CN101142740B - 用于对pwm输入信号进行放大的设备 - Google Patents

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Abstract

一种脉冲带宽调制(PWM)放大器，包括反馈回路，用于对PWM输入信号的脉冲进行整形，以便通过误差校正信号来校正放大器的D类输出级中的时序和振幅误差。在这种放大器中，当PWM输入信号的脉冲周期不是常数，尤其是在PWM信号源自噪声整形器的情况下，反馈回路产生大量基带噪声。通过使用脉冲周期比例信号来改变放大器的整形增益，本发明减少了此噪声。

Description

用于对PWM输入信号进行放大的设备
技术领域
本发明涉及一种用于对脉冲宽度调制(PWM)输入信号进行放大的设备，尤其涉及包括脉冲宽度调制输出级和被设置为对施加到脉冲宽度调制输出级的脉冲宽度调制信号进行整形的反馈回路的设备。
背景技术
可以从国际专利申请公开WO98/44626获知这种设备。在上面所提到的专利申请中，误差校正信号控制整形装置，在该整形装置中PWM输入信号的边沿被移位以补偿D类输出级中所发生的振幅和时序误差。为此，现有技术装置使用有限积分器，以在输入脉冲上形成斜边。随后，将该斜边与经过低通滤波后的误差校正信号进行比较，并且此比较形成了具有移位边沿的矩形脉冲，以便应用于D类放大器的输入端。
已发现，如果这种设备使用由PWM噪声整形器所产生的PWM输入信号，则该设备将大量噪声添加到放大信号的基带频谱上。
发明内容
本发明的目的尤其是减少或者实质上抑制上面所提到的基带附加噪声，并且因此本发明提供一种用于对脉冲宽度调制输入信号进行放大的设备，包括脉冲宽度调制输出级和被设置为对施加到脉冲宽度调制输出级的脉冲宽度调制信号进行整形的反馈回路，其中，所述设备包括：从所述脉冲宽度调制输入信号中产生脉冲周期比例信号的装置，以及用于控制所述反馈回路的控制器。在此申请中，术语“整形增益”表示误差校正产生器的输出端和D类输出级的输入端之间的开环增益。
本发明基于以下认识，在PWM输入信号源自PWM噪声整形器的情况下，或者在PWM输入信号产生于自激D类放大装置的情况下，PWM信号的脉冲周期，即正脉冲的宽度和连续的负脉冲的带宽之和，不为常数。PWM输入信号的变化的脉冲周期导致整形装置的增益改变，并且此变化的整形增益在基带频谱中引起噪声。
本发明的优点是，引入控制，使得整形增益变成实质上独立于脉冲周期的持续时间。
如上面所提到的现有技术文献中已经公开的，整形增益与有限积分整形装置所产生的斜坡的长度(τ)成比例，并且与PWM输入信号的脉冲周期(Ts)成反比。因此，在根据本发明的优选实施例中，所述控制器使得斜坡长度与PWM输入信号的脉冲周期成比例，换言之，其改变了与脉冲周期比例信号成反比的斜坡的陡度。
在根据本发明的另一个优选实施例中，有限积分脉冲的斜率保持不变。取而代之的是，该设备包括乘法器(M)，用于在将误差校正信号应用于整形装置之前，将误差校正信号与所述脉冲周期比例信号(Vp)相乘。在这种情况下，将脉冲周期比例因子加到原始整形增益中，这样新的整形增益实质上独立于变化的脉冲周期。
本发明的优选实施例包括对基于脉冲周期的信号进行低通滤波，并将低通滤波后的信号与误差校正信号相乘。因此，通过取决于之前的多个脉冲周期的信号来校正每个边沿。因为连续的脉冲周期以随机的方式改变，则对脉冲周期比例信号进行低通滤波并不总是减少噪声的最有效方式，因此优选地，根据本发明的设备的特征还可以体现在，实现用于产生脉冲周期比例信号的装置，使得将与PWM输入信号的两个连续的对应边沿之间的周期成比例的单一脉冲周期比例信号(drr、dff)用于校正所述单一脉冲周期的至少一个边沿。可以如附图4所示地来实现本发明中的各种修改。
在PWM输入信号是，或者是被转换成其每一个的脉冲周期都包括多个采样的数字PWM输入信号时，得到用于确定PWM输入信号的脉冲周期或脉冲宽度的便利方法，并且用于产生脉冲周期比例信号的装置包括用于对每个脉冲周期的采样进行计数的周期计数器。
附图说明
将参考附图，对本发明进行描述。这里示出了：
图1是用于对PWM输入信号进行放大的现有技术设备；
图2是用于演示图1中的现有技术设备的操作的波形；
图3是根据本发明的用于对PWM输入信号进行放大的设备；
图4a-4e是根据本发明的设备可以操作的各种操作模式；
图5和图6中的设备用于根据图4a中的操作模式来产生脉冲周期比例信号。
具体实施方式
图1中的现有技术设备包括将PWM输入信号VI施加到其中的输入端J。在这个示例中，输入信号是模拟PWM信号。在对PWM输入信号进行校正的整形单元U中对这个信号进行处理，此整形单元U的操作将在此后进行说明。此单元的输出信号驱动D类输出级A，例如，该输出级A的输出端O可以通过标准的D类低通滤波器连接到一个或多个扬声器(未示出)。为了降低此输出级中所发生的振幅和/或时序误差的影响，将放大器A的PWM输出信号Vo施加到误差校正信号发生器G中，在其中，首先通过衰减器B对输出信号Vo进行衰减，随后将其提供给减法器S。在减法器中，从衰减后的输出信号Vo中减去输入信号VI。在具有转移函数H(s)的低通滤波器H中对这两个PWM信号之间的差进行滤波，以产生误差校正信号VE。输出端O和减法器S之间的引线中的衰减器B，用于补偿放大器A的放大因子K，使得减法器S中的两个PWM信号具有大致相等的振幅。
整形单元U具有有限积分器L，将PWM输入信号施加到该有限积分器L中，然后该有限积分器L传递有限积分PWM信号VL。这个信号具有没有比输入信号陡的陡边。有限积分信号VL的斜坡开始于输入信号的边沿，并且在固定时间τ之后结束。在图2中演示了信号VI和VL。在减法器P中，从有限积分PWM信号VL中减去误差信号VE，然后将差施加到比较器C的输入端。比较器的输出信号Vc是PWM信号，相对于输入信号VI的边沿来对该PWM信号的边沿进行移位，以补偿输出级A的时序误差和振幅误差。如图2中所演示的，信号Vc的边沿出现在有限积分PWM信号VL和误差信号VE相等的时候，即减法器P的输出为零时。
已发现，当输入信号源自PWM噪声整形器时，整形装置给信号的(音频)基带带来大量噪声。例如，当失真时，通过误差校正，D类输出级A中的诸如1％的电压波动从-43dB大规模减少到-110dB，基带频谱中的较高部分中的噪声从-120dB增加到-81dB，由此实质上减小了该设备的动态范围。
此附加噪声的原因在于设备的整形增益。可以将此整形增益定义为，随着设备的开环配置中误差校正信号的变化，整形信号的有效变化。可以发现，此整形增益(Gr)实质上与τ/Ts成比例，其中τ是有限积分信号VL的边沿的宽度，而Ts是PWM信号的脉冲周期(见图2)。当从PWM噪声整形器中得到PWM输入信号时，脉冲周期Ts以高斯分布变化。例如，在音频放大装置中，信号的脉冲周期可以包括32个采样的平均值，但是实际的脉冲周期可以在25到39个采样之间变化。脉冲周期Ts的高斯分布还导致整形增益Gr的高斯分布，并且这使得基带频谱噪声加到整形后的PWM信号Vc中，并因此加到输出信号Vo中。
在图3的设备中，与图1中的那些相对应的元素具有相同的附图标记。在此设备中，将来自误差校正产生器G的误差校正信号VE施加到乘法器M，在其中将误差校正信号VE与周期计数器PC的输出信号VP相乘。将相乘得到的信号VE×VP施加到减法器P的负输入端。此时，像图1的现有技术设备中的情况，误差校正信号VE与输出信号VO之间的整形增益Gr与τ/Ts不成比例，但是与VP×τ/Ts成比例。当源自周期计数器PC的信号VP与脉冲周期Ts成比例时，整形增益Gr是常数，因而实质上减少了附加基带噪声。
周期计数器PC接收(数字)PWM输入信号V’I，并通过第一DA转换器D1将延迟的PWM输入信号V1传递到整形单元U，并通过第二DA转换器D2传递到误差校正发生器G。
图4示意性地示出了针对图3中的设备的各种操作模式。该附图示意性地以实线示出了具有变化的脉冲周期的PWM输入信号V1，并且以虚线示出了有限积分信号VL的斜边。水平箭头drr表示PWM输入信号的两个连续上升沿之间的脉冲周期，并且水平箭头dff表示此输入信号的两个连续下降沿之间的脉冲周期。
在图4a的操作模式下，从水平箭头drr到输入信号的下降沿的垂直箭头指示了，使用脉冲周期计数器PC所产生的脉冲周期信号drr来校正下降沿，该下降沿位于计算脉冲周期信号drr的那个周期的两个上升沿之间的中间。同样地，从水平箭头dff到输入信号的上升沿的垂直箭头指示了，使用脉冲周期计数器PC所产生的脉冲周期信号dff来校正上升沿，该上升沿位于计算脉冲周期信号dff的那个周期的两个下降沿之间的中间。
在图4b的操作模式下，将脉冲周期信号dff用于校正对应的脉冲周期的两个下降沿中的第一下降沿，并将脉冲周期信号drr用于校正对应的脉冲周期的两个上升沿中的第一上升沿。
在图4c的操作模式下，将脉冲周期信号dff用于校正对应的脉冲周期的两个下降沿中的第二下降沿，并将脉冲周期信号drr用于校正对应的脉冲周期的两个上升沿中的第二上升沿。此模式的优点在于，用于实现脉冲周期计数器PC所需要的延迟存储器变小。
在图4d的操作模式下，将脉冲周期信号drr用于校正对应的脉冲周期的下降沿和第二上升沿。在此模式下，可以以较低精确度的噪声消除的代价，来分配需要用于计算周期信号dff的电路。清楚的是，还可以只计算脉冲周期dff，并将其用于校正一个上升沿和一个下降沿。
在图4c的操作模式下，脉冲计数器PC产生表示上升沿和下一个下降沿之间的时间间隔的脉冲宽度信号drf，以及表示所述下降沿和下一个上升沿之间的时间间隔的脉冲宽度信号dfr。在信号dfr和下一个信号drf一起校正所述下一个上升沿的同时，信号drf和dfr一起校正所述下降沿。在一个实现方式中，两个脉冲宽度信号之和校正了所述下降沿，并且信号drf和下一个信号drf之和校正了所述下一个上升沿。在另一个实现方式中，信号drf和dfr的每一个校正脉冲的前沿的后半部分，以及其后沿的前半部分。在这个实现方式中，中断发生在施加给比较器C的有限积分信号的每个斜坡中间。已发现，此实现方式产生了比图4a中的操作模式更少的噪声，但是以一些非线性失真为代价。
图5和图6中的方框图示出了针对操作模式4a的周期计数器PC的实现方式。本领域的技术人员可以很容易地从任一其他操作模式的实现方式中将其推导出。
图5示出了用于对从上升沿到下一个上升沿的数字PWM信号的采样(时钟周期)进行计数的上升沿到上升沿计数器(RR-计数器)的实现方式。RR-计数器接收PWM输入信号V’I及其适当的延迟版本VI。将信号V’I馈入上升沿检测器1，该上升沿检测器1可以包括‘与’门，该‘与’门具有一个用于直接接收输入信号V’I的输入端以及用于接收输入信号V’I的一个时钟脉冲延迟和反相版本的第二输入端。当PWM输入信号中出现上升沿时，上升沿检测器1产生脉冲。忽略信号中的下降沿。
将上升沿检测器1的输出脉冲馈入时钟脉冲计数器3的复位输入端2。将此计数器的输出经过一个时钟脉冲延器迟4而馈入缓冲器6的输入端5。在接收到下一个上升沿时，将上升沿检测器1的脉冲馈入缓冲器6的弹出(pop)输入端7，从而将延迟器4中存在的数存储到缓冲器6中。同时上升沿脉冲再次对计数器2进行复位，因而可以开始新的计数。
将PWM输入信号V’I的适当延迟版本VI施加到与检测器1相同的第二上升沿检测器8。当检测器8在延迟信号V1中检测到上升沿时，将来自此检测器的脉冲施加到缓冲器6的弹出(popout)输入端9。由此在缓冲器输出端10处读出缓冲器6中的内容，然后传递表示根据其时钟周期数量的上升沿到上升沿脉冲周期。
虽然图5表示上升沿到上升沿计数器(RR-计数器)，除了必须由下降沿检测器来代替两个上升沿检测器1和8以外，下降沿到下降沿计数器(FF-计数器)可以在结构上相似。这种下降沿检测器可以包括其中的一个输入端用于接收输入信号的一个时钟脉冲延迟版本的‘与’门，而该‘与’门的其他输入接收输入信号的反相版本。
图6示出了图3中的周期计数器PC在图4a的操作模式下的实现方式。此实现方式包括上面参考图5所描述的RR-计数器RRC和FF-计数器FFC。这两个单元接收PWM输入信号V’I，并经过延迟器DE1得到PWM输入信号的延迟版本VI。延迟器DE1的延迟必须大于可能的脉冲周期。此外，单元RRC和FFC中的缓冲器6中的每一个都应该能够存储多个数，该数至少等于由最短的可能脉冲周期所划分的延迟DE1。例如，在音频应用中，最大可能脉冲周期为39个时钟周期而最小可能脉冲周期为24个时钟周期时，延迟DE1的延迟应该是例如40个时钟周期，并且两个缓冲器应该能够存储至少两个数。
为了构成周期计数器PC的输出信号VP，提供了开关S，用于在RR-计数器的输出信号drr和FF-计数器的输出信号dff之间可选地进行切换。由经过延迟器DE2的延迟PWM输入信号VI来控制开关S，延迟器DE2将开关S的切换延迟大约图2中的有限积分信号VL的斜坡的持续时间τ。由此，图6中的周期计数器将输出信号VP传递到图3中的乘法器M，在VI的正脉冲的主要部分期间以及VL的下降沿期间，输出信号VP等于drr，而在VI的负脉冲的主要部分期间以及VL的上升沿期间，输出信号VP等于dff。这保证了，正如图4a中的操作模式中所需要的，通过乘法器M，由信号drr来校正下降斜坡，并由信号dff来校正上升斜坡。
图3、图5和图6中示出的设备被设计为接收数字PWM信号，其中通过在所述脉冲周期或脉冲宽度期间所发生的对采样(时钟脉冲)的计数，来便利地确定脉冲周期的长度或脉冲宽度。显而易见的是，本发明还可以由完全的模拟设备以及模拟PWM输入信号来实现。例如，在除去了DA转换器D1和D2，而使用数字周期计数器PC来代替的情况下，可以通过在脉冲周期期间以恒定电流给电容器充电来得到模拟脉冲比例信号，以及在脉冲周期的结尾处使用在电容器两端得到的电压，如脉冲周期比例信号。
总之，本发明涉及一种脉冲宽度调制(PWM)放大器，该脉冲宽度调制(PWM)放大器包括反馈回路，用于对PWM输入信号的脉冲进行整形，以通过误差校正信号来校正放大器的输出级中的时序和振幅误差。在这种放大器中，当PWM输入信号的脉冲周期不是常数，尤其是在PWM信号源自噪声整形器的情况下，反馈回路产生了大量基带噪声。通过使用脉冲周期比例信号来改变放大器的整形增益，本发明减少了此噪声。例如，输出级可以是D类输出级，但也可以是其他的输出级。

Claims (7)

1.一种用于对脉冲宽度调制输入信号进行放大的设备，包括脉冲宽度调制输出级和被设置为对施加到脉冲宽度调制输出级的脉冲宽度调制信号进行整形的反馈回路，其特征在于，所述设备包括：
从所述脉冲宽度调制输入信号中产生脉冲周期比例信号(Vp)的装置(PC)，所述产生脉冲周期比例信号的装置包括用于对每个脉冲周期中的采样进行计数的周期计数器(3)；
误差校正信号发生器(G)，被设置为将输出级的脉冲宽度调制输出信号与脉冲宽度调制输入信号进行比较，并提供由此比较所产生的误差校正信号(VE)；以及
用于控制所述反馈回路的控制器；
所述控制器包括乘法器(M)，以便在将误差校正信号应用于整形装置之前将误差校正信号与所述脉冲周期比例信号(Vp)相乘。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括：有限积分整形装置(U)，被设置为接收脉冲宽度调制输入信号以及误差校正信号，并将整形后的脉冲宽度调制信号(Vc)提供给输出级的输入端。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，用于产生脉冲周期比例信号的装置被实现为将与脉冲宽度调制输入信号的两个连续的上升边沿之间的周期成比例的单一脉冲周期比例信号(drr)用于校正所述单一脉冲周期的上升边沿；以及
将与脉冲宽度调制输入信号的两个连续的下降边沿之间的周期成比例的单一脉冲周期比例信号(dff)用于校正所述单一脉冲周期的下降边沿。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，将单一脉冲周期比例信号(drr、dff)用于校正所述单一脉冲周期中间的边沿。
5.如权利要求3所述的设备，其特征在于，将所述单一脉冲周期比例信号(drr、dff)用于校正所述单一脉冲周期的两个连续边沿。
6.如权利要求3所述的设备，其特征在于，单一脉冲周期比例信号包括第一和第二单一脉冲宽度(drr、dff)比例信号，一个在脉冲宽度调制输入信号的上升沿和连续的下降沿之间，而一个在脉冲宽度调制输入信号的所述下降沿和连续上升沿之间，并且两个单一脉冲宽度比例信号中的每一个都校正其脉冲的两个边沿中的一个。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述脉冲宽度调制输入信号是每一个脉冲周期都包括多个采样的数字脉冲宽度调制输入信号。
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