CN101485082B

CN101485082B - D类音频放大器

Info

Publication number: CN101485082B
Application number: CN2007800255723A
Authority: CN
Inventors: 卢岑·多佩尔; 马尔科·贝尔库特
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Top Top Technology Hongkong Co Ltd
Priority date: 2006-07-07
Filing date: 2007-07-04
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2027-07-04
Also published as: EP2041866A1; US7965141B2; WO2008007308A1; JP2010504004A; CN101485082A; US20090315623A1; EP2041866B1; TW200822536A

Abstract

一种D类放大器(1)包括：接收数字输入信号(V_in)的输入单元(11)，根据输入信号(V_in)产生经脉冲整形的信号的脉冲整形单元(12)，对经脉冲整形的信号进行比较并产生比较器信号的比较器单元(13)，根据比较器信号产生驱动器信号的驱动器单元(14)，根据驱动器信号产生输出信号(V_out)的切换输出单元(15)，以及将输出信号(V_out)反馈回脉冲整形单元(12)的反馈单元(16)。输入单元(11)包括钳位控制单元(10)，用来控制经脉冲宽度调制的输出信号(V_out)的占空比。

Description

D类音频放大器

技术领域

本发明涉及音频放大器。更具体地说，本发明涉及D类放大器，其能够产生经脉冲宽度调制的输出信号。

背景技术

在D类放大器中，输出级被用作用于根据输入信号在正负电源电压之间切换输出信号的开关。因此，所得到的输出信号是经脉冲宽度调制的双极信号，它能够被解调滤波器解调，随后扬声器使之可被听到。

输出级的切换通常使一对输出晶体管中的一个晶体管导通而使另一个晶体管截止。当输出晶体管之一截止时，它的电流为零，从而其功耗为零，于是产生了高效率以及相对较低的功率和冷却要求。

D类放大器通常配置有积分模拟反馈回路以减小输出级所引入的所有失真。为此，输出信号通常被反馈至脉冲整形电路以便根据输出信号来调整脉冲整形。

但是，反馈回路的增益会影响输出信号调制深度。当电源电压降低时，例如，反馈回路将会调节脉冲宽度(因此调节调制深度)以补偿幅度损失。这使得放大器的输出信号具有比输入信号大的调制深度。最终，增大的调制深度会使输出信号钳位(clip)至电源电压并停止改变符号。随后，包含在反馈回路中的积分器将偏离其正常的工作范围，并且也钳位至电源电压。D类放大器通常从这种情况恢复得很慢，并且当占空比返回正常操作值时会使解调后的输出信号开始发生失真。

美国专利US6577186(Berkhout/Philips)公开了一种包括脉冲宽度调制级和切换级的D类放大器。振荡器向脉冲宽度调制级的第二积分器提供时钟信号，同时反馈回路将输出信号反馈回脉冲宽度调制级的第一积分器。为了防止或限制钳位，提供了脉冲宽度调制限制器来有效地限制调制深度。该现有技术的脉冲宽度调制限制器被布置在脉冲宽度调制级和切换级之间，其接收比较器信号以及时钟信号以便在时钟信号的边沿产生最小宽度的输出脉冲。这些最小宽度的输出脉冲确保了载波频率总是存在于输出信号中，并且允许存在于切换输出单元中的任何自举电容器都被有规律地重新充电，从而确保了切换输出单元的正常功能。

虽然美国专利US6577186的装置性能不错，但是它的使用局限于具有时钟发生器的D类放大器。已经发现，如果输入信号是数字信号，例如PDM(脉冲密度调制)信号或PWM(脉冲宽度调制)信号，那么可以省掉时钟发生器。此外，该现有技术解决方案有效地使得输出改变其符号，但是却仍允许积分器失控，所以它仅仅针对问题提供了部分解决方案。

发明内容

本发明的一个目的是克服现有技术的这些和其它问题，并提供一种D类放大器，其中在控制脉冲整形单元的性能的同时确保D类放大器的输出信号改变符号。

于是，本发明提供了如权利要求1所述的D类放大器。

通过提供控制输入信号的钳位控制单元，即使在占空比非常高或非常低的情况下，也可以确保放大器保持正常功能。也就是说，钳位控制电路使整个放大器在其正常的工作范围下工作。于是，这就确保了输出信号不断改变符号。虽然不能一直防止钳位(也就是，解调后的输出信号到达电源电压)，但是规律的符号变化使得可以对输出信号进行解调。

根据本发明的D类放大器的一个优点是，可能作为反馈回路的一部分的积分器保持其正常的工作范围，从而提供了极大改进的钳位恢复。并且，可能出现在放大器中的用于产生经脉冲宽度调制的输出信号的任何自举电容器都被规律地重新充电。

根据本发明的D类放大器的另一个优点是，不需要振荡器来提供时钟频率，这是因为该D类放大器接收的是数字输入信号。还注意到，如果提供了适当的A/D(模拟/数字)转换器，那么放大器还可用来接收模拟信号。例如，数字输入信号可以是PDM(脉冲密度调制)信号或PWM(脉冲宽度调制)信号。

如上所述，钳位控制单元(优选地位于放大器的输入端)被设计为通过控制输入信号的占空比来限制经脉冲宽度调制的输出信号的占空比。虽然可以采用各种方式来实现这一点，但是优选地布置钳位控制单元来接收表示输出信号输出指示符信号，并用于对输入信号的变化进行延迟直到该输出指示符信号已经响应了输入信号的上一次变化。这样，确保了输出信号将不断改变符号。实际上，输入信号的脉冲宽度被调节为使输出信号发生符号改变的最小值。

上述输出指示符信号优选地等同于比较器信号，或者输出指示符信号是从比较器信号导出的。也就是说，优选地，钳位控制单元接收比较器信号或其等价形式作为输出信号的指示符。可选地，输出指示符信号等同于输出信号，或者输出指示符信号是从输出信号导出的。应该理解的是，可通过分压或其它电操作或者通过诸如反相之类的逻辑操作来从比较器信号或输出信号导出输出指示符信号。

如上所述，本发明的输入单元包括钳位控制单元。该输入单元还包括其它部件，例如用于将数字(双极)输入信号转换成可被脉冲整形单元处理的模拟信号的D/A(数字/模拟)转换器。

钳位控制单元的各种实施例是可行的。例如，钳位控制单元可包括状态机、滞后回路或逻辑电路。

脉冲整形单元可包括至少一个积分器。在优选实施例中，脉冲整形单元包括两个积分器。

本发明的放大器还可以包括用于对输出信号进行解调的解调滤波器，以便产生可被诸如扬声器之类的适当换能器呈现的可听信号。

本发明还提供了：包括上文定义的D类放大器的音频系统、包括上文定义的D类放大器的消费电子装置、以及用于在上文定义的D类放大器中使用的钳位控制单元。消费电子装置可以是诸如便携式CD播放器或DVD播放器之类的便携式消费电子装置。

本发明还提供了一种驱动D类放大器的方法，所述放大器能够接收数字输入信号并且其中输出信号被反馈以对脉冲进行整形，该方法包括通过控制输入信号限制经脉冲宽度调制的输出信号的占空比的步骤。

在优选实施例中，本发明的方法还包括以下步骤：接收表示输出信号的输出指示符信号，并对输入信号的变化进行延迟直到该输出指示符信号已经响应了输入信号的上一次变化。

附图说明

下文将参考附图中所示的示例实施例来进一步说明本发明，其中：

图1示意性地示出了根据现有技术的示例性D类放大器。

图2示意性地示出了根据本发明的示例性D类放大器。

图3示意性地示出了根据本发明的脉冲宽度控制单元的操作。

图4示意性地示出了根据本发明的脉冲宽度控制单元所控制的时间信号。

图5示意性地示出了根据本发明的脉冲宽度控制单元的一个实施例。

图6示意性地示出了根据本发明的脉冲宽度控制单元的替换实施例。

图7示意性地示出了根据本发明的音频系统。

图8示意性地示出了根据本发明的消费电子装置。

具体实施方式

图1所示的现有技术的D类放大器1’包括输入单元11、脉冲整形单元12、比较器单元13、驱动器单元14、切换输出单元15、反馈电阻器16、脉冲宽度调制限制器17以及振荡器(时钟脉冲发生器)18。放大器1’的输出被耦接至解调滤波器19，解调滤波器19继而耦接至扬声器2。在前面提到的美国专利US6577186中详细地描述了放大器1’。

在放大器1’中，输入单元11将模拟输入电压转换成模拟输入电流。脉冲宽度调制单元12包括两个积分器，每个积分器均由运算放大器和电容器构成，每个积分器的输出均耦接至比较器单元13的各个输入。振荡器18所产生的时钟信号被馈入第二积分器的输入。

在比较器单元13和驱动器单元14之间插入了脉冲宽度调制限制器17，其用作限制调制宽度。脉冲宽度调制限制器17还从振荡器18接收时钟信号，并且将调整后的比较器信号提供给驱动器电路14。该驱动器电路14从调整后的比较器信号中导出适合的驱动器信号，并且将这些驱动器信号提供给切换输出单元15。任何时候都只有切换输出单元15的两个开关中的一个是接通的，有效地在正电源电压+V_s和负电源电压-V_s之间切换。

解调滤波器19(在示例中，其由电感器和电容器组成)对经脉冲宽度调制的输出信号V_out进行解调以便产生可被扬声器2展现的语音信号。

数字输出信号V_out通常规律地改变符号，变化频率通常高于将要再现的最高音频频率的数量级。这允许切换输出单元15的任何自举电容器(未在图1中示出)都能够被有规律地重新充电。但是，这种重新充电仅仅在(数字)输出信号V_out不停改变符号时才是可能的。如果几个连续脉冲的占空比均为0％或100％，那么这种电容器的重新充电是不可能的，于是切换输出单元15将不能正常工作。

为了防止出现这种情况，图1的现有技术放大器1’配置有脉冲宽度限制器17，其用来根据时钟信号V_clock来提供比较器信号V_c的确定的最大脉冲宽度。实际上，因此，现有技术的脉冲宽度限制器校正了比较器信号V_c。如果比较器信号V_c需要被校正，那么前一级(在本示例中为脉冲宽度单元12)一定已经产生了一个错误的脉冲宽度。这很可能是由于脉冲宽度单元12的两个积分器或其中之一不能返回到正常的操作值而引起的。反之，积分器的输出电压可能会达到并停留在电源电压，从而造成比较器信号V_c的错误的脉冲宽度，由此造成输出信号V_out的错误的脉冲宽度。

在本发明中，通过控制输入信号而不是比较器信号来防止脉冲整形单元的错误行为。图2中对其进行了图示，其中输入单元11中布置了脉冲宽度控制(PWC)单元10。通过控制输入信号(后面将对其进行详细说明)，在不希望的脉冲宽度不利地影响到脉冲整形单元的任一积分器的操作之前，可以在尽可能早的级中消除所有不希望的脉冲宽度。

如图2所示，本发明的D类放大器1包括：用于接收数字输入信号V_in的输入单元11、用于根据输入信号V_in产生经脉冲整形信号的脉冲整形单元12、用于对脉冲整形后的信号进行比较并产生比较器信号的比较器单元13、用于根据比较器信号V_c产生驱动器信号的驱动器单元14、用于根据驱动器信号产生经脉冲宽度调制的输出信号V_out的切换输出单元15、以及用于将输出信号V_out反馈回脉冲整形单元12的反馈单元16。

在所示的实施例中，切换输出单元15包括串联的两个MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。这些晶体管可被驱动成交替导通，从而使得输出信号V_out交替地等于或基本上等于正电源电压+V_s和负电源电压-V_s。本领域技术人员将能认识到，可以得到可替换的切换输出单元，例如其中使用了四个晶体管的所谓桥接布置的单元。

可以看出，反馈单元由电阻器16组成，电阻器16耦接在切换输出单元15的输出以及脉冲整形电路12的输入之间以便对输出信号V_out进行反馈。除了电阻器16之外，还可以使用其它电路，例如滤波器电路。

在图2所示的示例实施例中，脉冲整形单元12包括串联的两个积分器。但是，可以构思出替换实施例，其中脉冲整形单元12仅仅包括一个积分器，或者其中替换电路被用来产生适当整形后的脉冲。

在所示实施例中，用于接收数字输入信号V_in的输入单元11包括D/A(数字/模拟)转换器16，用于将数字(双极)输入信号V_in转换成可被脉冲整形电路12处理的模拟信号。根据本发明，输入单元11还包括脉冲宽度控制(PWC)单元10，该脉冲宽度控制(PWC)单元10通过控制输入信号V_in来限制经脉冲宽度调制的输出信号V_out的占空比。通过比较输入信号V_in的边沿和比较器13产生的比较器信号V_c，可以实现这个目的。

如果输入信号V_in从低(“-V_in”)变为高(“+V_in”)，该信号出现上升沿。在中间电路引起的短暂延迟之后，比较器信号V_c中将会出现相应的下降沿(放大器造成了比较器信号V_c相对输入信号V_in的反相)。如果在所述比较器信号中出现下降沿之前输入信号从高变回低(下降沿)，输入信号中的短脉冲可能将不会反映在输出信号中。换句话说，在输入信号的符号发生了两次变化(一个上升沿和一个下降沿)，而比较器信号的符号没有发生变化，因此输出信号的符号没有变化。如上所述，明显不希望出现这种情况。

为此，脉冲宽度控制(PWC)单元10“拉长”输入信号V_in中的任意脉冲，直到比较器信号V_c(或者可选地，输出信号V_out)已经改变了符号。换句话说，本发明的脉冲宽度控制单元10对输入信号的任何符号变化进行延迟直到比较器信号已经跟上了前一次符号变化。在大部分情况下，由于输入信号脉冲的持续时间大于脉冲整形电路12和比较器13的固有延迟，所以并不需要引入延迟。但是，在极其短的脉冲的情况下，将引入延迟以便确保这些短脉冲将被放大器1的切换输出级再现。脉冲宽度控制(PWC)单元10还被称为钳位控制单元，这是因为它控制了放大器1的钳位性能。实际上，PWC单元10在输入信号馈入脉冲整形电路12之前控制了(也就是，在必要时修改了)输入信号的调制深度(及占空比)，从而控制了输出信号的调制深度(及占空比)，进而控制了放大器的钳位性能。

应该注意的是，本发明的放大器1不需要时钟脉冲发生器(图1中的振荡器18)，这是因为数字输入信号已经提供了足够的定时信息。但是，可以构思出其中使用了振荡器的实施例，例如当接收了模拟输入信号时。在这种实施例中，仍可以将比较器信号V_c或者从输出信号V_out导出的信号馈入布置在放大器输入端的钳位控制单元。

还应该注意的是，放大器1的切换输出单元可能包括自举电容器(为了图示清楚，该自举电容未在图2中示出)。该自举电容器在晶体管151处于导通状态时用于该晶体管的悬浮电源供电。如果输出信号V_out不能规律地变化符号(如通常的D类放大器中可能出现的情况)，该自举电容器将不会被重新充电，并且切换输出级可能会不再正常工作。在本发明的放大器中，确保了输出信号将不断改变符号，并且自举电容器将被重新充电。

在图3中通过状态图的方式图示了脉冲宽度控制(PWC)单元10的操作。在状态S₀，脉冲宽度控制单元10的输出信号V_pwc为低(V_pwc＝0)。如果输入信号V_in变成高(V_in＝1)，那么该单元跳转至状态S₁，并且信号V_pwc变成高。

在状态S₁，单元对输入信号V_in不敏感，其在跳转至状态S₂之前等待它的第二输入信号(比较器信号V_c)变成低。PWC单元输出信号V_pwc保持为高(V_pwc＝1)。在状态S₂，单元再次对(第一)输入信号V_in敏感。如果输入信号V_in变成低，那么该单元进入状态S₃，并且V_pwc也变成低。在状态S₃，单元在返回初始状态S₀之前等待比较器信号V_c变成高。该循环一直重复下去。

因此，可以看出，PWC单元10在响应于输入信号V_in的变化而改变其输出信号V_pwc之前会等待比较器信号V_c改变符号。本领域技术人员将会认识到，通过合适的硬件电路可以实现状态机。

这在图4中得到了进一步图示，其中示出了各种时间信号。最初，输入信号V_in和钳位控制单元输出信号V_pwc为低(信号电平-1)，而比较器信号V_c为高(信号电平+1)。在时间t₀，输入信号V_in出现上升沿并且变成高(+1)。这使得单元10的输出信号V_pwc也变成高(+1)。在t₁，输入信号V_in再次变成低(信号电平-1)。但是，比较器信号V_c还没有改变符号，它仍为高(+1)。根据本发明，单元10的输出信号V_pwc会保持为高，直到比较器信号V_c变成低。

在一定的延迟之后，比较器信号V_c在时间t₂变成低(-1)(图3中从状态S₁到状态S₂的变化)。现在，钳位单元输出信号V_pwc也变成低。实际上，输入脉冲已经被“拉长”以便比较器(图2中的13)能够跟上。在t₃，比较器信号V_c响应于t₂处V_pwc的下降沿而再次变成高。

可利用滞后回路而不是状态机来实现PWC单元10。在该实施例中，PWC单元10包括加法器51和滞后单元52。加法器51接收输入信号V_in和比较器信号V_c。在该实施例中，假设高信号电平为+1，而低信号电平为-1。本领域技术人员将会认识到，标为52的滞后回路将输出信号V_pwc(纵轴)表示为信号V_d(横轴)的函数，并且V_pwc以逆时针方向循环通过滞后回路。

如果起始的时候V_in为低(-1)并且V_c为高(+1)，那么所得到的信号V_d等于0(滞后单元52的记忆模式(memory mode))并且钳位控制(或脉冲宽度控制)单元输出信号V_pwc保持为低(-1)。这对应于图4中t₀之前的状态。当V_in变成高(+1)，V_d等于+2并且滞后回路52输出一个等于高(+1)的信号V_pwc，如图4中的t₀(开关模式)。当V_in在t₁变成低(-1)，V_d再次变成0(记忆模式)并且V_pwc保持为高(+1)。随后，当V_c在t₂变成低，V_d变成-2并且V_pwc变成低(-1)。在t₃，当V_c当变回高，V_d变成0(记忆模式)并且V_pwc保持为低(-1)。

可替换地，PWC单元10可被实现为逻辑电路，如图6所示，其包括反相器、AND门以及触发器。输入信号V_in和比较器信号V_c的反相(反相器61)被馈入第一AND门63，当V_in为高并且V_c为低时AND门63的输出为高。类似的，输入信号V_in的反相(反相器62)和比较器信号V_c被馈入第AND门64，当V_in为低并且V_c为高时AND 门64的输出为高。AND门63和64产生的信号被输入SR触发器65的S输入端和R输入端。输出Q得到信号V_pwc。

图7中示意性地示出的根据本发明的音频系统3包括分别用于接收输入信号V_in1和V_in2的两个D类放大器。解调滤波器19对放大器1的输出信号进行解调，并且将解调后的信号馈入各个扬声器2。音频系统3有选择地包括A/D转换器，用于将模拟输入信号转换成数字输入信号(V_in1和V_in2)。音频系统还可以包括声源(例如DVD装置)、其它放大器以及其它扬声器(未示出)。

图8中示意性地示出的根据本发明的消费电子装置4包括D类放大器1、解调滤波器19以及扬声器2。消费电子装置(可以是便携式的)还可以包括诸如DVD装置或MP3存储单元(未示出)之类的声源。

本发明的D类放大器还可被称为推挽放大器或开关放大器，这是因为输出电压V_out在+V_s(“上拉至+V_s”)和-V_s(“下拉至-V_s”)之间切换。

本发明基于这样的想法，即，通过控制放大器的输入信号的脉冲宽度可以最佳地确保D类放大器的正确操作。本发明还得益于这样的想法，即，可以有利地采用比较器信号控制输入信号的脉冲宽度。

总之，本发明涉及D类放大器，其包括：用于接收数字输入信号V_in的输入单元11、用于根据输入信号V_in产生经脉冲整形的信号的脉冲整形单元12、用于对经脉冲整形的信号进行比较并产生比较器信号的比较器单元13、用于根据比较器信号产生驱动器信号的驱动器单元14、用于根据驱动器信号产生经脉冲宽度调制的输出信号V_out的切换输出单元15、以及用于将输出信号V_out反馈回脉冲整形单元12的反馈单元16。输入单元11包括钳位控制单元10，该钳位控制单元用于控制经脉冲宽度调制的输出信号V_out的占空比。

注意，本文中使用的术语不应该被解释为限制本发明的范围。特别地，词语“包括”和“含有”并不排除未特别指出的元素的存在。单个(电路)元件可被多个(电路)元件替代，或被其等价物替代。

本领域技术人员还应该理解的是，本发明并不限于上述实施例，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下可以对实施例做出多种修改和添加。

Claims

1.一种D类放大器，包括：

输入单元，用于接收数字输入信号，

脉冲整形单元，用于根据输入信号产生经脉冲整形的信号，

比较器单元，用于对经脉冲整形的信号进行比较，并产生比较器信号，

驱动器单元，用于根据比较器信号产生驱动器信号，

切换输出单元，用于根据驱动器信号产生经脉冲宽度调制的输出信号，以及

反馈单元，用于将输出信号反馈至脉冲整形单元以用于脉冲整形，

其中，所述输入单元包括钳位控制单元，用于通过控制输入信号的占空比来限制经脉冲宽度调制的输出信号的占空比；

其中，钳位控制单元接收表示输出信号的输出指示符信号，并对输入信号的变化进行延迟直到该输出指示符信号已经响应了输入信号的上一次变化。

2.如权利要求1所述的D类放大器，其中，输出指示符信号等同于比较器信号，或者输出指示符信号是从比较器信号导出的。

3.如权利要求1所述的D类放大器，其中，输出指示符信号等同于输出信号，或者输出指示符信号是从输出信号导出的。

4.如权利要求1所述的D类放大器，其中，输入单元还包括一个D/A转换器。

5.如权利要求1所述的D类放大器，其中，钳位控制单元包括状态机、滞后回路或逻辑电路。

6.如权利要求1所述的D类放大器，其中，脉冲整形单元包括至少一个积分器。

7.如权利要求1所述的D类放大器，还包括对输出信号进行解调的解调滤波器。

8.一种音频系统，包括如权利要求1至7中的任一权利要求所述的D类放大器。

9.一种消费电子装置，包括如权利要求1至7中的任一权利要求所述的D类放大器。

10.一种钳位控制单元，用于根据权利要求1的D类放大器中。

11.一种驱动D类放大器的方法，所述放大器能够接收数字输入信号并且其中反馈输出信号以对脉冲进行整形，该方法包括通过控制输入信号的占空比来限制经脉冲宽度调制的输出信号的占空比的步骤；

所述方法还包括以下步骤：接收表示输出信号的输出指示符信号，并对输入信号的变化进行延迟直到该输出指示符信号已经响应了输入信号的上一次变化。

12.如权利要求11所述的方法，其中数字输入信号是经脉冲密度调制的输入信号或经脉冲宽度调制的输入信号。