CN101213739A - 开关放大器及其调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种开关放大器及其调制方法，属于无滤波器型开关放大器领域，此开关放大器具有双比较器脉宽调制、多路反馈结构，每一环路仅需一个双端输出的积分放大器，在积分放大器与H桥电路之间设置至少两个反馈回路，除此外无需在反馈通路上使用其它的低通滤波器。本发明利用多路反馈回路，可以使这种开关放大器的失真降低到最小，而且开关放大器不需要在反馈通路上加入额外的低通滤波器，可使产品具有更高的成本效益。

Description

开关放大器及其调制方法
【技术领域】
本发明涉及一种开关放大器及其调制方法，尤其涉及一种无滤波器型开关放大器及其调制方法。
【背景技术】
一般来讲，传统的脉宽调制双电平输出D类开关放大器，需要由额外的电感和电容组成的输出滤波器来降低电磁干扰(EMI)。然而，这些输出滤波器增加了系统的成本和体积，这对于便携式应用是很不利的。
为了克服此缺陷，便产生了现有技术中的具有三电平输出的双比较器调制技术。该双比较器调制技术并不需要输出滤波器，它能充分利用H电桥的所有四种工作状态。它可以将电流仅在需要的时候输送给负载，而且输送到负载上的电流完全由负载自行消化，没有反向放电的浪费存在。在负载两端加上极性相反的电源电压的电流调制状态的消除，使得将H电桥的输出直接连到负载的两端成为可能。
美国专利第3585517号揭示了一种具有三电平输出的双比较器调制技术。图1给出了它的一个简化的示意框图。在这张示意图上，输入信号被送到输入端10，然后通过求和端11进入脉宽调制器12。所述脉宽调制器12的另外两个输入是三角波发生器输出端14和15上的两个相位差为180°的三角波信号。所述脉宽调制器12的输出端(即H电桥输入端)18和19上的脉宽调制(PWM)信号被送入H电桥16。H电桥16的输出端20和21被跨接到负载17的两端。H电桥16输出端20和21上的输出脉冲信号具有和H电桥输入端18和19上的脉宽调制信号相同的脉宽，但具有更大的电流驱动能力。H电桥输出端20和21上的输出脉冲信号被通过反馈环路送回到求和端11。
图2A给出了一种能够实现上述调制方法的典型电路，用来产生所需的图1中的三电平输出脉冲。音频输入信号端10连接到两个放大器28和29的正向输入端。放大器28的输出端通过电容31和它的反向输入端相连。放大器28的反向输入端通过电阻30连接到H电桥的一个输出端。相似地，放大器29的输出端通过电容33和它的反向输入端相连。放大器29的反向输入端通过电阻32连接到H电桥的另一个输出端。比较器26的一个输入端和放大器28的输出端相连，它的另一个输入端和三角波发生器13的一个三角波输出端15相连。相似地，比较器27的一个输入端和放大器29的输出端相连，它的另一个输入端和三角波发生器13的另一个三角波输出端14相连。14和15上的三角波信号幅度相同但有180°的相位差。比较器26和27的输出端分别连到H电桥的两个输入端。H电桥的两个输出端和喇叭17的两个输入端相连。积分放大器28和29把输入的音频信号和反馈回来的输出信号求和后进行积分，通过负反馈使输入信号和输出信号的差值为零，从而使H电桥的差分输出十分接近音频输入。请注意放大器28、电容31以及电阻30本质上组成了一个低通滤波器，能够在提供环路增益的同时对反馈回来的输出信号中的高频成分进行衰减。相似地，放大器28、电容31以及电阻30组成了另一个低通滤波器，实现相同的功能。脉宽调制器34由两个比较器26和27组成。
图2B表示了上述双比较器无滤波器调制方法相关的波形。在图2B中，假设波形23表示了脉宽调制器12输入端14上的三角波信号，那么波形24就表示了脉宽调制器12输入端15上的三角波信号。这两个三角波信号23和24有180°的相位差，但是幅度相同。图2B中标号为25的音频输入信号用正弦波来表示。脉宽调制器的工作过程是，音频信号25和三角波信号23和24重合的阴影部分的面积对应于负载(即喇叭)17两端的一个正向或反向的脉冲。当音频正弦波信号25幅度上升时，它和三角波信号23和24重合的阴影部分的面积随之变大，因而图2B中三电平的正向或反向的方波脉冲26的脉宽也随之变大。当音频信号25的幅度达到峰值并开始降低的时候，图2B中方波脉冲的脉宽也随之变小。反馈环路保证了图2B中三电平的输出脉冲经过低通滤波后的波形与输入音频正弦波信号25保持一致。喇叭17内部的低通滤波特性加上人耳对声音频率的反应特性会等效地把这种三电平的脉冲重新转换成模拟音频信号。
图3A给出了另外一种能够实现上述调制方法的电路，用来产生所需的图1中的三电平输出脉冲。图3B表示了与这种电路相关的波形。类似地，图3A中脉宽调制器35由两个比较器26和27组成。一个全差分的音频输入信号被送到输入端38和39，并分别通过积分放大器28和29进入脉宽调制器35。同时，被输入脉宽调制器35的还有三角波发生器36的输出端37上的单个三角波信号40。在图3B中，波形41和42表示全差分音频输入的两个互补信号。脉宽调制器35输出的两个脉宽调制信号被送入H电桥16，并最终出现在负载17的两端。图3B中给出了负载上的三电平脉冲序列，这与图2B中得到的波形完全一致。与图2A相同标号的描述请参照上述对图2A的标号描述。
尽管现有技术的双比较器调制的开关放大器比传统的单比较器调制的开关放大器更为优越，然而，由于功率开关固有的非线性特征使得失真度指标仍然不能让人满意，这限制了它的高端应用。因此，本发明的目的是提供一种具有更佳的总谐波失真性能(即失真更小)的双比较器调制技术。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种高性能的开关放大器及其调制方法，以克服现有技术存在的失真度问题的缺陷，使开关放大器具有更佳的总谐波失真性能。
为实现本发明目的，本发明提出如下技术方案：
一种开关放大器，包括：第一积分放大器，接收差分音频输入信号，积分放大后输出；第二积分放大器，接收从第一积分放大器输出端的输出信号，积分放大后输出；双比较器，每一比较器接收从第二积分放大器的输出信号，同时又接收三角波采样信号；及H桥电路，接收从双比较器调制出来的脉宽调制信号，并输出给负载；其中，H桥电路的输出端又分别与第一、第二积分放大器的输入端之间形成双反馈回路。
上述技术方案中，第一、第二积分放大器可分别为双端积分放大器，也可分别由两个单端积分放大器组成。
上述技术方案中，三角波采样信号由一个三角波发生器发生。
上述技术方案中，每一反馈回路之间均有一电阻，而在第一积分放大器接收音频输入信号之前也设有一电阻，该闭环回路的增益取决于该两电阻的比值。
上述技术方案中，每一积分放大器包括设置在输出和输入端之间的电容。
为实现本发明目的，本发明还提出如下技术方案：
一种开关放大器，包括：至少两积分放大器，接收差分音频输入信号，积分放大后输出；脉宽调制器，接收从至少两积分放大器的输出信号，同时又接收采样信号；及H桥电路，接收从比较器调制出来的脉宽调制信号，并输出给负载；其中，H桥电路的输出端直接反馈到至少两个积分放大器的输入端，形成至少两个反馈回路。
上述技术方案中，采样信号为三角波信号或者锯齿波信号。
上述技术方案中，脉宽调制器为双比较器。
上述技术方案中，积分放大器可以为双端积分放大器，也可以由两个单端积分放大器组成。
上述技术方案中，每一反馈回路之间均有一电阻，而在第一个积分放大器接收音频输入信号之前也设有一电阻，该闭环回路的增益取决于该两电阻的比值。
上述技术方案中，每一积分放大器包括设置在输出和输入端之间的电容。
为实现本发明目的，本发明还提出如下技术方案：
一种开关放大器的调制方法，包括：
步骤一，接收差分输入信号；
步骤二，所述差分输入信号通过至少两个积分放大器输出；
步骤三，积分放大器的输出信号经过脉宽调制后输出给H桥电路；
步骤四，H桥电路输出信号给负载，同时该H桥电路输出信号又分别形成至少两路反馈回路，反馈回所述至少两个积分放大器的输入端，并各自与对应的所述至少两个积分放大器的输入信号求和积分后输出。
与现有技术相比，本发明给出了一种带多路反馈和双比较器脉宽调制的开关放大器的电路及其实现方法，它具有结构更紧凑、总谐波失真更低的特点。采用双比较器脉宽调制技术可以通过在负载上产生三电平输出脉冲来免去输出滤波器的使用。采用多路反馈可以使这种开关放大器的失真降低到最小。这个经过优化的电路及其方法，使得开关放大器并不需要在反馈通路上加入额外的低通滤波器，从而使产品具有很高的成本效益。
【附图说明】
图1表示一个现有技术的双比较器脉宽调制放大器的简化框图。
图2A表示一种典型的双比较器脉宽调制放大器的电路图，它采用两个互补的三角波信号进行调制。
图2B表示图2A中所示放大器相关的工作波形图。
图3A表示另一种双比较器脉宽调制放大器的电路图，它采用单个三角波信号进行调制。
图3B表示图3A中所示放大器相关的工作波形图。
图4表示本发明中提出的脉宽调制开关放大器的一种具体电路，它具有如下特征：双比较器、多反馈回路、每个反馈回路仅用一个全差分积分放大器、每个反馈通路上无需再加额外的低通滤波器。
图5表示本发明开关放大器及其实现方法的简化示意图。
【具体实施方式】
下面参照附图具体介绍本发明的各种实施例，图中相同的结构或功能用相同的数字标出。应该指出的是，附图的目的只是便于对本发明具体实施例的说明，不是一种多余的叙述或是对本发明范围的限制，此外，附图没有必要按比例画出。
这里先要指出的是，发明人通过实验与理论得到，“负反馈”技术的一个重要特性是能够抑制模拟电路的非线性，而且反馈回路的数目越多，对失真的抑制能力也越强。因此，本发明通过实验与理论相结合，将多重“负反馈”技术应用到开关放大器上，特别是应用到双比较器脉宽调制的开关放大器上，以获得更佳的总谐波失真性能。
有多种具体实施方式可以实现上述的将多路反馈技术与双比较器脉宽调制技术合而为一以获得低失真、无滤波器型开关放大器的技术方案。图4给出了一种本发明优选的具体的实施方式，即一种采用两路反馈的放大器电路及其实现方法。参照图4所示，差分音频输入端38、39通过电阻53、54分别和积分放大器43的反向输入端和正向输入端相连。电容46跨接在积分放大器43的反向输入端和正向输出端之间。相似地，电容48跨接在积分放大器43的正向输入端和反向输出端之间。积分放大器43的正向输出端通过电阻55连到放大器44的正向输入端。相似地，积分放大器43的反向输出端通过电阻56连到放大器44的反向输入端。电容50跨接在积分放大器44的反向输入端和正向输出端之间。相似地，电容52跨接在积分放大器44的正向输入端和反向输出端之间。比较器26、27的正向输入端均与三角波发生器36的三角波输出端37相连(在这里需要说明的是，作为采样波形，三角波是比较理想的，当然也可以是诸如锯齿波等其他类似波形)。比较器26、27的反向输入端分别与积分放大器44的正向输出端和反向输出端相连。比较器26和27的输出端分别连到H电桥16的两个输入端。H电桥16的两个输出端(H桥输出方波信号)和负载(在本实施方式中是喇叭)17的两个输入端相连。H电桥16的一个输出端通过电阻45和49分别反馈到积分放大器43和积分放大器44的反向输入端。相似地，H电桥16的另一个输出端通过电阻47和51分别反馈到积分放大器43和积分放大器44的正向输入端，如图4所示。这个外层反馈回路中的积分放大器43和电容46、48以及电阻45、47实际上就组成了一个低通滤波器，能够在提供环路增益的同时对反馈回来的输出信号中的高频成分进行衰减。因此无需在输出信号的反馈通路上再加入额外的低通滤波电路。
在这里需要另外说明的是，本发明中的积分放大器及比较器的正向、反向输入/输出端是根据实际需要而选择连接正向端或连接反向端，其他结构作相应的修改即可。例如，上述优选的实施方式中，比较器26、27可以是反向输入端与三角波发生器36的三角波输出端37相连，而其正向输入端与放大器44的正向输出端和反向输出端相连。
显然，在图4中我们可以看到，图3A中的两个单端输出的积分放大器28和29已经被合并成一个双端输出的积分放大器43。容易理解，在本发明的其他实施方式中，完全可以根据需要，把双端输出的积分放大器分成两个单端输出的积分放大器。
另外，本发明中电容及电阻也是根据实际需要而决定如何设置、大小也是根据实际需要作调整。
所述积分放大器43把输入的音频信号和外层反馈回来的输出信号求和后进行积分，与此同时外层负反馈使输入信号和输出信号的差值变得很小，从而使H电桥的差分输出十分接近音频输入。类似地，第二个积分放大器44把第一个积分放大器43的输出和内层反馈回来的输出信号求和后进行积分，与此同时内层负反馈又使这两个信号的差值变得很小，从而使H电桥的差分输出更精准地接近音频输入。这个开关放大器的闭环增益取决于电阻45和53的阻值之比。
本发明给出了一种带双路反馈的双比较器脉宽调制开关放大器的电路与实现方法，它具有结构更紧凑、总谐波失真更低的特点。采用双比较器脉宽调制技术可以通过在负载上产生三电平输出脉冲来免去输出滤波器的使用。采用双路反馈可以使这种开关放大器的失真降低到很小，而这个效果只有在线性放大器能达到。这个经过优化的电路结构只需每个反馈环路使用一个全差分积分放大器，可直接反馈，而并不需要在反馈通路上加入其它的低通滤波器，从而使产品具有很高的成本效益。诚然，为了追求更好的防失真度效果，可以将本发明优选实施方式中的双路反馈增加为三路、四路等多路反馈，也可以再根据实际需要再加入额外的低通滤波器。
图5为本发明开关放大器及其实现方法的简化示意图。本发明通过在脉宽调制(PWM)方式下，在积分放大器与H桥电路之间增加至少两反馈回路，从而实现在不需要额外的低通滤波器的前提下，实现较好的防失真度效果，进一步具有体积小、成本低的有益效果。
虽然上面已经揭示了本发明的具体实施方法，但是它们不是本发明范围的局限，对于熟知本技术领域的人员来说，类似的采用两路或两路以上反馈的结构很容易从图4或图5的中衍生出来。因此，熟知本技术领域的人员对以上所述具体实施的修改和变化也包含在本发明的范围之内。

Claims (21)

1.一种开关放大器，其特征在于，它包括：
第一积分放大器，接收差分输入信号，积分放大后输出；
第二积分放大器，接收从第一积分放大器输出端的输出信号，积分放大后输出；
双比较器，每一比较器接收从第二积分放大器的输出信号，同时又接收三角波采样信号；
H桥电路，接收从双比较器调制出来的脉宽调制信号，并输出给负载；
其中，H桥电路的输出端又分别与第一、第二积分放大器的输入端之间形成双反馈回路。
2.如权利要求1所述的开关放大器，其特征在于：第一、第二积分放大器分别为双端积分放大器。
3.如权利要求1所述的开关放大器，其特征在于：第一、第二积分放大器各由两个单端积分放大器组成。
4.如权利要求1所述的开关放大器，其特征在于：三角波采样信号由一个三角波发生器发生。
5.如权利要求1所述的开关放大器，其特征在于：每一反馈回路之间均有一电阻，而在第一积分放大器接收输入信号之前也设有一电阻，该闭环回路的增益取决于该两电阻的比值。
6.如权利要求1所述的开关放大器，其特征在于：每一积分放大器包括设置在输出和输入端之间的电容。
7.一种开关放大器，其特征在于，它包括：
至少两个积分放大器，接收差分输入信号，积分放大后输出；
脉宽调制器，接收所述至少两个积分放大器的输出信号，同时又接收三角波采样信号；
H桥电路，接收从脉宽调制器调制出来的脉宽调制信号，并输出方波信号给负载；
其中，H桥电路输出的方波信号直接反馈到所述至少两个积分放大器的输入端，形成至少两个反馈回路。
8.如权利要求7所述的开关放大器，其特征在于：所述采样信号为三角波信号。
9.如权利要求7所述的开关放大器，其特征在于：所述采样信号为锯齿波信号。
10.权利要求7所述的开关放大器，其特征在于：所述脉宽调制器为双比较器。
11.如权利要求7所述的开关放大器，其特征在于：所述至少两个积分放大器为双端积分放大器。
12.如权利要求7所述的开关放大器，其特征在于：所述至少两个积分放大器各由两个单端积分放大器组成。
13.如权利要求7所述的开关放大器，其特征在于：每一反馈回路之间均有一电阻，而在第一个积分放大器接收音频输入信号之前也设有一电阻，该闭环回路的增益取决于该两电阻的比值。
14.如权利要求7所述的开关放大器，其特征在于：每一积分放大器包括设置在输出和输入端之间的电容。
15.一种开关放大器的调制方法，其特征在于，包括：
步骤一，接收差分输入信号；
步骤二，所述差分输入信号通过至少两个积分放大器输出；
步骤三，积分放大器的输出信号经过脉宽调制后输出给H桥电路；
步骤四，H桥电路输出信号给负载，同时该H桥电路输出信号又分别形成至少两路反馈回路，反馈回所述至少两个积分放大器的输入端，并各自与对应的所述至少两个积分放大器的输入信号求和积分后输出。
16.如权利要求15所述的开关放大器的调制方法，其特征在于：步骤二中所述至少两个积分放大器分别为双端积分放大器。
17.如权利要求15所述的开关放大器的调制方法，其特征在于：步骤二中所述的至少两个积分放大器各由两个单端积分放大器组成。
18.如权利要求15所述的开关放大器的调制方法，其特征在于：在所述步骤三中，利用双比较器接收积分放大器的输出信号，同时又接收采样信号，经脉宽调制后输出信号给H桥电路。
19.如权利要求18所述的开关放大器的调制方法，其特征在于：在所述步骤三中，采样信号为三角波信号或锯齿波信号。
20.如权利要求15所述的开关放大器的调制方法，其特征在于：在所述步骤四中所形成的每一反馈回路之间均有一电阻，而在第一个积分放大器接收音频输入信号之前也设有一电阻，该闭环回路的增益取决于该两电阻的比值。
21.如权利要求15所述的开关放大器的调制方法，其特征在于：在所述步骤二中所使用的每一积分放大器各包括设置在输出和输入端之间的电容。
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