CN110011625A - G类放大器及用于g类放大器的控制方法 - Google Patents

G类放大器及用于g类放大器的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种G类放大器，该G类放大器包括：放大器级、阻抗检测器和电源。放大器级被供给电压供电，用于放大输入信号以产生信号；阻抗检测器用于检测该G类放大器的负载阻抗，以产生检测结果；以及，电源用于根据该检测结果确定该供给电压的电平。相应地，本发明还提供了一种用于G类放大器的控制方法。采用本发明，可以优化总功耗。

Description

G类放大器及用于G类放大器的控制方法
技术领域
本发明通常涉及一种放大技术，以及更特别地，涉及一种能够自适应负载(load-adaptive)的G类放大器及用于G类放大器的控制方法。
背景技术
G类放大器为输出信号的不同电平提供不同的电压轨(voltage rail)，以及，具有轨切换机制(rail switching mechanism)的G类放大器能够降低功耗并提升效率。传统的轨切换机构可以很好地用于重载(即，较高的输出电流和较低的负载阻抗)，但是它不适合于轻载(即，较低的输出电流和较高的负载阻抗)。具体地，G类放大器通常具有用于调节被提供给输出级的供给电压(supply voltage)的电荷泵。然而，当G类放大器操作在轻载情形时，该电荷泵的功率损耗在较高的电压轨切换频率以及电压轨间的较大差异下增大，从而，总功耗被恶化。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种G类放大器和用于G类放大器的方法，以解决上述问题。
根据本发明的一些实施例，提供了一种G类放大器，该G类放大器包括放大器级、阻抗检测器以及电源。放大器级被供给电压供电，用于放大输入信号以产生输出信号；阻抗检测器用于检测该G类放大器的负载阻抗，以产生检测结果；以及，电源用于根据该检测结果确定该供给电压的电平。
根据本发明的另一些实施例，提供了一种用于G类放大器的控制方法，其中，该G类放大器具有放大器级，用于放大输入信号以产生输出信号，该控制方法包括：检测该G类放大器的负载阻抗，以产生检测结果；以及，根据该检测结果确定被提供给该放大器级的供给电压的电平。
上述技术方案可根据G类放大器的负载阻抗调整被提供给放大器级的供给电压，从而，能够优化G类放大器的总功耗。
本领域技术人员在阅读附图所示优选实施例的下述详细描述之后，可以毫无疑义地理解本发明的这些目的及其它目的。详细的描述将参考附图在下面的实施例中给出。
附图说明
通过阅读后续的详细描述以及参考附图所给的示例，可以更全面地理解本发明。
图1是根据本发明一实施例示出的G类放大器的示意图。
图2根据本发明一实施例示出了控制正供给电压和负供给电压的示意图。
图3根据本发明一实施例示出了控制正供给电压和负供给电压的示意图。
图4根据本发明另一实施例示出了控制正供给电压和负供给电压的示意图。
在下面的详细描述中，为了说明的目的，阐述了许多具体细节，以便本领域技术人员能够更透彻地理解本发明实施例。然而，显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施一个或多个实施例，不同的实施例可根据需求相结合，而并不应当仅限于附图所列举的实施例。
具体实施方式
以下描述为本发明实施的较佳实施例，其仅用来例举阐释本发明的技术特征，而并非用来限制本发明的范畴。在通篇说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件，所属领域技术人员应当理解，制造商可能会使用不同的名称来称呼同样的元件。因此，本说明书及权利要求书并不以名称的差异作为区别元件的方式，而是以元件在功能上的差异作为区别的基准。本发明中使用的术语“元件”、“系统”和“装置”可以是与计算机相关的实体，其中，该计算机可以是硬件、软件、或硬件和软件的结合。在以下描述和权利要求书当中所提及的术语“包含”和“包括”为开放式用语，故应解释成“包含，但不限定于…”的意思。此外，术语“耦接”意指间接或直接的电气连接。因此，若文中描述一个装置耦接于另一装置，则代表该装置可直接电气连接于该另一装置，或者透过其它装置或连接手段间接地电气连接至该另一装置。
其中，除非另有指示，各附图的不同附图中对应的数字和符号通常涉及相应的部分。所绘制的附图清楚地说明了实施例的相关部分且并不一定是按比例绘制。
文中所用术语“基本”或“大致”是指在可接受的范围内，本领域技术人员能够解决所要解决的技术问题，基本达到所要达到的技术效果。举例而言，“大致等于”是指在不影响结果正确性时，技术人员能够接受的与“完全等于”有一定误差的方式。
图1是根据本发明一实施例示出的G类放大器100的示意图。如图1所示，G类放大器100包括放大器级(amplifier stage)110、阻抗检测器(impedance detector)120和电源(power source)130。在本实施例中，G类放大器100可外接负载(如应用于耳机)，以及，G类放大器100可通过芯片垫耦接到负载阻抗RL(如耳机的阻抗)。此外，电源130可以是电荷泵、降压转换器，升压转换器或能够向放大器级110提供供给电压(例如，正供给电压VDDD和负供给电压VSSD)的线性调节器。在一些实施例中，正供给电压VDDD和负供给电压VSSD互为相反数，例如，正供给电压VDDD为VDD时，负供给电压VSSD为-VDD。但本发明并不限于此，例如，在另一些实施例中，正供给电压VDDD与负供给电压VSSD可以是非对称的。
在G类放大器100的操作中，放大器级110被供给电压(例如，正供给电压VDDD和负供给电压VSSD)供电，放大器级110可视为输出级，以及，放大器级110被配置为接收输入信号Vin(例如，音频信号、>20kHz的超音波信号等)以产生输出信号Vout。阻抗检测器120被配置为检测负载阻抗RL(即G类放大器110外接的负载的阻抗，或称为G类放大器110的输出阻抗)，以产生检测结果，以及，电源130根据(或参考)该检测结果确定被提供给放大器级110的供给电压(例如，正供给电压VDDD和负供给电压VSSD)的电平和/或切换频率(switchingfrequency)。
在本实施例中，根据输入信号Vin或输出信号Vout的幅度，正供给电压VDDD选自第一电压轨VDDH或第二电压轨VDDL，以及，负供给电压VSSD选自第三电压轨“-VDDH”或第四电压轨“-VDDL”，以及，电源130根据(参考)检测结果确定第一电压轨VDDH、第二电压轨VDDL、第三电压轨“-VDDH”和第四电压轨“-VDDL”的电平。在一些实施例中，第一电压轨VDDH和第三电压轨“-VDDH”构成一组电压轨，第二电压轨VDDL和第四电压轨“-VDDL”构成一组电压轨，在该实施例中，当第一电压轨VDDH和第二电压轨VDDL的电平被确定时，第三电压轨“-VDDH”和第四电压轨“-VDDL”也被相应地确定。在另一些实施例中，第三电压轨“-VDDH”和第四电压轨“-VDDL”可被固定为预定电平(如地电平)，以及，信号的共模电压被设置为第一电压轨VDDH或第二电压轨VDDL的一半，具体地，本发明实施例不做限制。在本发明实施例中，电源130可根据检测结果确定第一电压轨VDDH和第二电压轨VDDL中的至少一个的电平，例如，当供给电压根据输入信号或输出信号的幅度选自第一电压轨时，电源130根据检测结果确定第一电压轨的电平。在一实施例中，第一电压轨大于第二电压轨，以及，电源130根据检测结果从两个及以上预定电压中选择一个，以控制第一电压轨或第二电压轨的电平。以图1为例，电源130可以提供多个预定电压(例如，±1*VDD，±2/3*VDD，±1/2*VDD以及±1/3*VDD，其中，VDD可以是任意合适的直流电压，如1.8V)，以及，电源130可根据(参考)检测结果控制第一电压轨VDDH为VDD，(2/3)*VDD或(1/2)*VDD，以及控制第二电压轨VDDL为(2/3)*VDD，(1/2)*VDD或(1/3)*VDD，其中，第二电压轨VDDL小于第一电压轨VDDH，而第三电压轨“-VDDH”和第四电压轨“-VDDL”分别是第一电压轨VDDH和第二电压轨VDDL的负值。
在图1所示的实施例中，如果负载阻抗RL较大(诸如100欧姆，300欧姆或600欧姆)，则需要较高的供给电压来驱动放大器级110(如向用户提供足够的音量)，从而，电源130可控制第一电压轨VDDH为VDD或(2/3)*VDD，并将第二电压轨VDDL控制为(1/2)*VDD或(1/3)*VDD。如果负载阻抗RL较低(例如16欧姆或32欧姆)，则较低的供给电压比较高的供给电压更适合驱动放大器级110(如向用户提供低音量)，因此，电源130可将第一电压轨VDDH控制为(1/2)*VDD，并将第二电压轨VDDL控制为(1/3)*VDD。在该实施例中，由于第一电压轨VDDH和第二电压轨VDDL是根据负载阻抗RL从多个预定电压中选择出来的，因此，可以优化/减少功耗。在本发明实施例中，可通过设置至少一个阈值来体现负载阻抗RL较大还是较低，例如，若负载阻抗RL大于第一阈值，则说明负载阻抗RL较大；若负载阻抗RL低于第二阈值，则说明负载阻抗RL较低；其中，第二阈值可小于或低于第一阈值。具体地，本发明实施例不做限制。
图2根据本发明一实施例示出了控制供给电压(例如，正供给电压VDDD和负供给电压VSSD)的示意图。在一示例中，第一电压轨VDDH大于该第二电压轨VDDL，以及，当检测结果表明负载阻抗属于第一范围时，电源控制第一电压轨具有第一电平；而当检测结果表明负载阻抗属于第二范围时，电源控制第一电压轨具有第二电平，其中，第二电平不同于第一电平。在一些实施例中，第二范围中的取值大于第一范围中的取值，以及，第二电平大于第一电平。在另一示例中，第一电压轨VDDH大于该第二电压轨VDDL，以及，当检测结果表明负载阻抗具有第一取值时，该电源控制该第一电压轨具有第一电平；而当该检测结果表明该负载阻抗具有大于该第一取值的第二取值时，该电源控制该第一电压轨具有第二电平，该第二电平大于该第一电平。举例来说，在检测结果表明负载阻抗RL为高的第一种情况下，当检测到输入信号Vin具有较低幅度时，电源130可使用具有±1/3*VDD的第二电压轨VDDL和第四电压轨“-VDDL”来驱动放大器级110；以及，当检测到输入信号Vin具有较大幅度时，电源130可使用具有±1*VDD的第一电压轨VDDH和第三电压轨“-VDDH”来驱动放大器级110。在检测结果表明负载阻抗RL为低的第二种情况下，当检测到输入信号Vin具有较低幅度时，电源130可使用具有±1/3*VDD的第二电压轨VDDL和第四电压轨“-VDDL”来驱动放大级110；以及，当检测到输入信号Vin具有较大幅度时，电源130可使用具有±1/2*VDD的第一电压轨VDDH和第三电压轨“-VDDH”来驱动放大器级110。类似地，可通过设置至少一个阈值来体现幅度较大(较高)还是较低(较小)，具体地，本发明实施例不做限制。
此外，在本发明实施例中，电源130是在输出信号的过零点处调节供给电压的。例如，在输出信号的过零点(zero-crossing point)处，电源130切换第一电压轨VDDH和第二电压轨VDDL之间的正供给电压VDDD，以及切换第三电压轨“-VDDH”和第四电压轨“-VDDL”之间的负供给电压VSSD，以防止输出信号Vout上的毛刺。
应当注意的是，由电源130提供的预定电压的数量和电压值，以及第一电压轨VDDH和第二电压轨VDDL的选取仅是说明性目的示例，本发明并不限于以上示例。只要电源130提供两个以上的预定电压，且第一电压轨VDDH能被分配为在不同的输出阻抗RL(或不同的输出阻抗范围)下具有不同的预定电压，则这些设计均应该落入本发明。
为了更有效地改善功耗，电源130可具有保持时间(hold time)机制，以及，电源130使用保持时间来根据输入信号Vin或输出信号Vout的幅度调整第一电压轨VDDH和第二电压轨VDDL之间的正供给电压VDDD，以及调整第三电压轨“-VDDH”和第四电压轨“-VDDL”之间的负供给电压VSSD，其中，保持时间是变量值，其是根据负载阻抗RL确定出的。在一实施例中，当负载阻抗具有第一取值时，电源使用第一保持时间，而当负载阻抗具有大于该第一取值的第二取值时，该电源使用第二保持时间，该第二保持时间比该第一保持时间长。在另一实施例中，当该检测结果表明该负载阻抗属于第三范围时，电源使用第一保持时间；而当该检测结果表明该负载阻抗属于第四范围时，该电源使用第二保持时间，其中，第一保持时间不同于第二保持时间。在一示例中，该第四范围中的取值大于该第三范围中的取值，以及，该第二保持时间比该第一保持时间长。具体地，当阻抗检测器120产生表明较高负载阻抗RL(例如300欧姆或600欧姆)的检测结果时，电源130可使用较长的保持时间(例如20ms或40ms)，以延迟正供给电压VDDD的调节；以及，当阻抗检测器120产生表明较低输出阻抗RL(例如16欧姆或32欧姆)的检测结果时，电源130可使用较短的保持时间来延迟正供给电压VDDD的调节，或在不使用任何保持时间的情况下立即调整正供给电压VDDD。
图3根据本发明一实施例示出了控制供给电压(例如正供给电压VDDD和负供给电压VSSD)的示意图。在图3所示的实施例中，阻抗检测器120产生表明较高负载阻抗RL的检测结果，以及，电源130根据(参考)检测结果确定较长保持时间(如25ms)。如图3所示，当检测到输入信号Vin或输出信号Vout的幅度变小以及正供给电压VDDD应当从第一电压轨VDDH切换到第二电压轨VDDL时，电源130等待该保持时间(如25ms)，然后在输出信号Vout的过零点处将正供给电压VDDD切换到第二电压轨VDDL。由于电源130的功耗取决于电压轨的切换频率和电压轨之间的电压差，因此，使用较长的保持时间来延迟供给电压(如正供给电压VDDD和负供给电压VSSD)的调整可以大大降低电压轨的切换频率，并能够改善电源130的功耗，以降低G类放大器100的总功耗。此外，如果电压轨之间的差异(即(VDDH-VDDL)大(较大的电压轨差异会增大电源130的功率损耗)，电源130可以通过设置较长的保持时间来减轻总功耗。
图4根据本发明另一实施例示出了控制供给电压(例如正供给电压VDDD和负供给电压VSSD)的示意图。在图4所示的实施例中，阻抗检测器120产生表明较低负载阻抗RL的检测结果，以及，电源130根据(参考)检测结果可确定保持时间等于零(即，不使用保持时间)。如图4所示，当检测到输入信号Vin或输出信号Vout的幅度变小时，电源130在输出信号Vout的过零点处立即将正供给电压VDDD切换到第二电压轨VDDL。由于供给电压(如正供给电压VDDD和负供给电压VSSD)被立即调整为适应(fit)输入信号Vin或输出信号Vout的波形，因此，G类放大器100的功率损耗能被最小化，以提高功率效率。
另一方面，本发明提供了一种用于G类放大器的控制方法，其中，该G类放大器具有放大器级，用于放大输入信号以产生输出信号，以及，该控制方法包括：检测该G类放大器的负载阻抗，以产生检测结果；以及，根据该检测结果确定被提供给该放大器级的供给电压的电平。其它细节请参考以上实施例中描述的G类放大器，此处不再赘述。
简而言之，在本发明的G类放大器中，电源能够参考负载阻抗来确定供给电压轨的电平和切换频率，以优化G类放大器的总功耗。另外，保持时间机制可用于为不同的负载阻抗提供可变的保持时间，以控制供电轨的切换频率，进而改善G类放大器的功耗和效率。
虽然本发明已经通过示例的方式以及依据优选实施例进行了描述，但是，应当理解的是，本发明并不限于公开的实施例。相反，它旨在覆盖各种变型和类似的结构(如对于本领域技术人员将是显而易见的)，例如，不同实施例中的不同特征的组合或替换。因此，所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以涵盖所有的这些变型和类似的结构。

Claims (10)

1.一种G类放大器，包括：
放大器级，被供给电压供电，用于放大输入信号以产生输出信号；
阻抗检测器，用于检测该G类放大器的负载阻抗，以产生检测结果；以及，
电源，用于根据该检测结果确定该供给电压的电平。
2.根据权利要求1所述的G类放大器，其特征在于，该供给电压是根据该输入信号或该输出信号的幅度从第一电压轨和第二电压轨中选出的，以及，该电源根据该检测结果确定该第一电压轨和该第二电压轨中的至少一个的电平。
3.根据权利要求2所述的G类放大器，其特征在于，该第一电压轨大于该第二电压轨，以及，当该检测结果表明该负载阻抗属于第一范围时，该电源控制该第一电压轨具有第一电平；而当该检测结果表明该负载阻抗属于第二范围时，该电源控制该第一电压轨具有不同于该第一电平的第二电平。
4.根据权利要求3所述的G类放大器，其特征在于，该第二范围中的取值大于该第一范围中的取值，以及，该第二电平大于该第一电平。
5.根据权利要求2所述的G类放大器，其特征在于，该第一电压轨大于该第二电压轨，以及，该电源根据该检测结果从两个及以上预定电压中选择一个，以控制该第一电压轨或该第二电压轨的电平。
6.根据权利要求2所述的G类放大器，其特征在于，该电源在该输出信号的过零点处调节该第一电压轨和该第二电压轨之间的供给电压。
7.根据权利要求2所述的G类放大器，其特征在于，该电源使用保持时间来根据该输入信号或该输出信号的幅度调节该第一电压轨和该第二电压轨之间的供给电压。
8.根据权利要求7所述的G类放大器，其特征在于，该保持时间是根据该检测结果确定的。
9.根据权利要求8所述的G类放大器，其特征在于，当该负载阻抗具有第一取值时，该电源使用第一保持时间，而当该负载阻抗具有大于该第一取值的第二取值时，该电源使用第二保持时间，该第二保持时间比该第一保持时间长。
10.一种用于G类放大器的控制方法，其中，该G类放大器具有放大器级，用于放大输入信号以产生输出信号，以及，该控制方法包括：
检测该G类放大器的负载阻抗，以产生检测结果；以及，
根据该检测结果确定被提供给该放大器级的供给电压的电平。
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