CN101944887B

CN101944887B - 双反馈差分回路的单端输出型d类放大器

Info

Publication number: CN101944887B
Application number: CN 200910157831
Authority: CN
Inventors: 赵尧主
Original assignee: Eutech Microelectronics Inc
Current assignee: Eutech Microelectronics Inc
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2009-07-07
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-07-07
Also published as: CN101944887A

Abstract

本发明关于一种双反馈差分回路的单端输出型D类放大器，包含有一增益放大器、一二阶噪声滤除电路、二比较器、一逻辑电路、二半桥电路及一反相器；其中二组半桥电路配合反相器制作出相位互补的差分信号，再以配合二阶噪声滤除电路将正向及反向的输出信号与放大器及增益放大器构成双反馈差分回路，让输出信号的噪声能以消除，并提供更佳的信号失真噪声比(SDNR)值。

Description

双反馈差分回路的单端输出型D类放大器

技术领域

本发明关于一种单端输型D类放大器，尤指一种双反馈差分回路的单端输出型D类放大器。

背景技术

一般来说，输出级的放大电路概包含有A类、B类、AB类及D类等放大器，早期较常见的为AB类放大器，但随着半导体加工技术的成熟，具有较低消耗功率的D类放大器渐为常见。

D类放大器与AB类放大器最大差异即是输出脉宽调变信号推动电感性负载，而非以线性信号推动；其中该脉宽调变信号包含有声音信号以及脉宽调变开关信号和谐波信号。由于D类放大器输出脉宽调变信号，使得输出级开关电路的各开关自高阻抗切换至极低阻抗，且导通时间短，使得导通电流流经导通电阻时间相对缩短，而较AB类放大器更有效率，且消耗功率更小。

请参阅图5所示，为一种现有开回路的单端输出型D类放大器70，该D类放大器70包含有一增益放大器71、一PWM调变器72、一振荡器73、一逻辑电路74及一半桥电路75。其中该增益放大器71输入端Vi连接一外部模拟声音信号，并将该外部模拟声音信号予以放大后，如图7所示，放大的声音信号(V)经对应的PWM调变器72依据振荡器输出的振荡信号(S2)输出脉宽调变信号(P，N)，通过逻辑电路74依据脉宽调变信号控制半桥电路75启闭，由于该半桥电路供外部电感性负载60连接，该电感性负载60即可还原出声音信号。

由于该振荡器输出的振荡信号频率高，以20Hz至20KHz的声音信号为例，其配合采用的振荡信号为350KHz。请参阅图6所示，该PWM调变器72将放大后的声音信号加入高频振荡信号进行脉宽调变信号(D0)的脉宽调变，故能将包含在放大后的声音信号(S1)中的噪声(N1)推至高频段，由于该噪声(N1)被移频至较高频段，而声音数据(S1)则保留在低频段中，故D类放大器70输出至电感性负载60的前可通过该低通滤波器80的特性81，将高频的噪声(N1)滤除。

由于上述单端输出型D类放大器70虽能通过调变技术将噪声移频至高频段，但必须再配合一高阶低通滤波器80才能将高频段的噪声加以滤除，造成使用单端输出端型D类放大器电路的整体体积无法小型化。再者，由于增益放大器71及PWM调变器72均分别使用放大器元件，而放大器本身的噪声基准(NoiseFloor)又属于动态噪声的一种，因此当声音信号输入至该增益放大器71时，该动态噪声会并入放大后的声音信号中，造成最后输出信号的总谐波失真加信噪比(THD+N)与信号失真噪声比(SDNR)不佳。

因此，目前已有一种闭反馈回路的单端输出型D类放大器70a推出，请配合参阅图8所示，其包含有：

一信号放大器71，包含有一模拟输入端(Vi)，供模拟声音信号输入；

一比较器72，其一输入端连接至该信号放大器71的输出端，另一输入端则连接一振荡器73，将放大的声音信号与振荡信号比对后，以输出脉宽调变信号；

一逻辑电路74，连接至该比较器72的输出端，依据脉宽调变信号输出驱动信号；

一半桥电路75，由一上侧开关电路751及一下侧开关电路752组成，其中该上侧及下侧开关电路751，752的控制端均连接至该逻辑电路74的输出端，以接受驱动信号而决定上侧及下侧开关电路751，752的启闭，又该半桥电路75的上侧开关电路751及下侧开关电路752的串联节点为D类放大器的输出端(Do)，故可供一电感性负载60连接；及

一阶反馈电路711，连接该半桥电路75的串联节点与信号放大器71的模拟输入端(Vi)。

上述D类放大器70a包含有一阶反馈电路71，可将增益放大器本身放大器噪声、参考电压噪声、增益/频宽乘积限制以及含三角波生器的非线性值的反馈输出信号等非线性项(non-linear terms)予以消除，然而，上述一阶反馈回路仅由单一信号放大器将声音信号予以合成后作放大，因此整体的开回路增益相当有限。

发明内容

有鉴上述问题，本发明的主要目的提供一种双反馈差分回路的单端输出型D类放大器，能提供更佳的噪声失真信号比。

为达到上述目的，本发明提供一种双反馈差分回路的单端输出型D类放大器，该单端输出型的D类放大器的单端输出端连接有一反向器，以提供一组差分输出信号端；其中该D类放大器包含有一增益调整电路、二阶积分器、二比较器、一逻辑电路及一半桥电路；其中该二阶积分器包含有：

一第一差分放大器，包含有一正向输入端、一反向输入端、一反向差分输出端及一正向差分输出端，其中该正向输入端连接至该增益调整电路，以调整该第一差分放大器的增益；

二第一RC电路，分别连接于D类放大器的差分输出信号端与该第一差分放大器的正向及反向输入端之间，构成二组第一阶积分电路；

一第二差分放大器，包含有一正向输入端、一反向输入端，其中该正向输入端连接至该第一差分放大器的正向差分输出端，而该反向输入端则连接至该第一差分放大器的反向差分输出端；及

二第二RC电路，分别连接于D类放大器的差分输出信号端与该第二差分放大器的正向及反向输入端之间，构成二组第二阶积分电路。

由于单端输出型D类放大器仅有单一输出端供电感性负载连接，故本发明将该反向器连接至该单一输出端，令D类放大器提供一组差分输出信号端，而能设计全差分电路，并配合二阶积分器构成二阶回馈电路，以帮助第一及第二差分放大器本身的噪声等非线性元件能更快速衰减，并且能提供更高的高频衰减值，提高整体的噪声失真噪声比；再者，本发明D类放大器差分输出信号经过二级增益处理后可以得更精细的修正。

综上所述，本发明的有益效果在于，除了将全差分电路设计在单端输出型D类放大器外，更将第一及第二差分放大器纳入二阶回馈系统中，而能有效消除非线性元件消除，而令整个D类放大器全线性化，而相对得到更好的总谐波失真加噪声比(THD+N)效能。

本发明次一目的为提供一种可大幅降低电磁干扰的单端输出型D类放大器，意即上述半桥开关电路的高侧开关组与低侧开关组再分成二组第一及第二子半桥电路，其中第一子半桥电路的高/低侧开关数量多于第二子半桥电路的高/低侧开关数量，其中第一及第二子半桥电路的串联节点连接至D类放大器的单输出端。令上述逻辑电路输出四组脉宽调变信号至本发明的半桥电路，其中第二子半桥电路的驱动方式不变，惟逻辑电路产生驱动第一子半桥电路二组的脉宽调变信号的逻辑运算式为N1＝N2-X；P1＝X-N2，其中X及N2为差分输出信号端的差分信号与三角波信号比较后的数值。由此逻辑运算式可知，当D类放大器的差分输出端无输出时，X及N2会完全相同，使得无脉宽调变信号输出至第一子半桥电路，因此本发明即能让开关数量多的第一子半桥电路在无信号输出时不作动；而在D类放大器有信号输出时，第一子半桥电路的高/低侧开关组的其中一组有动作；因此，能有效降低半桥电路的切换损失及输出切换回转率(output switch slew rate)，可降低整体D类放大器的EMI值。

附图说明

图1为本发明第一较佳实施例的电路方块图；

图2为图1输出放大声音信号的频域图；

图3为本发明第一较佳实施例的电路方块图；

图4A、图4B为图3的波形图；

图5为一种开回路的单端输出型D类放大器电路方块图；

图6为图5输出放大声音信号的频域图；

图7为图5的波形图；

图8为一种闭回路的单端输出型D类放大器电路方块图。

附图标记说明：

10、10a-D类放大器；11-增益调整电路；20-第一差分放大器；21-第一RC电路；22-第二差分放大器；23-第二RC电路；30-比较器；31-比较器；32-三角波产生器；40、40a-逻辑电路；50-桥式电路；50a-第二子半桥电路；50b-第一子半桥电路；51-高侧开关组；52-低侧开关组；60-电感性负载；70、70a-D类放大器；701-差分放大器；71-增益放大器；72-PWM调变器；73-振荡器；74-逻辑电路；75-半桥开关；751-高侧开关组；752-低侧开关组；80-低通滤波器。

具体实施方式

请参阅图1所示，为本发明双反馈差分回路的单端输出型D类放大器10一较佳实例施例的电路方块图，其包含有一增益调整电路11、二阶积分器、二比较器30，31、一逻辑电路40、一半桥电路50及一反向器24，其中该半桥电路50包含有二相串接的一高侧开关组51及一低侧开关组52，其串联节点即为D类放大器单输出端(Do)；又，该单端输出型D类放大器的单端输出端(Do)连接该反向器24，以提供一组差分输出信号端(Do+，D0-)。其中该二阶积分器包含有：

一第一差分放大器20，包含有一正向输入端(+)、一反向输入端(-)、一反向差分输出端(-)及一正向差分输出端(+)，其中该正向输入端(+)连接至该增益调整电路11，以调整该第一差分放大器20的增益；

二第一RC电路21，分别连接至差分输出信号端(Do+，D0-)与该第一差分放大器20的正向及反向输入端(+，-)之间，构成二组第一阶积分电路；

一第二差分放大器22，包含有一正向输入端(+)、一反向输入端(-)，其中该正向输入端(+)连接至该第一差分放大器20的正向差分输出端(+)，而该反向输入端(-)则连接至该第一差分放大器20的反向差分输出端(-)；及

二第二RC电路23，分别连接于差分输出信号端(Do+，D0-)与该第二差分放大器22的正向及反向输入端之间，构成二组第二阶积分电路。

本发明将该反向器24连接至该单一输出端(D0)，使单端输出型D类放大器10提供一组差分输出信号端(Do+，D0-)，而构成一个全差分电路，并配合二阶积分器构成二阶回馈电路，帮助第一及第二差分放大器20，22本身的噪声等非线性元件能更快速衰减，如图2所示，并且能提供更高的高频衰减值，提高整体的噪声失真噪声比(SDNR)；再者，本发明D类放大器10差分输出信号(Do+，D0-)经过二级增益处理后可以得更精细的修正；因此，本发明除了将全差分电路设计在单端输出型D类放大器外，也将第一及第二差分放大器20，22纳入二阶回馈系统中，而能有效消除非线性元件消除，而令整个D类放大器全线性化，而相对得到更好的总谐波失真加噪声比(THD+N)效能。再者，全差分电路架构的单端输出型D类放大器能提高电源纹波抑制比(power supply rejection ration；PSRR)、共模拒斥比(common mode rejection)及抗噪声串扰(crosstalk noiserejection)。

再请参阅图3所示，为本发明单端输出型D类放大器10a的第二较佳实施例，其大多结构与第一较佳实施例相同，但是该半桥电路50的高侧开关组与低侧开关组再进一步分成二组第一及第二子半桥电路50a，50b，其中第一子半桥电路50a的高/低侧开关数量多于第二子半桥电路50b的高/低侧开关数量，其中第一及第二子半桥电路50a，50b的串联节点连接至D类放大器的单输出端(Do)。其中该第一子半桥电路50a的高/低侧开关数量为第二子半桥电路50b的高/低侧开关数量的3至5倍。

再者，本实施例的逻辑电路40a增加产生驱动第一子半桥电路50a二组的脉宽调变信号的逻辑运算式，分别为N1＝N2-X及P1＝X-N2，其中X及N2为差分输出信号端的差分信号与三角波信号比较后的数值。

请配合图4A所示，由于双反馈差分回路设计，当D类放大器10输出大信号时，本发明的二组比较器30，31会取得差分信号(V-，V+)，并分别与三角波信号(S2)进行比较，以输出第二子半桥电路50b的二组脉宽调变信号(N2，P2)及一组参考脉宽调变信号(X)。当逻辑电路40接收到此N2，P2两组脉宽调变信号后会直接输出至第二子半桥电路50b，再依据参考脉宽调变信号(X)及其中一组脉宽调变信号(N2)带入上述逻辑运算式，输出第一子半桥电路的二组脉宽调变信号(N1，P1)。诚如本图所示，当D类放大器10a有信号输出时，第一子半桥电路50a的高侧开关组及低侧开关组仅其中一组有动作。

再如图4B所示，当D类放大器10a单输出端(Do)无输出时，X及N2会完全相同，使得无脉宽调变信号输出至第一子半桥电路50a，即N1呈低电位而P1呈高电位，令第一子半桥电路50a的高侧开关及低侧开关均关闭不导通。因此，本发明即能让开关数量多的第一子半桥电路50a在无信号输出时不作动，而在D类放大器10a有信号输出时，第一子半桥电路50a的高侧开关组及低侧开关组仅其中一组有动作；因此，能有效降低半桥电路的切换损失及输出切换回转率(output switch slew rate)，可降低整体D类放大器的EMI值。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种双反馈差分回路的单端输出型D类放大器，其特征在于，该D类放大器单端输出端连接有一反向器，以提供一组差分输出信号端；该D类放大器包含有：

一增益调整电路；

一个二阶积分器，连接至该增益调整电路；

两个比较器，连接至该二阶积分器；

一逻辑电路，连接该两个比较器；

一半桥电路，连接至该逻辑电路；其中：该二阶积分器包含有：

一第一差分放大器，包含有一正向输入端、一反向输入端、一反向差分输出端及一正向差分输出端，其中该正向输入端连接至该增益调整电路，以调整该第一差分放大器的增益，该反向输入端连接至该增益调整电路；

两组第一RC电路，其中一组第一RC电路的电容与电阻连接端与该第一差分放大器的正向输入端连接，电容的另一端与第一差分放大器的反向差分输出端连接，电阻另一端与D类放大器的单端输出端D_o+连接；另一组第一RC电路的电容与电阻连接端与该第一差分放大器的反向输入端连接，电容的另一端与第一差分放大器的正向差分输出端连接，电阻另一端与该反向器输出端D_o-连接，以构成两组第一阶积分电路；

一第二差分放大器，包含有一正向输入端、一反向输入端、一反向差分输出端及一正向差分输出端，该正向输入端连接至该第一差分放大器的正向差分输出端，而该反向输入端则连接至该第一差分放大器的反向差分输出端，其中该正向及反向差分输出端分别连接至该两个比较器；及

两组第二RC电路，其中一组第二RC电路的电容与电阻连接端与该第二差分放大器的正向输入端连接，电容的另一端与第二差分放大器的反向差分输出端连接，电阻的另一端与D类放大器的单端输出端D_o+连接；另一组第二RC电路的电容与电阻连接端与该第二差分放大器的反向输入端连接，电容的另一端与第二差分放大器的正向差分输出端连接，电阻另一端与该反向器输出端D_o-连接，以构成两组第二阶积分电路。

2.如权利要求1所述的双反馈差分回路的单端输出型D类放大器，其特征在于，该半桥电路的高侧开关组与低侧开关组再分成两组第一及第二子半桥电路，其中第一子半桥电路的高及低侧开关数量多于第二子半桥电路的高及低侧开关数量，其中第一及第二子半桥电路的串联节点连接至该D类放大器的单端输出端。

3.如权利要求2所述的双反馈差分回路的单端输出型D类放大器，其特征在于，该逻辑电路输出四组脉宽调变信号至该半桥电路的第一及第二子半桥电路，该逻辑电路产生驱动第一子半桥电路两组的脉宽调变信号的逻辑运算式为N1=N2-X；

其中：

X为其中一差分输出信号端的差分信号与三角波信号比较后的数值；

N2：为另一差分输出信号端的差分信号与三角波信号比较后的数值。

4.如权利要求2或3所述的双反馈差分回路的单端输出型D类放大器，其特征在于，该第一子半桥电路的高及低侧开关数量为第二子半桥电路的高及低侧开关数量的3至5倍。