CN105027432B - 具有一位滞后量化器的窄电压范围多电平输出脉冲调制放大器 - Google Patents

具有一位滞后量化器的窄电压范围多电平输出脉冲调制放大器 Download PDF

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Abstract

放大系统可以包括具有输入端的三种不同的电源电压和一个输出耦合到负载的功率级，控制器，用于产生控制信号到功率级，导致功率级，以改变施加到负载中更大的输出电压比三个不同的电压电平，一个显示器，以提供第一控制信号以基于输入电压信号的控制器，和一个反馈系统，以提供一个第二控制信号，以基于所述输出电压与输入信号进行比较的控制器。

Description

具有一位滞后量化器的窄电压范围多电平输出脉冲调制放 大器
背景技术
在例如升压D类放大器的放大器中，输出电压可以基于模拟输入电压电平调制在五个电压电平。所述放大器可以包括量化器以执行脉冲密度调制(PDM)，用于允许放大器将输出电压编码为在五个电压电平的脉冲序列，例如，+VPP、+VDD、GND、-VDD和-VPP，其中VPP>VDD。
基于单个一位滞后量化器的放大器可以调节输出在三个电压电平，例如+VDD、GND和-VDD，这将不足以在升压D类放大器的输出中的五个电压电平。如果使用多个一位滞后量化器，调制器可以进行编码输出电压在五个电压电平。然而，这将降低输出线性度并增加量化器的比较器设计的复杂性。此外，放大器的性能将对处理和布局变化变得更加敏感。
一项常规的解决方案是在三个电压电平+VDD，GND和-VDD之间调制的正常模式，和在三个电压电平+VPP，GND和-VPP之间调制的升压模式之间切换调制输出电压的范围。当输入电压被确定为是足够低时，放大器通过在三个电压电平+VDD，GND和-VDD之间调节输出而被置于正常模式。当输入电压被确定为足够高是，放大器通过在三个电压电平+VPP，GND和-VPP之间调节输出而被放置在升压模式。
取决于模式，该方案可通过检测输入电压并在输出功率级在VDD和VPP之间切换供应电压而实现。换言之，当处于正常模式时，升压器关闭，以及输出电压在三个电压电平+VDD、GND和-VDD之间调制。当处于升压模式中，升压器被迅速接通，并且输出电压在三个电压电平+VPP、GND和-VPP之间调制。
然而，由于输出电压在升压模式中比在正常模式中调制在更大的电压范围，该方案向升压器施加困难要求，即快速充电和放电所需电压。升压器在充电和放电期间受到高电压和电流应力，以及将具有应力失败的较大概率。设计升压器以承受应力将增加放大器的复杂性。
此外，因为输出电压在升压模式中比在正常模式中被调制在更大的电压范围，在升压模式中的调制也将产生更大量的电磁干扰(EMI)，这会干扰附近的其它电子设备或组件。再次，设计电子设备或组件以承受EMI会增加设计的复杂性。
此外，当输出电压在升压模式中被调制在更大电压范围时，D类放大器的所有输出功率由升压器提供。这将导致大量的功率消耗。
此外，由于PDM的量化误差依赖于输出脉冲的幅度，当输出电压在升压模式中比在正常模式中被调制在更大的电压范围时，升压模式会比正常模式产生更高的量化误差。
因此，存在需要一种具有增加的功率效率、放大器元件的较小应力、更少的EMI产生以及降低的量化误差的电压升压D类放大器。
附图说明
图1示出根据本公开实施例的放大器。
图2示出根据本公开实施例的功率级。
图3示出根据本公开实施例产生输出信号的方法。
图4示出根据本公开实施例从放大器产生的示例性的模拟输出电压模式。
具体实施方式
本公开实施例提供在放大器中产生输出信号的设备和技术。因此，这样的设备可包括功率级，具有三个不同电源电压的输入端和用于耦合到负载的输出；控制器，用于产生控制信号到功率级，导致功率级在多于三个不同的电压电平之间改变施加到负载的输出电压；监测器，以基于输入电压信号提供第一控制信号到控制器；和反馈系统，基于输出电压与输入信号的比较，提供第二控制信号到所述控制器。
图1示出了根据本公开实施例的放大器系统100。系统100可以包括功率级150、控制器140、监测器160和反馈系统170。功率级150可提供脉冲调制(PM)电压VOUT到系统的输出端，所述在五个电压电平之间切换。控制器140可控制功率级150的操作，以调节从其的输出电压。监测器160可监测在系统100的输入端呈现的电压VIN，并向控制器140呈现控制数据。基于所述输入电压VIN和输出电压VOUT之间的比较，反馈系统170的输入端可发展第二控制数据到控制器140。
如图1所示，放大器系统100还可包括：功率级150，具有用于三个不同供电电压(例如，VDD、VPP和GND)的输入和用于耦合到负载(未示出)的输出；控制器140，产生控制信号的输出到功率级150，使得功率级150在多于三个不同的电压电平之间改变施加到负载(未示出)的输出电压；监测器160，以基于输入电压信号提供第一控制信号给控制器140；和反馈系统170，以基于输出电压和输入信号的比较，向控制器140提供第二控制信号。
监测器160可以检测输入信号VIN以产生第一控制信号，其可表示电压范围的状态。显示器160可以接收输入信号VIN，并且可以生成输出数据，该输出数据被输入到功率级150作为控制数据。监测器160可以比较VIN至若干阈值电压，例如高阈值(VHI)和低阈值(VLO)。例如，监测器160可以包括一组比较器162、164。可以从输入电压VIN和每个的这些阈值电压VHI、VLO的比较产生控制数据。
如果VIN超出VHI，监测器160可设置工作电压在第一范围(本文称为“高正”)，表示在+VPP、+VDD和GND之间切换的输出调制范围。如果VIN在VHI和VLO之间，监测器160可以设置工作电压在第二范围的(本文称为“零交叉”)，表示在+VDD、GND和-VDD之间切换输出调制范围。如果VIN低于VLO，监测器160可设置工作电压在范围内(本文称为“高负”)，表示在GND、-VDD和-VPP之间切换输出调制范围。工作电压范围可以通过任何已知的字母数字编码方法进行编码。例如，三个窄的电压状态可被表示为+1、0和-1。
在一个实施例中，阈值电压VHI和VLO可被设定为06*VDD/GAIN和-0.6*VDD/GAIN，其中，GAIN表示系统100的放大因子。当然，不同的阈值可以开发以适应不同的应用需求。
反馈系统170可以包括组合器110、调谐器120和量化器130。
量化器130可以产生第二控制信号。量化器130可以从显示器160接收第一控制信号，以将工作电压范围纳入其量化操作。监视器160的工作电压范围也可以由控制器140接收，用于进行额外的处理。
控制器140可控制功率级150以产生调制脉冲的输出，其中输出的每一调制脉冲具有最大电压和最小电压在相邻对+VPP、+VDD、GND、-VDD和-VPP。
组合器110可组合输入信号VIN和输出信号VOUT，例如，通过比较VIN到VOUT。输入信号VIN和输出信号VOUT可以分别是具有电压电势相对于彼此的一对信号。组合器110可向调谐器120输出ΔV信号，表示该比较的结果。例如，VOUT可以是一对信号VOUT1和VOUT2，VOUT的电压电势值是VOUT1-VOUT2。
调谐器120可输出滤波和放大的信号到量化器130。调谐器120可以从合成器110接收的信号去除高频噪声，并放大有用信号。例如，调谐器120可以包括低通滤波器或带通滤波器和放大器。
量化器130可量化从调谐器120接收的信号的电压电平，以产生代表两个量化状态的一位量化码，其中为方便起见，可以用数字表示为+1和-1。量化代码表示调制脉冲序列。量化器130可以是例如1位量化器。
控制器140可接收用于附加处理的量化码。在一个实施例中，控制器140可以生成脉冲调制(PM)控制信号，以激活功率级150，以产生脉冲的输出，在超过三个不同电压的两个相邻电压电平的最大电压和最小电压之间调制，并且脉冲具有最大电压和最小电压的多于两个不同组合，作为超过三个不同电压电平的两个相邻电压电平。
例如，如果PM控制信号的五个调制状态(2，1，0，-1，-2)对应于在VOUT的+VPP、+VDD、GND、-VDD和-VPP，PM控制信号可因此被调制在调制状态的这四种可能组合(2，1)，(1，0)，(0，-1)和(-1，-2)。然后，相应地，VOUT可以是脉冲的输出，在最大和最小电压的这四种可能组合(+VPP，+VDD)，(+VDD，GND)，(GND，-VDD)和(-VDD，-VPP)中调制。这意味着，对于输出信号VOUT的每个调制脉冲，最大和最小电压之间的脉冲幅度可以是小的。
根据本公开实施例的输出VOUT的例子示出在图4的输出图400中。
因此，由于输出信号VOUT的脉冲振幅可以较小，放大器将增加功率效率、放大器元件的较小应力、更少的EMI产生并降低量化误差。
图2是根据本公开实施例的功率级200的电路图。功率级200可以应用为图1的功率级150。功率级200可包括多个开关252.1、252.2、254.1、254.2、256.1和256.2，其耦合到功率级200的输出端OUT1、OUT2。第一开关252.1、252.2可被连接到VDD电压源和相应的端子OUT1，OUT2之间。第二开关254.1、254.2可以连接在第二电压源VPP和相应的输出端子OUT1，OUT2之间。第三开关256.1、256.2可连接在第三电压源VSS(示为地GND)和相应的输出端子OUT1、OUT2之间。每个开关252.1、252.2、254.1、254.2、256.1和256.2可以接收来自外部源的相应PM控制信号，诸如图1的控制器140。
为了在负载260驱动开关输出电压在+VDD和+VPP之间，晶体管开关254.1和252.1可以相对的方式关闭和打开，而晶体管开关256.2可以打开。为了在负载260驱动开关输出电压+VDD和0V之间，晶体管开关252.1和256.1可以相对的方式关闭和打开，而晶体管开关256.2可以打开。为了在负载驱动切换输出电压在0V和-VDD之间，晶体管开关252.2和256.2可以相对的方式关闭和打开，在而晶体管开关256.1可以打开。为了在负载驱动切换输出电压在-VDD和-VPP之间，晶体管开关254.2和252.2可以相对的方式关闭和打开，而晶体管256.1可以在导通状态。在这个例子中，VOUT可以是OUT1和OUT2之间的电压电势。功率级的其它变型是可能的。
图3示出根据本公开的实施例用于从输入信号产生窄电压范围调制的多电平输出电压的方法300。输入信号VIN可以与阈值电压相比，诸如VHI和VLO(方框310)。第一控制信号可以根据VIN和阈值电压的比较来开发(方框320)。输入信号VIN可以相比于第一控制信号(方框330)。第二控制信号可以根据方框329的VIN和第一控制信号的比较来开发(方框340)。第一控制信号和第二控制信号可以被合并(方框350)。输出信号可以基于合并后的控制信号开发(方框360)，其中，多个脉冲中每一个的最大电压和最低电压可以是三个以上的不同电压电平的两个相邻电压电平，并且所述多个脉冲有最大电压和最小电压的两个以上的不同组合，作为超过三个不同电压电平的两个相邻电压电平。
在另一个实施例中，控制器可以执行存储在非临时性计算机可读介质中的指令，以执行图3中所示的方法300。
输出电压可以根据脉冲密度调制(“PDM”)、脉冲宽度调制(“PWM”)等被调制，和调制频率可以变化。
图1的控制器140可以集成量化码和量化码的延迟版本。量化码可通过延迟元件(未示出)被传递，以产生量化码的延迟版本。量化码可以通过求和器(未示出)或加法器(未示出)与量化码的延迟版本集成。这可产生在三种状态之间调制的滞后量化码，例如由+1，0，-1表示。控制器140可以集成滞后量化码(+1，0，-1)和工作电压范围(+1，0，-1)，以产生五个可能的状态之间的PM控制信号，例如表示为+2，+1，0，-1，-2。
PM控制信号可以被解码成由功率级150接收的切换信号，以激活多组晶体管或开关，以将输出信号VOUT切换到多个电压电平。PM控制信号的五个调制状态(2，+1，0，-1，-2)中的每一个对应于输出信号VOUT的不同电压电平，但输出信号VOUT的多个电压电平可不一定调整以匹配PM控制信号的数字表示。例如，PM控制信号的五个调制状态(2，+1，0，-1，-2)可对应于VOUT+的VPP、+VDD、GND、-VDD和-VPP，其中VDD＝3.5伏和VPP＝5伏。另外，该输出信号VOUT的多个电压电平不必是均匀分布或在负和正电压电平之间平衡。例如，VOUT可具有9、7.5、+5、0和-3伏的多个电压电平。输出信号VOUT的多个电压电平的其他变型是可能的。
此外，虽然在以上示例中描述的实施例示出具有五个可能调制状态的PM控制信号，对应于输出信号VOUT的5个可能调制电压电平，另外数目的调制状态和调制电压电平可以实现在具有一比特量化器的放大器中，考虑优化和取舍的性能、设计复杂等。例如，通过使用一比特量化130并在监测器160增加附加的阈值和工作电压范围，七(或九)调制状态和调制电压电平是可能的。
在实施例中，上半部分的晶体管对开关252.1、252.2、254.1、254.2可被配置为PMOS晶体管开关和下半部一对晶体管的开关256.1、256.2可被配置为NMOS晶体管开关。在另一个实施方案中，上半对晶体管开关252.1、252.2、254.1、254.2可被配置为NMOS晶体管开关，和下半对晶体管开关256.1、256.2可被配置为NMOS晶体管开关。
在另一个实施例中，上半对晶体管开关252.1、252.2、254.1、254.2可以被配置为P型场效应晶体管(“FET”)，和下半对晶体管开关256.1、256.2可被配置为N型场效应晶体管。在另一个实施例中，上半对晶体管开关252.1、252.2、254.1、254.2可以被配置为N型场效应晶体管，和下半对晶体管开关256.1、256.2可以被配置为N型场效应晶体管。
本公开的若干实施例被具体示出和描述。然而，应该理解，本发明的修改和变型可以包括由上述教导覆盖。在其他实例中，众所周知的操作、组件和电路未详细描述以免混淆这些实施例。应该理解，本文公开的具体结构和功能细节可以是代表性的，而不一定限制实施例的范围。
本领域技术人员可以从前述描述理解本公开可以各种各样的形式实现，并且，各种实施例可以单独或组合地实现。因此，虽然本公开的实施例是结合其特定实施例进行了描述，所述实施例和/或本发明的方法的真实范围不应被如此限制，因为其它的修改对于本领域技术人员在研究附图，说明书和以下的权利要求之后变得显而易见。

Claims (27)

1.一种放大器系统，包括：
功率级，具有用于三个不同的电源电压的输入，和用于耦合到负载的输出；
控制器，用于产生到所述功率级的控制信号，所述控制信号导致所述功率级在多于三个的不同的电压电平之间改变施加到负载的输出电压；
监测器，基于输入电压信号提供第一控制信号到控制器；以及
反馈系统，基于输出电压与输入信号的比较提供第二控制信号到所述控制器，
其中，所述控制器通过以下操作产生所述控制信号：将所述第二控制信号与第二控制信号的延迟码集成以产生滞后代码，并且将所述滞后代码与所述第一控制信号集成。
2.如权利要求1所述的放大器系统，其中，所述反馈系统包括一比特量化器。
3.如权利要求2所述的放大器系统，其中，一比特量化器包括多个比较器。
4.如权利要求1所述的放大器系统，其中，所述第二控制信号表示两个量化状态。
5.如权利要求1所述的放大器系统，其中，所述功率级包括多对开关，所述功率级在多个最大电压和多个最小电压之间切换输出。
6.如权利要求1所述的放大器系统，进一步包括由VDD供电以产生VPP的升压器。
7.如权利要求1所述的放大器系统，其中，所述第一控制信号表示两个以上的电压范围状态。
8.如权利要求1所述的放大器系统，其中，所述反馈系统包括：求和器，具有用于输入信号的输入端和被耦合到输出的输入端；和调谐器，从所述求和器接收输出。
9.如权利要求1所述的放大器系统，其中，所述控制器根据脉冲密度调制产生控制信号，以及所述输出电压包括多个脉冲，
其中所述多个脉冲中的每一个脉冲的最大电压和最小电压是三个以上不同电压电平的两个相邻电压电平，以及
所述多个脉冲具有作为三个以上不同电压电平的两个相邻电压电平的最大电压和最小电压的两个以上不同组合。
10.一种用于信号处理的方法，包括：
由功率级产生输出电压到负载，所述功率级具有用于三个不同的电源电压的输入；
由控制器产生控制信号到所述功率级，以使所述功率级在三个以上不同电压电平之间改变施加到负载的输出电压；
基于输入电压信号，由监视器向所述控制器提供第一控制信号；以及
基于输出电压和输入信号的比较，由反馈系统向所述控制器提供第二控制信号，
其中，所述控制器通过以下操作产生所述控制信号：将所述第二控制信号与第二控制信号的延迟码集成以产生滞后代码，并且将所述滞后代码与所述第一控制信号集成。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述反馈系统包括一比特量化器。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述一比特量化器包括多个比较器。
13.如权利要求10所述的方法，其中，所述第二控制信号表示两个量化状态。
14.如权利要求10所述的方法，其中，所述功率级包括多对开关，所述功率级在多个最大电压和多个最小电压之间切换输出。
15.如权利要求10所述的方法，进一步包括：由VDD供电以产生VPP的升压器。
16.如权利要求10所述的方法，其中，所述第一控制信号表示两个以上的电压范围状态。
17.如权利要求10所述的方法，其中，所述反馈系统包括：求和器，具有用于输入信号的输入端和被耦合到输出的输入端；和调谐器，从所述求和器接收输出。
18.如权利要求10所述的方法，其中，所述控制器根据脉冲密度调制产生控制信号，以及所述输出电压包括多个脉冲，
其中所述多个脉冲中的每一个脉冲的最大电压和最小电压是三个以上不同电压电平的两个相邻电压电平，以及
所述多个脉冲具有作为三个以上不同电压电平的两个相邻电压电平的最大电压和最小电压的两个以上不同组合。
19.一种存储由处理器可执行指令的非临时性计算机可读介质，所述处理器执行指令以：
由功率级产生输出电压到负载，所述功率级具有用于三个不同的电源电压的输入；
由控制器产生控制信号到所述功率级，以使所述功率级在三个以上不同电压电平之间改变施加到负载的输出电压；
基于输入电压信号，由监视器向所述控制器提供第一控制信号；和
基于输出电压和输入信号的比较，由反馈系统向所述控制器提供第二控制信号，
其中，所述控制器通过以下操作产生所述控制信号：将所述第二控制信号与第二控制信号的延迟码集成以产生滞后代码，并且将所述滞后代码与所述第一控制信号集成。
20.如权利要求19所述的非临时性计算机可读介质，其中，所述反馈系统包括一比特量化器。
21.如权利要求20所述的非临时性计算机可读介质，其中，所述一比特量化器包括多个比较器。
22.如权利要求19所述的非临时性计算机可读介质，其中，所述第二控制信号表示两个量化状态。
23.如权利要求19所述的非临时性计算机可读介质，其中，所述功率级包括多对开关，所述功率级在多个最大电压和多个最小电压之间切换输出。
24.如权利要求19所述的非临时性计算机可读介质，进一步包括由VDD供电以产生VPP的升压器。
25.如权利要求19所述的非临时性计算机可读介质，其中，所述第一控制信号表示两个以上的电压范围状态。
26.如权利要求19所述的非临时性计算机可读介质，其中，所述反馈系统包括：求和器，具有用于输入信号的输入端和被耦合到输出的输入端；和调谐器，从所述求和器接收输出。
27.如权利要求19所述的非临时性计算机可读介质，其中所述控制器根据脉冲密度调制产生控制信号，并且所述输出电压包括多个脉冲，
其中所述多个脉冲中的每一个脉冲的最大电压和最小电压是三个以上不同电压电平的两个相邻电压电平，以及
所述多个脉冲具有作为三个以上不同电压电平的两个相邻电压电平的最大电压和最小电压的两个以上不同组合。
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