CN102332876B - 高效放大器和在其中大幅降低电磁干扰的方法 - Google Patents

高效放大器和在其中大幅降低电磁干扰的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于大幅降低电磁干扰(EMI)的高效放大器。该高效放大器包括将大功率信号提供至负载的输出级。高效放大器还包括在输出级的控制信号中产生定时非重叠的重叠保护电路，以及降低大功率信号的瞬时部分以基本降低EMI的边缘控制电路。可能采用电阻性源极负反馈实现重叠保护电路和边缘控制电路。本发明还公开了相关的方法。在一个实施例中，在蜂窝电话或移动音频设备中采用所述高效放大器和相关的方法。

Description

高效放大器和在其中大幅降低电磁干扰的方法
技术领域
本发明通常涉及电子电路与系统领域。更具体地，本发明涉及放大器电路领域。
背景技术
开关功率放大器(比如D类放大器)潜在地为移动设备提供有效放大。但是，当在许多移动设备(如同蜂窝电话和移动音频设备)中使用时，常规的开关功率放大器呈现出问题。不幸的是，常规的开关功率放大器的驱动电路发射可能干扰其他移动设备的电磁干扰(EMI)。例如，EMI可能造成移动设备不能达到联邦通信委员会(FCC)标准。此外，快速的输出转变可能导致大的瞬时变化以及大功率信号中的过冲和负脉冲信号，所述大功率信号在常规的开关功率放大器中驱动输出级晶体管。这些瞬时变化可以损坏设备并严重降低放大器效率。
常规的无源滤波器或常规的EMI降低电路两者都没有成功解决这些缺点。例如，尽管集成的无源滤波器部分限制了大功率信号中的瞬时变化，但是这一类型的滤波器仍然不能限制由于驱动电路而引起的EMI。相反的，常规的EMI降低电路降低了EMI但是忽略了限制大功率信号中的瞬时变化。人们期望能够连贯地同时减少EMI和常规开关功率放大器的大功率信号的大的瞬时变化以及过冲和负脉冲信号，而又没有显著的开关损耗或消弧电流(crowbarcurrent)。
因此，需要通过提供具有降低的EMI的、并且适合于在移动通信设备中实现的高效放大器，克服所述技术领域中的缺点和缺陷。
发明内容
本发明涉及具有降低的电磁干扰的高效放大器，结合至少一幅附图进行了详细描述，并在权利要求中得到了更完整的阐述。
根据本发明的一个方面，提供大幅降低电磁干扰(EMI)的高效放大器，所述高效放大器包括：
将大功率信号提供给负载的输出级；
在所述输出级的第一控制信号中产生定时非重叠的第一重叠(overlap)保护电路；
减慢所述大功率信号的瞬时部分以及降低所述大功率信号中的过冲和负脉冲信号的第一边缘控制电路，从而大幅降低所述EMI。
优选地，调整所述第一重叠保护电路产生的所述定时非重叠，以在所述输出级中基本消除消弧电流。
优选地，所述第一重叠保护电路包括至少两个晶体管，所述至少两个晶体管中的每一个包括可变的源极负反馈，所述源极负反馈是可调节的、以产生所述定时非重叠。
优选地，所述可变的源极负反馈包括电阻性源极负反馈。
优选地，所述第一重叠保护电路包括反相器，所述反相器通过第一可变阻抗与第一电源电压耦合，所述反相器通过第二可变阻抗与第二电源电压耦合。
优选地，所述第一可变阻抗和所述第二可变阻抗是可调节的，以产生所述定时非重叠。
优选地，所述第一边缘控制电路包括至少两个晶体管，所述至少两个晶体管中的每一个包括可变的源极负反馈，所述源极负反馈是可调节的、以减慢所述瞬时部分和降低所述大功率信号的过冲和负脉冲信号。
优选地，所述可变的源极负反馈包括电阻性源极负反馈。
优选地，所述第一边缘控制电路包括反相器，所述反相器通过第一可变阻抗与第一电源电压耦合，所述反相器通过第二可变阻抗与第二电源电压耦合。
优选地，所述第一可变阻抗和所述第二可变阻抗是可调节的，以减慢所述瞬时部分和降低所述大功率信号中的过冲和负脉冲信号。
优选地，所述第一边缘控制电路用于调节所述大功率信号的转换速率，从而减慢所述大功率信号的瞬时部分和降低所述大功率信号中的过冲和负脉冲信号。
优选地，在蜂窝电话的D类放大器中采用所述高效放大器。
优选地，所述高效放大器还包括：
在所述输出级的第二控制信号中产生第二定时非重叠的第二重叠保护电路；
第二边缘控制电路。
优选地，所述高效放大器还包括用于阻止所述第一控制信号和所述第二控制信号同时将ON信号提供给所述输出级的控制失效保护(failsafe)电路。
优选地，所述控制失效保护电路包括或非门，所述或非门具有与所述第一重叠保护电路的输入耦合的输出。
根据本发明的一个方面，提供在高效放大器中大幅降低电磁干扰(EMI)的方法，所述方法包括：
接收已调信号；
在所述高效放大器的输出级的控制信号中产生定时非重叠；
在所述输出级中，减慢瞬时部分和降低大功率信号的过冲和负脉冲信号，从而大幅降低所述EMI。
优选地，所述产生所述定时非重叠基本消除所述输出级中的消弧电流。
优选地，所述产生所述定时非重叠包括改变所述高效放大器的重叠保护电路的负反馈阻抗。
优选地，所述减慢所述瞬时部分和所述降低所述大功率信号的过冲和负脉冲信号包括改变所述高效放大器的边缘控制电路的负反馈阻抗。
优选地，所述减慢所述瞬时部分和所述降低所述大功率信号的过冲和负脉冲信号包括调整所述大功率信号的转换速率。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的、在移动设备中实现的示范性开关放大器的概念性框图；
图2A是根据本发明的一个实施例的、用于降低电磁干扰(EMI)的高效放大器的框图；
图2B是根据本发明的一个实施例的、描述高效放大器中的定时非重叠的示意图；
图3是根据本发明的一个实施例的、呈现在高效放大器中大幅降低EMI的方法的流程图；
图4A是在常规的放大器电路中信号转变的示意图；
图4B是根据本发明的实施例的、高效放大器电路中信号转变的示意图。
具体实施方式
本发明涉及具有降低的电磁干扰(EMI)的高效放大器。尽管参照特定的实施例描述本发明，但是由此处所附的权利要求所确定的本发明的原理可以明显地超出此处描述的发明的特定描述的实施例的范围得以应用。此外，在本发明的描述中，为了避免使本发明的创造性方面模糊，一定的细节已经省去。省去的细节在本领域的普通技术人员的知识范围内。
本申请中的图和它们伴随的细节描述仅仅涉及本发明的示范性实施例。为了维持简洁，使用本发明的原理的本发明的其他实施例并没有在本申请中进行特定描述或由图进行特定阐述。应该记住的是，除非另有注释，否则图中的相似的或对应的元件由相似的或对应的参考数字表明。此外，本申请中的图和说明通常不按比例，并且没有意图对应于实际的相对尺寸。
开关功率放大器(比如D类放大器)典型地包括调制器、驱动器和负载。调制器将已调的脉冲信号提供至驱动器，所述驱动器可以使用晶体管的开关功能，以采用大功率信号驱动负载。但是，当在很多移动设备(包含蜂窝电话和移动音频设备)中使用时，有效的、常规的开关功率放大器可以呈现出问题。不幸的是，由常规的开关功率放大器的驱动电路产生的EMI可能干扰无线通信，并且可能破坏对联邦通信委员会(FCC)运行要求的遵守。此外，常规的驱动电路可以体现出可能破坏灵敏的电子设备、消耗大量动态功耗以及降低放大器效率的大的瞬时电流变化。常规的无源滤波器和常规的EMI降低电路没有协调地解决这些问题。
图1是根据本发明的一个实施例的、包括高效放大器102的移动设备环境100的框图。如图1中所示，高效放大器102将大功率信号182提供至负载190，所述负载190可能包括例如扬声器、移动设备耳机或多功能设备。高效放大器102可能包括脉宽调制器/脉冲密度调制器110和驱动电路130。驱动电路130可能包括预驱动器级140(pre-driver stage)和输出级180。高效放大器102可能集成至半导体铸模中和/或在蜂窝电话或移动音频设备中实现。注意的是，尽管图1将来自高效放大器102的大功率信号182表示为单端输出，但是更一般地，高效放大器102可以适应于提供不同的输出至诸如负载190的负载。
图2A是描述高效放大器202的示意图，该图进一步描述了图1中的高效放大器102所提供的示范性特征。图2A中，高效放大器202包括脉宽调制器/脉冲密度调制器210以及包含预驱动器级240和输出级280的驱动电路230。高效放大器202的脉宽调制器/脉冲密度调制器210可能将已调的信号212提供至驱动电路230。输出级280可能包括开关电路286，为了提供开关放大，所述开关电路具有以H-桥配置或本领域中已知的其他配置排列的一个或多个功率晶体管。第一控制信号272a和第二控制信号272b控制输出级280。输出级280可能在输出端232提供大功率信号282。
比较图1和图2，可以看出，图2A中的预驱动器级240和输出级280可以对应于图1中各自部分的预驱动器级140和输出级180。此外，输出端232可能对应于一对差分输出端的其中一个。因此，在一个实施例中，高效放大器202可能包含两个重复的驱动电路230，每个驱动电路230从脉宽调制器/脉冲密度调制器210接收已调的输入，并且在对应于输出端232的各自的差分输出端提供各自的大功率输出信号。
根据图2A中所示的实施例，预驱动器级240驱动输出级280。如图2A中所示，预驱动器级240可能包括第一重叠保护电路250a、第二重叠保护电路250b、第一边缘控制电路260a以及第二边缘控制电路260b。除了这些部件，预驱动器级240可能还包括或非门244a和244b，以及反相器242、245a、246a、268a、246b和268b。
专注于重叠保护电路250a和250b，重叠保护电路250a和250b可能包含由至少两个晶体管组成的反相器，至少两个晶体管中的每一个包括可变的源极负反馈(比如电阻性源极负反馈)，所述源极负反馈是可调节的，以产生定时非重叠。例如，第一重叠保护电路250a可能包括至少包含两个晶体管的反相器254a。反相器254a可能通过第一源极负反馈电阻器252a与电源电压259耦合，以及通过第二源极负反馈电阻器256a与电源电压258耦合。相似地，第二重叠保护电路250b可能包括可能包含至少两个晶体管的反相器254b。反相器254b可能通过源极负反馈电阻器252b与电源电压259耦合，以及通过源极负反馈电阻器256b与电源电压258耦合。
在这一实施例中，边缘保护电路260a和260b可能也包含至少两个晶体管，所述至少两个晶体管中的每一个包括可变的源极负反馈(比如电阻性源极负反馈)，所述源极负反馈是可调节的、以减慢瞬时部分和降低大功率信号的过冲和负脉冲信号。如图2A中所示，第一边缘保护电路260a可能包括可能包含至少两个晶体管的反相器264a。反相器264a可能通过源极负反馈电阻器262a与电源电压259耦合，以及通过源极负反馈电阻器266a与电源电压258耦合。第二边缘保护电路260b可能包括可能包含至少两个晶体管的反相器264b。反相器264b可能通过源极负反馈电阻器262b与电源电压259耦合，以及通过源极负反馈电阻器266b与电源电压258耦合。注意的是，尽管图2A将源极负反馈表征为电阻提供，但是更一般地，可以通过将各自的晶体管与它们各自的电源电压耦合的可变的负反馈阻抗来提供源极负反馈。
进一步如图2A中所示，根据本发明，预驱动器级240可能包括两个控制失效保护电路。第一控制失效保护电路可能包括具有与第一重叠保护电路250a耦合的第一或非门244a。第一或非门244a的输入可能包括由例如输入反相器242反相后的已调的信号212以及第二控制信号272b。第二控制失效保护电路可能包括具有与第二重叠保护电路250b耦合的第二或非门244b。第二或非门244b的输入可能包括已调的信号212以及第一控制信号272a。
另外，反相器242、245a、246a、268a、246b和268b可能分别连接预驱动器级240中的部件。因此，输入反相器242可能连接已调的信号212和第一或非门244a。反相器245a和246a可能连接第一或非门244a和第一重叠保护电路250a。相似地，反相器246b可能连接第二或非门244b和第二重叠保护电路250b。反相器268a可能连接第一重叠保护电路250a和第一边缘控制电路260a。反相器268b可能同样地连接第二重叠保护电路260b和第二边缘控制电路260b。
在图1和图2A中例证的本发明的实施例将参照图3中的流程图300以及图2B、4A和4B作进一步描述。根据本发明的一个实施例，图3中的流程图300描述由高效放大器使用的大幅降低EMI的方法的步骤。根据本发明的一个实施例，图2B描述了高效放大器中的定时非重叠，而图4A和4B展示了分别由常规的开关放大器和根据本创造性概念运作的一个开关放大器产生的输出信号变化。
参考图3，注意的是，已经在流程图300中省去了对本领域的普通技术人员来说显而易见的一定细节和特征。例如，一个步骤可能包括所属领域中已知的一个或多个子步骤。尽管流程图300中表明的步骤310至340对于描述本发明的一个实施例是足够的，但是本发明的其他实施例可能利用与流程图300中所示的这些不同的步骤。
流程图300的步骤310包括接收已调的信号。参考图2A，步骤310可能视为对应于由高效放大器202的驱动电路230接收已调的信号212。如图2A中所示，驱动电路230可能接收来自高效放大器202的脉宽调制器/脉冲密度调制器210的已调信号212。
继续图3中的步骤320，流程图300的步骤320包括在高效放大器的输出级的控制信号中产生定时非重叠。对于图2A中的第一重叠保护电路250a，可能调节第一源极负反馈电阻器252a和第二源极负反馈电阻器256a表示的可变阻抗，以将定时非重叠引入至控制信号272a中。相似地，在第二重叠保护电路250b中，可能调节源极负反馈电阻器252b和源极负反馈电阻器256b表示的可变阻抗，以将定时非重叠引入至控制信号272b中。
可以从图2A中看出，高效放大器202的控制失效保护电路可能阻止第一控制信号272a和第二控制信号272b同时提供ON信号(开启信号)至输出级280。例如，第一或非门244a可能对第二控制信号272b和由输入反相器242反相后的已调的信号212执行逻辑或非操作，从而确保第一控制信号272a不会与第二控制信号272b同时处于逻辑ON状态。相似地，第二或非门244b可能对第一控制信号272a和已调的信号212执行逻辑或非操作，从而确保第二控制信号272b不会与第一控制信号272a同时处于逻辑ON状态。
图2B是可能的控制信号272中的定时非重叠的示意图。如图所示，第一控制信号272a的上升沿可能与第二控制信号272b产生第一定时非重叠274a。此外，第二控制信号272b的下降沿可能与第一控制信号272a产生第二定时非重叠274b。
可以使第一控制信号272a和第二控制信号272b中的定时非重叠适用于基本消除高效放大器202的输出级280中的消弧电流。因此，当在高与低电平之间变化时，这些定时非重叠使输出级280中的高端和低端转换较少可能地同时进行。
移至图3中的步骤330，流程图的步骤330包括减慢瞬时变化和降低输出级中大功率信号的过冲和负脉冲信号，从而在输出级中大幅降低EMI。返回至图2A，第一边缘控制电路260a和第二边缘控制电路260b可能适应于减慢大功率信号282的瞬时部分以及降低大功率信号282中的过冲和负脉冲信号。在第一边缘控制电路260a中，例如，可以调整由源极负反馈电阻器262a和源极负反馈电阻器266a表示的可变阻抗，以降低第一控制信号272a的转换速率，最终降低大功率信号282的转换速率。相似地，在第二边缘控制电路260b中，可以调整由源极负反馈电阻器262b和源极负反馈电阻器266b表示的可变阻抗，以降低输入第二边缘控制电路260b的信号的转换速率，从而降低大功率信号282的转换速率。
如上所述，图4A和4B阐述了在根据本创造性原理产生的大功率信号(比如图2A中的大功率信号282)中示范性降低的瞬时变化。首先参照图4A，图4A是在大约3.40μs和大约3.56μs时标之间的常规大功率信号400的示意图。如图4A中所示，常规大功率信号400具有大约1ns的上升沿时间。虽然这一上升沿时间很迅速，但是常规的大功率信号400承受由快速信号变化产生的瞬时变化的缺点。例如，常规的大功率信号400在稳定于稳态值之前以振荡方式重复地低于和超过期望的输出电压。
转至图4B，图4B是依照本发明的实施例的、在大约3.40μs和大约3.56μs时标之间的大功率信号482的示意图，所述大功率信号482优选地避免了大量的过冲和负脉冲信号。如图4B中所示，与图4A中所示的常规上升沿时间相比，大功率信号482的上升沿时间已经转为它的大约10倍，即大约10ns。尽管大功率信号482比图4A中的常规的大功率信号具有更慢的上升沿时间，但是大功率信号482没有常规大功率信号中存在的瞬时变化。更具体地，大功率信号482获得了稳态值，而不存在常规大功率信号400中的瞬时变化，或至少具有大幅衰减的瞬时变化。这些由本发明的实施例产生的缓慢的上升沿和受限的瞬时变化保护了输出级设备，大幅降低了EMI，并且确保了受限的动态功耗。
现在继续至图3中的步骤340，流程图300的步骤340包括采用大功率信号驱动高效放大器的负载。再次参考图2A，图2A展示了大功率信号282可能由高效放大器202输出至输出端232。如上所述，在一些实施例中，例证本创造性概念的高效放大器可以适应于提供单端输出，而在其他实施例中，可以向负载提供差分输出。
从上述描述中，明显的是，本发明的实施例描述了有效驱动开关功率放大器的新型电路，以便产生与常规实现相比大幅降低的EMI。在所公开的本发明的实施例中，示范性驱动电路在降低或基本消除由功率切换变化造成的EMI干扰的同时，用于提供有效的放大；并且该示范性驱动电路由降低的瞬时变化和受限的消弧电流表征。因此，本发明的实施例在没有常规切换驱动电路的成本或其他缺点的情况下，协同解决了EMI和瞬时变化的问题。
从本发明的上述描述中，表示的是各种技术可以用于实现本发明的概念而不背离它的范围。此外，虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明精神和范围的情况下，还可以对本发明进行形式和细节的改变。描述的实施例在各方面被认为是阐述性的而非限制性的。还应该理解的是，本发明并不受限于此处描述的特定实施例，而是在不脱离本发明的范围的情况下，能够有很多重排列、改变和替换。

Claims (10)

1.一种大幅降低电磁干扰的高效放大器，其特征在于，所述高效放大器包括：
将大功率信号提供至负载的输出级；
在所述输出级的第一控制信号中产生定时非重叠的第一重叠保护电路；
减慢所述大功率信号的瞬时部分以及降低所述大功率信号中的过冲和负脉冲信号的第一边缘控制电路，从而大幅降低所述电磁干扰。
2.根据权利要求1所述的高效放大器，其特征在于，调整所述第一重叠保护电路产生的所述定时非重叠，以在所述输出级中消除消弧电流。
3.根据权利要求1所述的高效放大器，其特征在于，所述第一重叠保护电路包括至少两个晶体管，所述至少两个晶体管中的每一个包括可变的源极负反馈，所述源极负反馈是可调节的、以产生所述定时非重叠。
4.根据权利要求3所述的高效放大器，其特征在于，所述可变的源极负反馈包括电阻性源极负反馈。
5.根据权利要求1所述的高效放大器，其特征在于，所述第一重叠保护电路包括反相器，所述反相器通过第一可变阻抗与第一电源电压耦合，所述反相器通过第二可变阻抗与第二电源电压耦合。
6.根据权利要求5所述的高效放大器，其特征在于，所述第一可变阻抗和所述第二可变阻抗是可调节的，以产生所述定时非重叠。
7.根据权利要求1所述的高效放大器，其特征在于，所述第一边缘控制电路用于调节所述大功率信号的转换速率，从而减慢所述大功率信号的瞬时部分和降低所述大功率信号中的过冲和负脉冲信号。
8.根据权利要求1所述的高效放大器，其特征在于，所述高效放大器还包括：
在所述输出级的第二控制信号中产生第二定时非重叠的第二重叠保护电路；
第二边缘控制电路。
9.根据权利要求8所述的高效放大器，其特征在于，所述高效放大器还包括用于阻止所述第一控制信号和所述第二控制信号同时将ON信号提供给所述输出级的控制失效保护电路。
10.一种在高效放大器中大幅降低电磁干扰的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
接收已调信号；
在所述高效放大器的输出级的控制信号中产生定时非重叠；
在所述输出级中，减慢大功率信号的瞬时部分和降低所述大功率信号的过冲和负脉冲信号，从而大幅降低所述电磁干扰。
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