CN1059524C - 脉宽调制电路的畸变补偿 - Google Patents

Abstract

脉宽调制放大器(100)包括一个控制器(102)，用于提供一组补偿信号(114、158和160)。补偿信号用于驱动扬声器(136)。控制器(100)包括一个存储区，用于存储该放大器在预定工作频率范围的畸变特性。补偿驱动信号(114、158和160)有助于对放大器(100)中产生的电特性的非线性畸变进行补偿，并因而有助于减少放大器(100)的输出畸变。

Description

脉宽调制电路的畸变补偿

本发明涉及脉宽调制(PWM)电路，尤其涉及提供畸变补偿的PWM电路。

PWM声频放大电路呈现由非线性电特性引起的畸变，这可能出现在PWM控制/定时器逻辑电路与负载(扬声器)之间的PWM电路中。放大器中的畸变是由PWM电路的驱动器(例如场效应晶体管驱动器)的通/断特性引起的。在FET桥式驱动器和自举电路的高低两侧因不同电特性也会引起畸变。不希望的畸变会影响PWM电路的输出信号的清晰度，因此，现在需要一种能对PWM电路提供畸变补偿的电路，以便降低PWM放大器中的总畸变量。

本发明的一个目的是提供一种改进的脉宽调制(PWM)放大器，该放大器响应一个可变输入信号以提供一个畸变补偿的可变输入信号。该PWM放大器包括一个控制器，采样可变输入信号使之变成多个离散脉宽信号。该控制器包括一个转换装置，将多个离散脉号中的每一个与该查询表中的多个离散脉宽信号之一相匹配，以产生畸变补偿脉宽调制信号。

图1示出根据本发明的PWM声频电路的方框图。

图2示出在声频频带内有补偿的和无补偿的输出信号的畸变百分率和根据本发明的输出信号的幅度的曲线图。

图3、5和7示出根据本发明的按不同标度表示的未补偿的输出信号相对于脉宽的变化曲线图。

图4、6和8示出根据本发明的按不同标度表示的有补偿的输出信号相对于脉宽的变化曲线图。

图9示出根据本发明的无线电设备的方框图。

图10示出根据本发明产生所用的一组信号的脉宽波形。

尽管本说明书的内容已由权利要求书概括了，该权利要求书限定了具有新颖性的本发明的特征，但可以相信，结合附图阅读以下描述能更好地理解本发明。

参照图1，图中示出根据本发明的脉宽调制放大器系统(100)的方框图。放大器100包括诸如微处理器或微控制器之类的控制装置。控制器102最好还包括一个内置的存储器部分。该控制器的存储器部分最好包括RAM、EEPROM和PROM部分。在优选实施例中，诸如输入端子112之类的输入装置接收例如模拟声频信号之类的输入信号。该声频信号通过电容器108容性耦合到由电阻器104和106组成的分压器电路，再将该输入信号提供给控制器102。

控制器102利用一个取样装置，例如一个其内置的模/数(A/D)转换器部分将输入信号112转换成为8比特数字字。控制器102可用Motorola公司制造的M68HC11K4微控制器或其它市售的相似的具有内置的存储器A/D转换和输入/输出能力的控制器。控制器102响应8比特数字字，产生一组数字信号114信号158和160，以再造模拟信号112。下文将讨论如何根据本发明对这些信号进行补偿。逻辑“异或”门156将信号158和160组合成PWM信号126，因此优选实施例中控制器102具有PWM部分，能产生取样周期为中心的脉冲(下文将参照图10详细讨论)。信号114起极性控制的作用，促使桥式电路的右侧接到电源电压(Vdd)或接到地电位。

信号114和126随后分别传送到驱动器电路116和148。在优选实施例中，线路驱动器116和148为并联的多个MC14049逻辑信号驱动器。驱动器电路116和148用于向桥式电路提供额外的电流驱动能力，而这是控制器102或“异或”门156不可能提供的。

在优选实施例中，该桥式电路由多个N沟道场效应晶体管(FET)142-146、118、122和128组成。桥式电路的每一侧由驱动信号120和124中的一个来驱动。虽然所示的桥式电路全都使用N沟道FET，但也可使用几种不同的设计方案，包括使用P沟道FET或N和P沟道FET的组合。负载端子138和140分别耦联到桥式电路的每一侧。虽然在典型的实施例中电阻负载136是一个扬声器，但在图1示出串联在负载端子138和140之间的负载是一个电阻负载136。电容器132耦合在负载端子138和140之间并与扬声器136相并联。电感器130最好串联地设置在负载端子140与桥式电路的一侧之间。

参照图2，图中示出在有补偿和无补偿的情况下放大器100的畸变示意图。曲线202示出跨在负载端子138和140上的补偿输出信号电压的幅度(单位为伏特)，曲线204示出未使用本发明的补偿方案的声频放大器100的畸变百分率，曲线206示出使用本发明的补偿方案时跨在负载端子138和140上的畸变百分率。

如图3所示，使用本发明的补偿方案有助于改善放大器100在声频范围内(300-3000Hz)的畸变特性。从图中可以看出，有补偿时的畸变百分率小于无补偿时的畸变百分率。图2的曲线是利用由诸如Hewlett Packard公司制造的HP8904A信号发生器之类的信号发生器作为信号源而产生的并利用电阻负载而不是扬声器跨接在负载端子138和140上。再使用诸如Hewlett Packard公司制造的HP8903B之类的声频分析器来测量输出端子处的畸变百分率。

图3、5和7示出按不同的标度在诸如放大器100之类的PWM放大器中产生的畸变。图4、6和8示出与图3、5和7相同的信号利用本发明的补偿或预矫正技术来减少畸变。图3、5和7中所示的畸变是由多种因素造成的，例如FET 142-146、118、122和128的通/断特性。很明显，FET桥式驱动器和自举电路的高低两侧的不同电特性也会引起畸变。这些畸变表现为幅度相对于理想值的变化。在每一种情况下，相对于理想值的变化可通过修改信号114、158和160的驱动信号(脉宽)得以部分补偿。

在本发明中，这是通过使用一个查询表来实现的，此表存储在该内置存储器中或存储在位于控制器102中的内存部分中。此存储器或内存部分起转换装置的作用，用以将输入信号转换成为一个经补偿的脉宽调制信号。在本发明中，放大器100其特征在于在声频范围内未采用任何补偿；根据输入幅度来存储相应补偿值，以补偿电路畸变特性。这些脉宽补偿值尔后存储在该存储部分内。当输入信号112传送到控制器102并转换成为8比特字长形式的数字信号时，这些8比特字长的字用以作为指示字，用以将其相应的补偿信号设置于该内置存储部分中。

补偿信号然后用于产生脉宽信号，用于驱动桥式电路。所得到的输出信号与脉宽的关系示于图4、6和8中。从图8中可以看出，对于补偿量是有限制的，这可通过使用一个查询表来执行。在由优选实施例所示的这个例子中，补偿后的最大分辨率在每微秒0.1302伏处为0.25微秒或32.6毫伏。模/数转换器的字长越长，存储在该存储部分中的补偿值越离散，补偿方案的分辨率越好。

图9示出了无线电设备900例如一个双向FM无线电设备的方框图。无线电设备900包括常规的接收机部分906和发射机部分910，它们有选择性地通过天线开关904耦合到天线902。诸如由Motorola公司制造的M68HC11xx系列微处理器之类的一个控制器用以作为无线电设备900的控制装置。控制器908使用存储在该控制器908内的和/或存储在外部存储部分(未示出)内的控制软件来控制接收机906和发射机910的操作。

畸变补偿声频放大器部分914与声频放大器100相似，耦合到接收机906，并提供改善的畸变特性。声频放大器914的输出端子耦合到扬声器916，以将声频信号传送给无线电设备的用户。话筒912耦合到发射机910，以将声音信号传送给发射机910。

因优选实施例中使用的控制器不具有能产生以各取样周期为中心的脉冲的内置脉宽调制器，故补偿的PWM信号在优选实施例中是借助于外部硬件产生的。图10示出信号1002对应于图1中的信号158；信号1004对应于信号160。两个输出信号然后经“异或”逻辑门156传送，以形成与图1中的信号126相对应的PWM信号1006。信号158和160来自于控制器102的内部定时器的输出比较功能。这容许脉冲产生在输出取样的中部，从而使补偿PWM信号在输出取样周期内居中间。这提供了较好的畸变补偿，亦即本发明提供的补偿对于PWM信号的两侧是等同分布的。本发明的已补偿PWM信号不会使PWM信号从提供差于最佳补偿的一侧偏移。补偿PWM信号的这种居中特性提供了优于现有的PWM放大器的一个优点。

尽管现已描述了本发明的优选实施例，但很清楚，本发明并不受此限制。对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离由本发明的权利要求书的精神和范围的情况下，将会作出多种的修改、更换、变形、替代和等同物。

总之，本发明提供一种改进的PWM放大器。该PWM放大器通过对输入信号补偿(预矫正)提供了改善的畸变特性以补偿放大器设计中固有的电特性的非线性畸变。提供补偿脉宽值的查询表被设置得作为该放大器的一部分。脉宽值从此表中选出，并将其提供给该桥式电路来驱动放大器的负载。

Claims (5)

1.一种脉宽调制放大器，其特征在于，包括：

一个输入端子，用于接收可变输入信号；和

控制器装置，响应于该可变输入信号，提供与该可变输入信号相对应的畸变补偿脉宽调制信号，该控制器装置包括取样装置，用以对该可变输入信号取样并用于把可变输入信号转换成多个离散信号；以及一个查询表，其内具有多个离散脉宽信号，其中该控制器装置将多个离散信号中的每一个与该查询表中的多个离散脉宽信号之一相匹配，以产生畸变补偿脉宽调制信号。

2.根据权利要求1的脉宽调制放大器，其特征在于，该可变输入信号是一种可变的模拟信号，该控制器装置是一个微处理器。

3.根据权利要求1的脉宽调制放大器，其特征在于，包括：

一个桥式电路，具有连接到该控制器装置的第一和第二负载端子；

一个扬声器，连接在该第一和第二负载端子之间；

该桥式电路响应该畸变补偿脉宽调制信号，驱动扬声器。

4.一种通信装置，其特征在于，包括：

一个接收机，用以提供可变信号；和

一个脉宽调制声频放大器，响应该可变信号，该脉宽调制声频放大器包括：

一个输入端子，用于接收可变输入信号；和

控制器装置，响应于该可变输入信号，提供与该可变输入信号相对应的畸变补偿脉宽调制信号，该控制器装置包括取样装置，用以对该可变输入信号取样并用于把可变输入信号转换成多个离散信号；以及一个查询表，其内具有多个离散脉宽信号，其中该控制器装置将多个离散信号中的每一个与该查询表中的多个离散脉宽信号之一相匹配，以产生畸变补偿脉宽调制信号。

5.根据权利要求11的通信装置，其特征在于，包括：

一个桥式电路，具有连接到该控制器装置的第一和第二负载端子；

一个扬声器，连接到该第一和第二负载端子之间；

该桥式电路响应该畸变补偿脉宽调制信号，驱动该扬声器。

Images