CN101043205A - 低失真丁类放大器 - Google Patents

Abstract

一种低失真丁类放大器，包括用于接收电源的电源终端、放大级、以及输出级。该放大级接收输入信号并产生斜坡信号。而且，该放大级根据该斜坡信号和一个滞后信号来产生一个脉宽调制信号。耦合到该电源终端的输出级接收该脉宽调制信号并产生输出。优选的是，所述斜坡信号和所述滞后信号被定位在一个电压电平，所述电压电平是所述电源电压电平的一半并且与所述电源成比例地变化。

Description

低失真丁类放大器

本申请要求在2006年3月22日提交的美国临时专利申请60/785,105的优先权，其内容被整体结合在此参考。

技术领域

本发明涉及一种放大器，尤其涉及一种具有高效率的低失真丁类放大器。

背景技术

传统的丁类放大器接收模拟输入信号并产生数字输出信号。丁类放大器优于线性放大器(例如甲乙类放大器)的长处是其高效率。由于丁类放大器的输出脉冲具有固定幅度，所以开关部件被或通或断地切换，而不是以线性模式操作。丁类放大器的一种常见应用是用于扬声器的驱动器。

但是，多数采用标准实现方式的丁类放大器受到由开关波形引起的传播延迟和低电源抑制比的不利影响。

发明内容

本发明提供一种低失真丁类放大器。根据本发明的一个实施例，一种放大器包括：用于接收电源的电源终端、放大级、和输出级。该放大级接收输入信号并产生斜坡信号。而且，该放大级根据该斜坡信号和一个滞后信号产生一个脉宽调制信号。耦合到该电源终端的输出级接收该脉宽调制信号并产生一个输出。优选的是，该斜坡信号和该滞后信号被定位在一个电压电平，该电压电平是该电源电压电平的一半并且与该电源成比例地变化。

附图说明

随着下面参考附图进行的详细说明，要求保护的发明主题实施例的特征和优点将变得显见，附图中的相同数字描述相同的部分，并且其中：

图1示出根据本发明一个实施例的低失真丁类放大器的框图。

图2示出根据本发明一个实施例，图1中的耦合到扬声器的低失真放大器的详细电路图。

图3示出根据本发明实施例的滞后信号和斜坡信号的波形图。

具体实施方式

现对本发明实施例进行详细描述。虽然是结合实施例来描述本发明，但是将理解到，本发明的申请人并不打算将本发明局限到所描述的实施例。相反，本发明力图覆盖可被包括在由所附的权利要求所限定的本发明精神和范围中的全部可选方案、修改、和等同物。

此外，在本发明的下面详细描述中，给出的许多具体细节是为了提供本发明的透彻理解。可是，本领域普通技术人员将认识到，本发明可以在没有这些具体细节的条件下来实践。在另外的情况中，因为不想不必要地影响本发明方案的清晰性而未对公知的方法、过程、部件和电路做详细描述。

图1示出根据本发明一个实施例的低失真丁类放大器100的框图。该丁类放大器100具有高的电源抑制比。如图1所示，丁类放大器100包括用于接收电源VDC的电源终端110、放大级180、和输出级160。

该放大级180接收输入信号170，并产生斜坡信号130。放大级180根据斜坡信号130和滞后信号132而产生用于驱动输出级160的脉宽调制信号140。优选的是，该斜坡信号130和该滞后信号132被定位在一个电压电平，该电压电平是该电源VDC的电压电平的一半并且与该电源VDC成比例地变化。

耦合到电源终端110的输出级160从放大级140接收脉宽调制信号140，并产生放大了的输出信号190。在一个实施例中，输出级160包括一个全桥电路。

如图1所示，放大级180包括耦合到全桥电路160的被作为平移级(translation stage)101示出的第一电路，其用于接收输入信号170并且产生定位在电源电压一半的一个电压电平上的已平移的信号120。

放大级180还包括被作为积分级102示出的第二电路，该积分级102接收来自该第一电路(平移级)101的已平移的信号120和来自全桥电路160的积分信号122，并且由此产生斜坡信号130。因此，在本发明中不需要振荡器和斜坡发生器。

比较级103接收斜坡信号130和滞后信号132，并产生脉宽调制信号140来驱动全桥电路160。

概括而言，图1中的放大器100包括：电源终端110，其用于接收电源；耦合到该电源终端110的全桥电路160，其用来提供一个放大了的输出190；耦合到全桥电路160的平移级101，其用来接收输入信号170并产生定位在电源VDC电压电平一半的一个电压电平上的已平移的信号120；积分级102，其接收来自该平移级101的已平移的信号120以及来自该全桥电路160的积分信号122，并且由此产生斜坡信号130；和一个比较级103，其接收来自该积分级102的斜坡信号130以及来自该全桥电路160的滞后信号132，并且产生用于驱动该全桥电路160的脉宽调制信号140。

优选的是，该斜坡信号130和该滞后信号132被定位在一个电压电平，该电压电平是该电源电压电平的一半并且与该电源成比例地变化。

图2示出根据本发明实施例，图1中的耦合到一个扬声器的低失真放大器100的详细电路图。与图1中标注相同的组件具有相似的功能，为了简洁和清楚的目的将不再重复描述。

图2中的放大器100还包括一个耦合在该全桥电路160的第一切换节点LX1和第二切换节点LX2之间的第一电阻分压器，其用于把滞后信号132提供到比较电路103。

该第一电阻分压器包括第一电阻器260和第二电阻器262。在一个实施例中，第一电阻器260由第一电阻R1减去第二电阻ΔR1构成。在一个实施例中，第二电阻器262由第一电阻R1加上第二电阻ΔR1构成。因此，R₂₆₀＝R1-ΔR1，而R₂₆₂＝R1+ΔR1。

放大器100还包括示为电阻器250和252的第二电阻分压器，其耦合在该全桥电路160的第一切换节点LX1和第二切换节点LX2之间，用于把积分信号122提供到第二电路(积分级)102。

第二电阻分压器包括第一电阻器250和第二电阻器252。在一个实施例中，第一电阻器250由第一电阻R2加到第二电阻ΔR2构成。在一个实施例中，第二电阻器252由第一电阻R2减去第二电阻ΔR2构成。因此R₂₅₀＝R2+ΔR2，而R₂₅₂＝R2-ΔR2。

被示为平移级101的第一电路包括耦合到第二电路(积分级)102的一个运算跨导放大器202，该运算跨导放大器202用于把输入信号170转换为输入电流I_in。平移级101还包括被示为电阻器240和242的电阻分压器，其耦合在LX1和LX2之间，用于接收输入电流I_in并且产生一个定位在该电源VDC电压电平的一半的已平移的信号120。电阻器240和电阻器242具有相同的电阻R。

被示为积分级102的第二电路包括运算放大器204和电容器230。该积分级102接收该已平移的信号120和该积分信号122，并且产生提供到比较级103的一个斜坡信号130。

示为比较器103的比较级把滞后信号132与斜坡信号130进行比较，并且产生一个脉宽调制信号140来驱动该全桥电路160。耦合在第一切换节点LX1和第二切换节点LX2之间的输出电容器232把放大的输出信号提供到扬声器200。所以，扬声器200接收该放大了的音频信号并由此产生可听声音。

在一个实施例中，输入信号170包括输入电压V_in。操作中，运算跨导放大器202把输入电压V_in转换为输入电流I_in，并使用电阻分压器(示为电阻器240和电阻器242)来产生定位在来自终端110的电源电压VDC的电压电平一半上的一个已平移的信号120。如果假设运算跨导放大器202的增益是g，则该已平移的信号120的电压由下式给出：

V₁₂₀＝g*(R/2)*V_in+VDC/2                   (1)

应该指出，全桥电路160的第一切换节点LX1和第二切换节点LX2总是不同相位的。因此，积分电流I₁₂₂依据切换节点LX1和LX2的状态将具有两个不同电平。在一个实施例中，当脉宽调制信号140是高值时，LX1之处的电压是VDC，而LX2之处的电压是0。与此相反，当脉宽调制信号140是低值时，LX1之处的电压是0，而LX2之处的电压是VDC。

由于该运算放大器204的反相输入端的电压V_INT等于运算放大器204的非反相输入端的电压V₁₂₀，所以当脉宽调制信号140是高值时的积分电流I₁₂₂和当脉宽调制信号140是低值时的积分电流I₁₂₂’能够被计算如下：

当该脉宽调制信号140是高值时，

I₁₂₂＝(VCD-V₁₂₀)/(R2+ΔR2)-V₁₂₀/(R2-ΔR2)           (2)

当该脉宽调制信号140是低值时，

I₁₂₂’＝(VCD-V₁₂₀)/(R2-ΔR2)-V₁₂₀/(R2+ΔR2)         (3)

根据公式(1)，公式(2)和(3)能被重写为：

当该脉宽调制信号140是高值时，

I₁₂₂＝(-VCD*ΔR2-g*R*V_in*R2)/(R2²-ΔR2²)            (4)

当该脉宽调制信号140是低值时，

I₁₂₂’＝(VCD*ΔR2-g*R*V_in*R2)/(R2²-ΔR2²)           (5)

滞后信号132的电压是：

当脉宽调制信号140是高值时，

V₁₃₂＝VDC*(R1+ΔR1)/2R1＝VDC/2+VDC*ΔR1/2R1         (6)

当该脉宽调制信号140是低值时，

V₁₃₂’＝VDC*(R1+ΔR1)/2R1＝VDC/2-VDC*ΔR1/2R1       (7)

因此，斜坡信号130的幅度是V₁₃₂和V₁₃₂’之间的差值，即：

A₁₃₀＝VDC*ΔR1/R1                                   (8)

所以，通过第一电阻分压器(示为电阻器260和262)的第一电阻R1和第二电阻ΔR1来定义斜坡信号130的参数限制。在一个实施例中，上述的该斜坡信号130的参数限制包括斜坡信号130的幅度A₁₃₀。

图3示出根据本发明实施例的滞后信号132和斜坡信号130的波形。在图3中，T1是在脉宽调制信号140为高值时的时段，T2是在脉宽调制信号140为低值时的时段。

如3所示，在时段T1期间，根据公式(6)，滞后信号132的电压电平高于VDC/2电平。当滞后信号132大于斜坡信号130时，比较器103保持一个高的脉宽调制信号。随着斜坡信号130的电压朝向滞后信号132的增加，该斜坡信号130在一个确定点达到该滞后信号132的相同电平。随后该比较器103输出一个低值信号。结果是，如在时段T2中所示，滞后信号132下降到VDC/2电平之下，并且该斜坡信号130逐步朝向该滞后信号132减小。比较器103继续输出一个低值信号，直到该斜坡信号130减少到该滞后信号132的相同电平。

优选的是，滞后信号132和斜坡信号130都被定位在该电源电压VDC的一半的电压电平。

返回到图1，在积分级102中的电容器230的电荷变化ΔQ是

ΔQ＝C₂₃₀*A₁₃₀＝-I₁₂₂*T1＝I₁₂₂’*T2              (9)

因此，当公式(3)和(4)被代入公式(9)时，将获得下面的公式：

VDC*(T2-T1)/(T2+T1)＝g*R*R2/ΔR2*V_in.            (10)

输出电容232两端的等效理论输出电压190等于：

V₁₉₀＝T1/(T1+T2)*VDC-T2/(T1+T2)*VDC

＝(T1-T2)/(T1+T2)*VDC                            (11)

因此，放大器100的增益是：

A＝V₁₉₀/V_in＝-g*R*R2/ΔR2                        (12)

将理解到，当输入信号170变化时，放大器100的增益A保持恒定。因此，放大器100的增益不取决于输入电压V_in，这保证了高的电源抑制比。

根据公式(9)，全桥电路160的切换频率是：

f_sw＝1/(T1+T2)＝1/((-C₂₃₀*A₁₃₀/I₁₂₂)+(C₂₃₀*A₁₃₀/I₁₂₂’))   (13)

当公式(2)和(3)被代入公式(13)时，切换频率变成：

f_sw＝(VDC²*ΔR2²-g²*R²*V_in ²*R2²)/(C₂₃₀*A₁₃₀(R2²-ΔR2²)*2*VDC*ΔR2)(14)

当公式(8)被代入公式(14)时，切换频率变成：

f_sw＝R1*ΔR2/(2*C₂₃₀*ΔR1*(R2²-ΔR2²))-g²*R²*V_in ²*R2²*R1/(2*C₂₃₀

*ΔR1*VDC²*ΔR2²*(R2²-ΔR2²))                        (15)

如果假设K₁＝R1*ΔR2/(2*C₂₃₀*ΔR1*(R2²-ΔR2²))，并且假设

K₂＝g²*R²*R2²*R1/(2*C₂₃₀*ΔR1*ΔR2²*(R2²-ΔR2²))，则公式(15)变成：

f_sw＝K₁-K₂*(V_in/VDC)²                                (16)

应该理解，K₁和K₂是常数。切换频率f_sw仅与输入电压V_in和电源电压VDC相关。所以，当输入信号是零时，切换频率f_sw保持恒定。

因此，本发明提供了一种具有高电源抑制比的低失真丁类放大器。该丁类放大器的增益不取决于输入信号。此外，在本发明中不需要振荡器和斜坡发生器。而且，本发明还提供了一种音频系统，该音频系统包括用于接收音频信号的低失真丁类放大器，以及耦合到该低失真丁类放大器的用于把该音频信号转换为可听声音的扬声器。

虽然上文的描述和附图提供了本发明的优选实施例，但应理解的是，在不偏离如所附权利要求定义的本发明原理的精神和范围的条件下，可以作出各种添加、修改和替代。本专业技术人员将理解到，在本发明的实践中可以使用形式、结构、设计、比例、材料、组件与元件等许多修改，在不背离本发明原理的条件下，这些修改尤其适于具体的环境和操作要求。因此，给出的公开实施例在各方面都将被认为是说明性的和非限制性的，本发明的范围由附加的权利要求及其法律上的等同物所示，而不局限于上述的描述。

Claims (23)

1.一种放大器，包括：

电源终端，其用于接收电源；

放大级，其接收一个输入信号并产生一个斜坡信号，其中所述放大级根据所述斜坡信号和一个滞后信号来产生一个脉宽调制信号；以及

耦合到所述电源终端的输出级，其用于接收所述脉宽调制信号并产生一个输出；

其中，所述斜坡信号和所述滞后信号被定位在一个电压电平，所述电压电平是所述电源电压电平的一半并且与所述电源成比例地变化。

2.如权利要求1所述的放大器，其中所述输出级包括一个全桥电路。

3.如权利要求2所述的放大器，其中所述放大级包括耦合到所述全桥电路的第一电路，所述第一电路用来接收所述输入信号并产生被定位在一个电压电平的已平移的信号，所述电压电平是所述电源电压电平的一半。

4.如权利要求3所述的放大器，其中所述放大级还包括第二电路，所述第二电路接收来自所述第一电路的所述已平移的信号和来自所述全桥电路的积分信号，并且由此产生所述斜坡信号。

5.如权利要求2所述的放大器，还包括：

耦合在所述全桥电路的第一切换节点和第二切换节点之间的电阻分压器，其用于提供所述滞后信号。

6.如权利要求2所述的放大器，还包括：

耦合在所述全桥电路的第一切换节点和第二切换节点之间的电阻分压器，其用于提供所述积分信号。

7.如权利要求4所述的放大器，其中所述第一电路包括耦合到所述第二电路的一个运算放大器，其用于把所述输入信号转换为输入电流。

8.如权利要求7所述的放大器，其中所述第一电路包括耦合在所述全桥电路的第一切换节点和第二切换节点之间的电阻分压器，其用于接收来自所述运算放大器的所述输入电流并且生产定位在所述电源的电压电平的一半的所述已平移的信号。

9.如权利要求5所述的放大器，其中所述电阻分压器包括：

第一电阻器，其由第一电阻减去第二电阻构成；以及

第二电阻器，其由所述第一电阻加到所述第二电阻构成。

10.如权利要求6所述的放大器，其中所述电阻分压器包括：

第一电阻器，其由第一电阻加到第二电阻构成；以及

第二电阻器，其由所述第一电阻减去所述第二电阻构成。

11.如权利要求9所述的放大器，其中所述斜坡信号的参数限制由所述电阻分压器的所述第一电阻和所述第二电阻来定义。

12.如权利要求11所述的放大器，其中所述参数限制包括幅度。

13.如权利要求1所述的放大器，其中当所述输入信号变化时，所述放大器的增益保持恒定。

14.如权利要求2所述的放大器，其中当所述输入信号为零时，所述全桥电路的切换频率保持恒定。

15.一种放大器，包括：

电源终端，用于接收电源；

耦合到所述电源终端的全桥电路，其用于提供一个放大了的输出；

耦合到所述全桥电路的平移级，其用于接收输入信号并生产定位在一个电压电平的已平移的信号，所述电压电平是所述电源电压电平的一半；

积分级，其接收来自所述平移级的所述已平移的信号和来自所述全桥电路的积分信号，并由此产生一个斜坡信号；和

比较级，其接收来自所述积分级的所述斜坡信号和来自所述全桥电路的滞后信号，并产生用于驱动所述全桥电路的脉宽调制信号，

其中，所述斜坡信号和所述滞后信号被定位在一个电压电平，所述电压电平是所述电源电压电平的一半并且与所述电源成比例地变化。

16.如权利要求15所述的放大器，还包括：

耦合在所述全桥电路的第一切换节点和第二切换节点之间的电阻分压器，其用于提供所述滞后信号。

17.如权利要求15所述的放大器，还包括：

耦合在所述全桥电路的第一切换节点和第二切换节点之间的电阻分压器，其用于提供所述积分信号。

18.如权利要求15所述的放大器，其中所述平移级包括耦合到所述积分级的一个运算放大器，该运算放大器用于把所述输入信号转换为一个输入电流。

19.如权利要求18所述的放大器，其中所述平移级包括耦合在所述全桥电路的第一切换节点和第二切换节点之间的电阻分压器，该电阻分压器用于接收来自所述运算放大器的所述输入电流并且生产定位在所述电源的电压电平的一半的所述已平移的信号。

20.一种音频系统，包括：

放大器，其用于接收音频信号，所述放大器包括：

电源终端，其用于接收电源；

放大级，其接收一个输入信号并产生一个斜坡信号，其中所述放大级根据所述斜坡信号和一个滞后信号来产生一个脉宽调制信号；以及

输出级，其用于接收所述脉宽调制信号并产生一个输出；

其中所述斜坡信号和所述滞后信号被定位在一个电压电平，所述电压电平是所述电源电压电平的一半并且与所述电源成比例地变化；以及所述音频系统还包括：

耦合到所述放大器的扬声器，其用于把所述音频信号转换为可听声音。

21.如权利要求20所述的音频系统，其中所述输出级包括全桥电路。

22.如权利要求21所述的音频系统，其中所述放大级包括耦合到所述全桥电路的第一电路，其用于接收所述输入信号并生产定位在所述电源的电压电平的一半的一个已平移的信号。

23.如权利要求22所述的音频系统，所述放大级还包括第二电路，所述第二电路接收来自所述第一电路的所述已平移的信号和来自所述全桥电路的积分信号，并且由此产生所述斜坡信号。

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