A与4B所示。这相当于共模电压的大信号摆动。图3的公知技术会受到大共模切换噪声的负面影响，故而需要额外的滤波器来抑制此共模切换噪声。当输出信号甚小时，共模切换噪声会更严重。此外，这种公知技术使用两个积分器，然这将增加静电流、电路大小和解决方案成本。
因此，需要一种克服已知技术缺点的新型和高效的D类音频功率放大器。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种高效无滤波电路的D类音频功率放大器。
本发明的另一目的是提供一种高音频品质的无滤波电路的D类音频功率放大器。
本发明的又一目的是提供一种低EMI的无滤波电路的D类音频功率放大器。
本发明的再一目的是提供一种能够减小共模噪声的无滤波电路的D类音频功率放大器。
为了达到上述及其它目的，在本发明的一个实施例中，提供了一种处理输入音频信号的无滤波电路的音频功率放大器。该无滤波电路的音频功率放大器会输出一对差动输出，以驱动负载阻抗。无滤波电路的音频功率放大器包括：一误差放大器，输入音频信号耦合到该误差放大器；第一和第二波发生器，其产生第一和第二参考波；一第一比较器，其响应第一参考波和输入音频信号；一第二比较器，其响应第二参考波和输入音频信号；一控制逻辑单元，其接收第一和第二比较器的输出以及一时钟信号或一参考电压，控制逻辑单元响应时钟信号或参考电压，以及根据输入音频信号与第一、第二参考波之间的相交关系，在该对差动输出中产生脉冲；一开关单元，其工作状态由控制逻辑单元控制，开关单元输出该对差动输出；以及一反馈单元，其将该对差动输出反馈到误差放大器，误差放大器响应输入音频信号而校正该对差动输出。该对差动输出之一的脉冲不与该对差动输出的另一的脉冲重迭以消除功率放大器的共模噪声。
此外，在本发明的另一实施例中提供了一种驱动负载阻抗的音频信号处理方法。在该方法中，接收一输入音频信号。响应时钟信号或参考电压，以及根据输入音频信号与第一、第二参考波之间的相交关系，产生一对差动输出中的脉冲。反馈该对差动输出以响应输入音频信号校正该对差动输出。该对差动输出驱动负载阻抗。该对差动输出之一的脉冲不与该对差动输出的另一的脉冲重迭以消除共模噪声。
在本发明的另一实施例中提供了一种处理输入音频信号的无滤波电路的音频功率放大器。无滤波电路的音频功率放大器输出一对差动输出以驱动负载阻抗。无滤波电路的音频功率放大器包括：一输入放大器，其前置放大输入音频信号；一误差放大器，其接收输入放大器的输出；第一和第二参考波发生器，其产生第一和第二参考波；一第一比较器，其包括用以接收第一参考波的一第一输入端，用以接收误差放大器输出的一第二输入端和一输出端；一第二比较器，其包括用以接收第二参考波的一第一输入端，用以接收误差放大器输出的一第二输入端和一输出端；一控制逻辑单元，其接收第一和第二比较器的输出以及一时钟信号或参考电压，控制逻辑单元响应时钟信号或参考电压，以及根据输入音频信号与第一、第二参考波之间的相交关系，在该对差动输出中产生脉冲；一耦合到控制逻辑单元的栅极驱动电路；一开关单元，其由栅极驱动电路驱动，工作状态由控制逻辑单元控制，开关单元输出该对差动输出；以及一反馈单元，其将该对差动输出反馈到误差放大器，误差放大器响应输入音频信号校正该对差动输出。该对差动输出之一的状态改变与该对差动输出的另一的状态改变不同时以消除功率放大器的共模电压。
为让本发明的上述与其他特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1显示公知D类放大器的电路图。
图2A～图2C显示当输入信号分别是大、小或零的图1的波形。
图3显示公知无滤波电路的D类放大器的电路图。
图4A和图4B显示当输入信号分别是大和小时，图3的波形。
图5显示根据本发明的一个实施例的无滤波电路的D类放大器的电路图。
图6A和图6B显示图5的波形。
图7A～图7C显示图5的开关晶体管的工作状态。
图8A～图8C显示适用于本发明实施例的其他合适的波形。
主要元件符号说明
101：输入放大器
105：比较器
103：三角参考波发生器
107：栅极驱动器
109、315：负载
301：差动输入放大器
305、307：积分器
303：三角参考波发生器
309、311：比较器
313：控制逻辑和栅极驱动器
501：输入放大器
503：积分器
505、507：参考波发生器
509、511：比较器
513：控制逻辑
515：栅极驱动电路
517：负载
519：反馈放大器
RS1-RS4、RFB31-RFB34、RFB51-RFB53、RIN5：电阻
Q11～Q14、Q31-Q34、Q51-Q54：晶体管
L1/C1、L2/C2：低通滤波器
CIN1、CIN2、CIN3、CIN5、C31、C32、C51：电容
具体实施方式
本发明的一个实施例提供了一个低EMI的无滤波电路开关放大器的调制方案。双三角波通过两个三角波和介于比较器输出和开关单元之间的控制逻辑块而减小共模电压。
图5说明根据本发明的一个实施例的低EMI的无滤波电路的D类音频功率放大器的电路图。输入音频信号经由电容CIN5输入到输入放大器501的负输入端。输入放大器501前置放大输入音频信号。输入放大器501进一步有一正输入端耦合到积分器503的正输入端。输入放大器501的输出经由电阻RIN5耦合到积分器503的负输入端。积分器503的输出经由电容C51进一步反馈到积分器503的负输入端。积分器503、电阻RIN5和电容C51构成误差放大器，用于响应于(已被前置放大的)输入音频信号来校正D类音频放大器的差动输出信号(OUTP和OUTN)。
两个参考波发生器505和507分别产生参考波。例如，但不限于，发生器505和507分别产生锯齿(或三角)三角参考波1和三角参考波2。三角参考波1和三角参考波2是对称的，并且相互的相位差是180°。三角参考波1和三角参考波2的波形如图6所示。当然，参考波发生器所产生的参考波之间的相位关系并不限于此。例如，参考波可以是后沿倾斜波、前沿倾斜波或其组合。三角参考波1耦合到比较器509的负输入端，而三角参考波2耦合到比较器511的负输入端。积分器503的输出信号(或者说，误差放大器的输出信号)耦合到比较器509和511的两正输入端。如图5所示，积分器503的输出信号(或者说，误差放大器的输出信号)相当于或者等于输入音频信号。
正如所知，当正输入高于负输入时，比较器的输出信号变为高电位。当三角参考波1低于积分器503的输出信号时，比较器509的输出信号变为高电位。或者说，当三角参考波1低于输入音频信号时，比较器509的输出信号变为高电位。同样地，当积分器503的输出信号高于三角参考波2时，比较器511的输出信号变为高电位。或者说，当输入音频信号高于三角参考波2时，比较器511的输出信号变为高电位。
比较器509和511的输出信号耦合到控制逻辑513。控制逻辑513进一步接收时钟信号。时钟信号，由例如但不限于，参考波发生器505产生。当然，时钟信号可由参考波发生器507产生。参见图6A和图6B。时钟信号有两个状态：A相位和B相位分别代表逻辑“低”(L)和“高”(H)，如图6A和图6B所示。当输入信号在A相位或B相位的时候，我们能区分出两个情况。当时钟信号在A相位并且输入信号首先相交三角参考波1然后相交三角参考波2时，控制逻辑513在OUTP产生一脉冲，例如从T1到T2的脉冲。当时钟信号在A相位并且输入信号首先相交三角参考波2、然后相交三角参考波1时，控制逻辑513在OUTN产生一脉冲，例如从T5到T6的脉冲。当时钟信号在B相位并且输入信号首先相交三角参考波1、然后相交三角参考波2时，控制逻辑513在OUTP产生一脉冲，例如从T3到T4的脉冲。当时钟信号在B相位并且输入信号首先相交三角参考波2然后相交三角参考波1时，控制逻辑513在OUTN产生一脉冲，例如从T7到T8的脉冲。
栅极驱动电路515基于控制逻辑513的输出信号驱动或切换开关晶体管Q51～Q54。此处不特别限制栅极驱动电路515的配置。晶体管Q51～Q54的工作状态如图7A～图7D所示。输出信号OUTP和OUTN从晶体管Q51～Q54的端获得。一对差动输出OUTP和OUTN用于驱动负载517。负载517，例如是但不限于，一音频扬声器。
为了更精确地响应输入音频信号驱动负载517，输出信号OUTP和OUTN经由反馈电阻RFB51～RFB53和反馈放大器(FBA)519反馈到误差放大器。更具体地讲，输出信号OUTP经由反馈电阻RFB53耦合到FBA 519而输出信号OUTN经由反馈电阻RFB52耦合到FBA 519。FBA 519的输出经由反馈电阻RFB51耦合到积分器503的负输入端。反馈电阻RFB51～RFB53和FBA 519构成反馈单元。
通过本实施例，扬声器能高品质且高效率地正确播放音频输入信号。
图6A和图6B说明图5的波形。为便于识别，三角参考波2以虚线表示。如何在OUTP和OUTN中产生脉冲上文已讨论了，所以不再重复。如图6A和图6B所示，仅一个输出信号(OUTP或OUTN任一个)在负载两端有状态改变。这意味着OUTP中的脉冲将决不会与OUTN中的脉冲重迭，反之亦然。因为这个特征，这个实施例中的共模电压(噪声)几乎为零。
图7A～图7C说明图5的开关晶体管的工作状态。在这些图中，显示了信号流动。更具体地，如图5所示，晶体管Q51～Q54由栅极驱动电路515控制。在图7A中，晶体管Q51和Q54导通而晶体管Q52和Q53关断，使OUTP高(“H”)和OUTN低(“L”)。在图7B中，晶体管Q51和Q52关断而晶体管Q53和Q54导通，使OUTP和OUTN两者都“L”。在图7C中，晶体管Q52和Q53导通而晶体管Q51和Q54关断，使OUTP“L”和OUTN“H”。
图8A～图8C说明可用于本发明实施例的其他适合的波形。在图8A～图8C中，“Vref”代表参考电压，例如为但不限于0V，Vref会耦合到控制逻辑513。在图8A中，三角参考波1和三角参考波2对称于Vref。三角参考波1总是低于Vref而三角参考波2总是高于Vref。在图8B和8C中，参考倾斜波1和参考倾斜波2由发生器505和507产生，它们也对称于Vref。在图8B中，倾斜波1和倾斜波2是后沿倾斜波。在图8C中，倾斜波1和倾斜波2是前沿倾斜波。同样地，输出信号OUTP和OUTN的状态改变不同时产生，因此共模电压几乎为零。
用本实施例提供的这种调制方案，OUTP和OUTN的状态改变将不会同时产生。因此，纹波电流减小，并由于OUTP和OUTN从不会同时变高或变低，故没有共模开关噪声产生。双三角波调制技术容许使用小又便宜的LC滤波器而不会增加静电流。当输入信号小的时候，双三角波调制方案能减小功率消耗。双三角波调制方案不仅保持公知调制方案的优点，而且获得更高的功率效率。
在以上描述和权利要求中使用的“积分”和“积分器”是指通常在音频反馈放大器的反馈路径中的积分，而不是典型地由反相器提供的相位或频率补偿需要的积分。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。任何所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种更动与修改。因此，本发明的保护范围以所提出的权利要求的范围为准。
Claims (20)
1.一种处理一输入音频信号的无滤波电路的音频功率放大器，该无滤波电路的音频功率放大器输出一对差动输出以驱动一负载阻抗，该功率放大器包括：
一误差放大器，该输入音频信号耦合到该误差放大器；
第一和第二波发生器，其产生第一和第二参考波；
一第一比较器，其响应该第一参考波和该输入音频信号；
一第二比较器，其响应该第二参考波和该输入音频信号；
一控制逻辑单元，其接收该第一、第二比较器的输出和一第三参考信号；响应于该第三参考信号，以及根据该输入音频信号和该第一、第二参考波之间的相交关系，该控制逻辑单元造成该对差动输出中的脉冲，其中该对差动输出之一的脉冲不与该对差动输出的另一的脉冲重迭，以消除该功率放大器的共模噪声；
一开关单元，该开关单元的工作状态由该控制逻辑单元控制，该开关单元输出该对差动输出；以及
一反馈单元，其将该对差动输出反馈到该误差放大器，该误差放大器响应该输入音频信号而校正该对差动输出。
2.如权利要求1所述的无滤波电路的音频功率放大器，还包括一输入放大器，该输入放大器用于前置放大该输入音频信号，该输入放大器具有经由一第一电容接收该输入音频信号的一负输入端、一正输入端和将被前置放大的该输入音频信号输出到该误差放大器的一输出端。
3.如权利要求2所述的无滤波电路的音频功率放大器，其中该误差放大器包括：
一积分器，其具有用于耦合到该输入放大器的该正输入端的一正输入端、经由一第一电阻接收该输入放大器的输出的一负输入端和一输出端，其中该积分器的该输出端经由一第二电容进一步反馈到该积分器的该负输入端。
4.如权利要求1所述的无滤波电路的音频功率放大器，其中该第一比较器具有用于接收该误差放大器的输出的一正输入端和用于接收该第一参考波的一负输入端，以及该第二比较器具有用于接收该误差放大器的该输出的一正输入端和用于接收该第二参考波的一负输入端。
5.如权利要求1所述的无滤波电路的音频功率放大器，其中该第三参考信号是具有一第一时钟相位和一第二时钟相位的一时钟信号；当该输入音频信号在该第一时钟相位并且该输入音频信号首先相交该第一参考波然后相交该第二参考波的时候，该控制逻辑单元造成该对差动输出之一的脉冲出现；当该输入音频信号在该第一时钟相位并且该输入音频信号首先相交该第二参考波然后相交该第一参考波的时候，该控制逻辑单元造成该对差动输出的另一的脉冲出现；当该输入音频信号在该第二时钟相位并且该输入音频信号首先相交该第一参考波然后相交该第二参考波的时候，该控制逻辑单元造成该对差动输出的该一的脉冲出现，以及当该输入音频信号在该第二时钟相位并且该输入音频信号首先相交该第二参考波然后相交该第一参考波的时候，该控制逻辑单元造成该对差动输出的该另一的脉冲出现。
6.如权利要求3所述的无滤波电路的音频功率放大器，其中该反馈单元包括：
第一、第二和第三反馈电阻；以及
一反馈放大器，其用于经由该第二和第三反馈电阻接收该对差动输出，并经由该第一反馈电阻产生一输出到该积分器的该负输入端。
7.如权利要求1所述的无滤波电路的音频功率放大器，其中该第一和第二参考波是相互对称的三角波，并且该第三参考信号是一参考电压。
8.如权利要求1所述的无滤波电路的音频功率放大器，其中该第一和第二参考波是后沿倾斜波，并且该第三参考信号是一参考电压。
9.如权利要求1所述的无滤波电路的音频功率放大器，其中该第一和第二参考波是前沿倾斜波，并且该第三参考信号是一参考电压。
10.如权利要求1所述的无滤波电路的音频功率放大器，其中该负载阻抗是一音频扬声器。
11.一种驱动一负载阻抗的音频信号处理方法，该方法包括：
接收一输入音频信号；
响应一第三参考信号，以及根据该输入音频信号和第一、第二参考波之间的相交关系，在一对差动输出中产生脉冲，其中该对差动输出之一的脉冲不与该对差动输出的另一的脉冲重迭，以消除共模噪声；
反馈该对差动输出，以响应该输入音频信号而校正该对差动输出；以及
用该对差动输出驱动该负载阻抗。
12.如权利要求11所述的方法，在接收该输入音频信号之前还包括下述步骤：
前置放大该输入音频信号。
13.如权利要求11所述的方法，其中在该对差动输出中产生该脉冲的步骤包括：
产生一时钟信号作为该第三参考信号，该时钟信号具有第一和第二时钟相位；
当该输入音频信号在该第一时钟相位，并且该输入音频信号首先相交该第一参考波然后相交该第二参考波时，在该对差动输出之一产生脉冲；
当该输入音频信号在该第一时钟相位，并且该输入音频信号首先相交该第二参考波然后相交该第一参考波时，在该对差动输出的另一产生脉冲；
当该输入音频信号在该第二时钟相位，并且该输入音频信号首先相交该第一参考波然后相交该第二参考波时，在该对差动输出的该一产生脉冲；以及
当该输入音频信号在该第二时钟相位，并且该输入音频信号首先相交该第二参考波然后相交该第一参考波时，在该对差动输出的该另一产生脉冲。
14.如权利要求11所述的方法，其中该第一和第二参考波是相互对称的三角波，并且该第三参考信号是一参考电压。
15.如权利要求11所述的方法，其中该第一和第二参考波是后沿倾斜波，并且该第三参考信号是一参考电压。
16.如权利要求11所述的方法，其中该第一和第二参考波是前沿倾斜波，并且该第三参考信号是一参考电压。
17.一种处理一输入音频信号的无滤波电路的音频功率放大器，该无滤波电路的音频功率放大器输出一对差动输出驱动一负载阻抗，该功率放大器包括：
一输入放大器，其前置放大该输入音频信号；
一误差放大器，其接收该输入放大器的一输出；
第一和第二参考波发生器，其产生第一和第二参考波；
一第一比较器，其包括用于接收该第一参考波的一第一输入端、用于接收该误差放大器的一输出的一第二输入端和一输出端；
一第二比较器，其包括用于接收该第二参考波的一第一输入端、用于接收该误差放大器的一输出的一第二输入端和一输出端；
一控制逻辑单元，其接收该第一和第二比较器的输出以及一第三参考信号，该控制逻辑单元响应于该第三参考信号，以及根据该输入音频信号与该第一、第二参考波之间的相交关系，在该对差动输出中产生脉冲，其中该对差动输出之一的状态改变与该对差动输出的另一的状态改变不同时以消除该功率放大器的共模电压；
一栅极驱动电路，耦合到该控制逻辑单元；
一开关单元，其由该栅极驱动电路驱动，该开关单元的工作状态由该控制逻辑单元控制，该开关单元输出该对差动输出；以及
一反馈单元，其将该对差动输出反馈到该误差放大器，该误差放大器响应于该输入音频信号而校正该对差动输出。
18.如权利要求17所述的无滤波电路的音频功率放大器，其中该第三参考信号是具有一第一时钟相位和一第二时钟相位的一时钟信号；当该输入音频信号在该第一时钟相位并且该输入音频信号首先相交该第一参考波然后相交该第二参考波的时候，该控制逻辑单元在该对差动输出之一产生脉冲；当该输入音频信号在该第一时钟相位并且该输入音频信号首先相交该第二参考波然后相交该第一参考波的时候，该控制逻辑单元在该对差动输出的另一产生脉冲；当该输入音频信号在该第二时钟相位并且该输入音频信号首先相交该第一参考波然后相交该第二参考波的时候，该控制逻辑单元在该对差动输出的该一产生脉冲；以及当该输入音频信号在该第二时钟相位并且该输入音频信号首先相交该第二参考波然后相交该第一参考波的时候，该控制逻辑单元在该对差动输出的该另一产生脉冲。
19.如权利要求17所述的无滤波电路的音频功率放大器，其中该反馈单元包括：
第一、第二和第三反馈电阻；以及
一反馈放大器，其用于经由该第二和第三反馈电阻接收该对差动输出，并经由该第一反馈电阻产生一输出到该误差放大器。
20.如权利要求17所述的无滤波电路的音频功率放大器，其中该第三参考信号是一参考电压，该第一和第二参考波从相互对称的三角波、后沿倾斜波和前沿倾斜波所构成的一组中择出。
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