CN112470400A - D类开环放大器的增益控制 - Google Patents

D类开环放大器的增益控制 Download PDF

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Abstract

一种系统可以包括：数字调制器，该数字调制器被配置为调制在数字调制器的输入处接收的输入信号，以在数字调制器的输出处生成经调制的输入信号；数字增益元件，该数字增益元件具有数字增益并耦接到数字调制器；开环D类放大器，该开环D类放大器耦接到数字调制器的输出并被配置为放大经调制的输入信号，其中开环D类放大器由可变电源供电，该可变电源具有可响应于输入信号的一个或多个特性而变化的可变电源电压；以及控制电路，该控制电路被配置为控制数字增益，以近似抵消由于响应于输入信号的一个或多个特性的可变电源电压的变化而引起的开环D类放大器的模拟增益的变化。

Description

D类开环放大器的增益控制
技术领域
本公开总体上涉及用于音频和触觉设备的电路，包括但不限于个人音频设备(诸如无线电话和媒体播放器)、或者包括触觉模块的设备。
背景技术
个人音频设备(包括无线电话，诸如移动/蜂窝电话、无绳电话、mp3播放器和其他消费音频设备)被广泛使用。这种个人音频设备可以包括用于驱动一对头戴式受话器或一个或多个扬声器的电路系统。这种电路系统通常包括用于将音频输出信号驱动到头戴式受话器或扬声器的功率放大器。一般来说，功率放大器通过从电源获取能量并控制音频输出信号以匹配输入信号形状(但具有较大幅值)来放大音频信号。
音频放大器的一个示例是D类放大器。D类放大器(也称为“开关放大器”)可以包括电子放大器，在该电子放大器中，放大器件(例如，晶体管，通常是金属氧化物半导体场效应晶体管)作为电子开关操作。在D类放大器中，待放大的信号可以通过脉宽调制、脉冲密度调制或另一调制方法转换成一系列脉冲，使得信号被转换成经调制的信号，其中经调制的信号的脉冲特性(例如，脉冲宽度、脉冲密度等)是信号的幅值的函数。在用D类放大器进行放大后，输出脉冲串可以通过无源低通滤波器而转换成未调制的模拟信号，其中这种低通滤波器可以是D类放大器或由D类放大器驱动的负载固有的。通常由于这样的事实而使用D类放大器，即，它们可能比线性模拟放大器更加功率有效，因为与线性模拟放大器相比，D类放大器在有源设备中可以以热量的方式消耗更少的功率。
发明内容
根据本公开的教导，可以减少或消除与利用放大器处理信号的现有方法相关联的一个或多个缺点和问题。
根据本公开的实施例，一种系统可以包括：数字调制器，该数字调制器被配置为调制在数字调制器的输入处接收的输入信号，以在数字调制器的输出处生成经调制的输入信号；数字增益元件，该数字增益元件具有数字增益并耦接到数字调制器；开环D类放大器，该开环D类放大器耦接到数字调制器的输出并被配置为放大经调制的输入信号，其中开环D类放大器由可变电源供电，该可变电源具有可响应于输入信号的一个或多个特性而变化的可变电源电压；以及控制电路，该控制电路被配置为控制数字增益，以近似抵消由于响应于输入信号的一个或多个特性的可变电源电压的变化而引起的开环D类放大器的模拟增益的变化。
根据本公开的这些和其他实施例，一种方法可以包括在这样的系统中控制数字增益以近似抵消由于响应于输入信号的一个或多个特性的可变电源电压的变化而引起的开环D类放大器的模拟增益的变化，该系统具有：数字调制器，该数字调制器被配置为调制在数字调制器的输入处接收的输入信号，以在数字调制器的输出处生成经调制的输入信号；数字增益元件，该数字增益元件具有数字增益并耦接到数字调制器；以及开环D类放大器，该开环D类放大器耦接到数字调制器的输出并被配置为放大经调制的输入信号，其中开环D类放大器由可变电源供电，该可变电源具有可响应于输入信号的一个或多个特性而变化的可变电源电压。
从本文包括的附图、描述和权利要求中，本公开的技术优点对于本领域技术人员来说是显而易见的。实施例的目的和优点将至少通过权利要求中特别指出的元件、特征和组合来实现和达到。
应当理解的是，前面的整体性描述和下面的详细描述都是示例和说明性的，并不限制本公开中阐述的权利要求。
附图说明
通过结合附图参考以下描述，可以获得对本实施例及其优点的更完整的理解，在附图中相同的附图标记表示相同的特征，并且其中：
图1是根据本公开的实施例的示例个人音频设备的图示；
图2是根据本公开的实施例的个人音频设备的示例音频集成电路的所选择的组件的框图；
图3是根据本公开的实施例的示例脉宽调制放大器的所选择的组件的框图；以及
图4是根据本公开的实施例的另一示例脉宽调制放大器的所选择的组件的框图。
具体实施方式
图1是根据本公开的实施例的示例个人音频设备1的图示。图1描绘了耦接到呈一对耳塞扬声器8A和8B的形式的耳机3的个人音频设备1。图1中描绘的耳机3仅仅是示例，并且应当理解的是，个人音频设备1可以与各种音频换能器结合使用，包括但不限于头戴式受话器、耳塞、入耳式耳机和外部扬声器。插头4可以提供耳机3到个人音频设备1的电端子的连接。替代性地，在一些实施例中，耳机3可以无线耦接(例如，通过蓝牙连接)到个人音频设备1。个人音频设备1可以向用户提供显示，并使用触摸屏2接收用户输入，或者替代性地，标准液晶显示器(liquid crystal display，LCD)可以与设置在个人音频设备1的面和/或侧部上的各种按钮、滑动件和/或拨号盘相组合。同样如图1所示，个人音频设备1可以包括音频集成电路(integrated circuit，IC)9，该音频集成电路用于生成模拟音频信号以便传输到耳机3和/或另一音频换能器(例如，扬声器)。
图2是根据本公开实施例的个人音频设备的示例音频IC 9的所选择的组件的框图。在一些实施例中，示例音频IC 9可以用于实施图1的音频IC 9。如图2所示，微控制器核18(例如，数字信号处理器或“DSP”)可以向数模转换器(digital-to-analog converter，DAC)14供应数字音频输入信号DIG_IN，该数模转换器可以将数字音频输入信号转换成模拟输入信号VIN。DAC 14可以向放大器16提供模拟信号VIN，该放大器可以放大或衰减模拟输入信号VIN以提供音频输出信号VOUT，该音频输出信号可以操作扬声器、头戴式受话器换能器、线路电平信号输出和/或其他合适的输出。
前述内容设想了包括放大器16的音频IC 9可以驻留在个人音频设备1中。然而，在一些实施例中，诸如当耳机3是无线耳机时，放大器16和音频IC 9的一个或多个其他组件可以驻留在耳机3内。
图3是根据本公开的实施例的示例性脉宽调制(pulse width modulation，PWM)放大器22的所选择的组件的框图。在一些实施例中，示例脉宽调制放大器22可以用于实施图2的放大器16的全部或一部分。如图3所示，示例脉宽调制放大器22可以包括数字PWM子系统24、预驱动器级33、由低压差(low-dropout，LDO)调节器32供电的驱动器级34、以及控制子系统30。
如图所示，利用由数字PWM子系统24、预驱动器级33和驱动器级34形成的信号路径，PWM放大器22可以作为数字开环D类放大器操作。数字PWM子系统24可以包括用于将输入信号VIN转换成等效PWM信号的任何合适的系统、设备或装置。如图3所示，数字PWM子系统24可以包括前馈路径，该前馈路径包括环路滤波器40、量化器44以及包括数字增益元件46的反馈路径。
环路滤波器40可以包括被配置为接收输入信号(例如，输入信号VIN或其衍生物)和反馈信号(例如，量化器44的输出)并且基于这样的输入信号和反馈信号生成要传送给量化器44的经滤波的输入信号的任何系统、设备或装置。在一些实施例中，这种经滤波的输入信号可以包括指示输入信号和反馈信号之间的积分误差的信号。
量化器44可以包括被配置为量化信号(例如，经滤波的输入信号)以生成等效数字PWM信号的任何系统、设备或装置。
数字增益元件46可以包括被配置为具有可变数字增益并将这种可变数字增益应用于由量化器44输出的数字PWM信号以生成给环路滤波器40的反馈信号的任何系统、设备或装置。如图3中示出并在下面更详细地描述那样，数字增益元件46的可变数字增益可以由控制子系统30生成的一个或多个控制信号控制。
预驱动器级33可以包括被配置为接收量化的PWM信号(例如，由数字PWM子系统24生成)并为驱动器级34调整这个信号的任何系统、设备或装置。因此，预驱动器级33可以包括信号缓冲器和/或用于提供对驱动器级34的开关的栅极端子的控制的其他逻辑元件。
驱动器级34可以包括被配置为接收量化的PWM信号(例如，由数字PWM子系统24生成并由预驱动器级33调整)并将输出信号驱动到换能器(例如，音频换能器、触觉换能器或其他换能器)的任何系统、设备或装置。因此，驱动器级34可以包括多个输出开关，该多个输出开关被配置为根据由数字PWM子系统24生成的经调制的信号生成输出信号VOUT。
如图3所示，LDO调节器32可以通过电源电压VDD向驱动器级34提供电能，使得驱动器级34可以使用这种电能来生成输出信号VOUT。如本领域所知，LDO调节器可以包括直流线性电压调节器，即使当LDO调节器的输入电压非常接近其输出电压时，该直流线性电压调节器也可以调整其输出电压。同样如图3中示出并在下面更详细地描述那样，由LDO调节器32生成的电源电压VDD在由控制子系统30生成的一个或多个控制信号的控制下是可变的。在一些实施例中，LDO调节器32可以以多种模式操作，该多种模式包括快速充电模式，在该快速充电模式中可变电源电压VDD基本上被瞬时修改为新值，其中新值基于输入信号VIN的一个或多个特性。在这样的实施例中，多个模式还可以包括第二模式，在该第二模式中可变电源电压VDD被修改为新值，其中对新值的修改速率被限制为转换速率。
控制子系统30可以包括被配置为接收输入信号(例如，输入信号VIN)并基于输入信号的一个或多个特性使用信号检测电路50的LDO控制块54控制由LDO调节器(例如，LDO调节器32)生成的可变电源电压(例如，电源电压VDD)的任何系统、设备或装置。输入信号的这种一个或多个特性包括输入信号的幅值、输入信号的信号频率和输入信号的信号升降速率(例如，幅值的增加或减小的速率)中的一个或多个。例如，当输入信号的一个或多个特性包括输入信号的幅值中的一个或多个时，可变电源电压可以跟踪输入信号的信号包络。
附加地或替代性地，控制子系统30还可以被配置成监控可变电源电压(例如，电源电压VDD)，并且基于通过监控可变电源电压而检测到的可变电源电压的变化来控制数字增益元件46的可变数字增益。例如，随着可变电源电压VDD增加，驱动器级34的模拟增益可以增加，并且模拟增益的这种增加可以通过控制子系统30检测可变电源电压/模拟增益的增加并作为响应降低数字增益元件46的可变数字增益来补偿。同样地，随着可变电源电压VDD降低，驱动器级34的模拟增益可能降低，并且模拟增益的这种降低可以通过控制子系统30检测可变电源电压/模拟增益的降低并作为响应增加数字增益元件46的可变数字增益来补偿。为了提供这种监控和控制，控制子系统30可以包括耦接到LDO调节器32的模拟前端(analog front end，AFE)62，该模拟前端用于接收电源电压VDD并调整所感测的电源电压VDD并将经调整的电源电压VDD输出到耦接到AFE 62的模数转换器64，该模数转换器可以被配置成将经调整的电源电压信号转换成可以用于控制增益元件46的可变数字增益的等效数字信号。因此，控制子系统30可以被配置为控制数字增益元件46的数字增益，以近似抵消由于响应于输入信号的一个或多个特性(例如，输入信号的幅值、输入信号的信号频率和输入信号的信号升降速率中的一个或多个，如在本公开的其他地方更详细讨论的那样)的可变电源电压(电源电压VDD)的变化引起的开环D类放大器(PWM放大器22)的模拟增益的变化。
附加地或替代性地，控制子系统30还可以被配置成利用信号检测电路50检测输入信号VIN的一个或多个特性(例如，输入信号的幅值、输入信号的信号频率和输入信号的信号升降速率中的一个或多个)，并且将输入信号的一个或多个特性作为索引应用到增益查找表52，以便根据由一个或多个特性索引的增益查找表52的条目来设置增益元件46的可变数字增益。各种条目可以包括数字增益值，这些数字增益值可以被应用来补偿由控制子系统30响应于输入信号VIN的一个或多个特性而导致的电源电压VDD的变化。例如，下表表示增益查找表52的示例实施例：
信号电平 数字增益(dB) V<sub>DD</sub>(V)
[-∞,-15dBv] 0 0.5
[-15dBv,-6dBv] -3 0.7
[-6dBv,0] -6 1
如上面的示例表所示，输入信号VIN的信号电平的幅值范围(例如，-∞至-15dBv，-15dBv至-6dBv，-6dBv至0)可以用作条目增益查找表52的索引，其中条目可以包括将由增益元件46应用的数字增益和将由LDO调节器32输出的相对应的电源电压VDD。
在一些实施例中，如上所述，输入信号VIN的信号频率和/或信号升降速率可以用于设置增益元件46的数字增益和将由LDO调节器32输出的相对应的电源电压VDD。例如，如果输入信号VIN的信号频率低于阈值频率，并且输入信号VIN的信号升降速率低于阈值升降速率，则信号检测电路50可以简单地基于下表中阐述的信号电平索引条目应用增益元件46的数字增益和要由LDO调节器32输出的相对应的电源电压VDD。然而，在这样的示例中，如果输入信号VIN的信号频率高于阈值频率或者输入信号VIN的信号升降速率高于阈值升降速率，则信号检测电路50可以应用增益元件46的最低数字增益和将由LDO调节器32输出的相对应的最高电源电压VDD(例如，当信号频率和信号升降速率中的任一个或两个高于它们各自的阈值时，应用增益查找表52的最后一行)。
在一些实施例中，PWM放大器22可以包括与监控电源电压VDD并且基于这种监控修改可变数字增益相关的功能，但是可以不包括与基于输入电压VIN从增益查找表52中选择数字增益相关的功能。在其他实施例中，PWM放大器22可以不包括与监控电源电压VDD并且基于这种监控修改可变数字增益相关的功能，但是可以包括与基于输入电压VIN从增益查找表52中选择数字增益相关的功能。
在其他实施例中，PWM放大器22可以包括与监控电源电压VDD并且基于这种监控修改可变数字增益相关的功能，也包括与基于输入电压VIN从增益查找表52中选择数字增益相关的功能。在这样的实施例中的一些中，与基于输入电压VIN从增益查找表52中选择数字增益相关的功能可以用于为增益元件46设置“粗略”数字增益水平，并且与监控电源电压VDD并且基于这种监控修改可变数字增益相关的功能可以用于为增益元件46设置“细化”数字增益水平，该“精细”数字增益水平细化由增益查找表52定义的粗略设置。
在一些实施例中，PWM调制放大器22可以表示更大的可重配置PWM调制放大器的一部分，诸如于2018年9月17日提交的美国专利申请序列号16/133,045中公开的可重配置PWM放大器，并该申请通过引用结合于此。
图4是根据本公开的实施例的示例PWM放大器22A的所选择的组件的框图。在一些实施例中，示例脉宽调制放大器22A可以用于实施图2的放大器16的全部或一部分。图4的示例PWM放大器22A在许多方面类似于图3的PWM放大器22。因此，下面仅讨论PWM放大器22A和PWM放大器22之间的差异。
特别地，PWM放大器22A和PWM放大器22之间的一个区别在于，PWM放大器22A包括增益元件46A(该增益元件46A将可变数字增益应用于数字PWM子系统24的输入(例如，应用于输入电压VIN))而不是PWM放大器22的增益元件46。如同PWM放大器22的情况，控制子系统30可以生成控制信号来控制可变数字增益46A，以便补偿由响应于输入电压VIN的一个或多个特性的可变电源电压VDD的变化导致的驱动器级34的模拟增益的变化。
尽管前述内容设想了使用PWM放大器22和22A以便在用于驱动音频换能器的音频放大器中使用，但是应当理解的是，PWM放大器22和22A可以在用于驱动其他类型换能器的其他类型的放大器中使用，包括但不限于用于驱动触觉换能器的放大器。
如本文所使用的那样，当两个或更多元件被称为彼此“耦接”时，这个术语指示这两个或更多元件处于电子连通或机械连通(如适用的话)，无论是间接连接还是直接连接、具有中间元件或没有中间元件。
本公开涵括本领域普通技术人员将理解的对本文中的示例实施例的所有改变、替换、变化、变更和修改。类似地，在适当的情况下，所附权利要求涵括本领域普通技术人员将理解的对本文中的示例实施例的所有改变、替换、变化、变更和修改。此外，在所附权利要求中对适配成、布置成、能够、配置成、使其能够、能够操作或可操作以执行特定功能的装置或系统或装置或系统的组件的引用涵括该装置、系统或组件，无论其或该特定功能是否被激活、开启或解锁，只要该装置、系统或组件如此适配、布置、能够、配置、使其能够、能够操作或可操作即可。因此，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本文描述的系统、装置和方法进行修改、添加或省略。例如，系统和装置的组件可以是集成的或分离的。而且，本文公开的系统和装置的操作可以由更多、更少或其他组件来执行，并且所描述的方法可以包括更多、更少或其他步骤。附加地，步骤可以以任何合适的顺序执行。如本文所用，“每一个”是指集合的每一个成员或集合的子集的每一个成员。
尽管示例性实施例在附图中示出并在下面描述，但是本公开的原理可以使用任何数量的技术(无论当前是否已知)来实施。本公开不应以任何方式限于附图中示出的和上文描述的示例性实施方式和技术。
除非另有特别说明，附图中描绘的物品不一定按比例绘制。
本文所引述的所有示例和条件性语言都是为了教学目的以帮助读者理解发明人为推进本领域所贡献的公开内容和构思，并且被解释为不限于这些具体引述的示例和条件。尽管已经详细描述了本公开的实施例，但是应当理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对其进行各种改变、替换和变更。
虽然上面已经列举了具体的优点，但是各种实施例可以包括列举的优点中的一些、不包括列举的优点或者包括列举的优点中的全部。附加地，在阅读了前述附图和描述之后，其他技术优点对于本领域普通技术人员来说将变得显而易见。
为了有助于专利局和在本申请中发布的任何专利的任何读者解释所附权利要求，申请人希望注意，除非在特定权利要求中明确使用了词语“用于……装置”或“用于……步骤”，否则他们不旨在所附权利要求或权利要求元素中的任何一个触发35U.S.C.§112(f)。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
数字调制器，所述数字调制器被配置为调制在所述数字调制器的输入处接收的输入信号，以在所述数字调制器的输出处生成经调制的输入信号；
数字增益元件，所述数字增益元件具有数字增益并耦接到所述数字调制器；
开环D类放大器，所述开环D类放大器耦接到所述数字调制器的输出并被配置为放大所述经调制的输入信号，其中所述开环D类放大器由可变电源供电，所述可变电源具有能够响应于所述输入信号的一个或多个特性而变化的可变电源电压；以及
控制电路，所述控制电路被配置为控制所述数字增益，以近似抵消由于响应于所述输入信号的一个或多个特性的所述可变电源电压的变化而引起的所述开环D类放大器的模拟增益的变化。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述数字增益元件集成到被耦接在所述数字调制器的输出和所述数字调制器的输入之间的所述数字调制器的反馈路径中。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述数字增益元件将所述数字增益应用于所述数字调制器的输入。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制电路被配置成通过以下方式控制所述数字增益：
监控所述可变电源电压；以及
基于通过监控所述可变电源电压检测到的所述可变电源电压的变化来控制所述数字增益。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述控制电路包括：
耦接到所述可变电源的模拟前端；以及
耦接到所述模拟前端的模数转换器。
6.根据权利要求4所述的系统，其中所述控制电路被配置成通过以下方式控制所述数字增益：
将所述输入信号的一个或多个特性作为索引应用于增益查找表；以及
根据由所述一个或多个特性索引的所述增益查找表的条目来设置所述数字增益。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制电路被配置成通过以下方式控制所述数字增益：
将所述输入信号的一个或多个特性作为索引应用于增益查找表；以及
根据由所述一个或多个特性索引的所述增益查找表的条目来设置所述数字增益。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述可变电源以多种模式操作，所述多种模式包括快速充电模式，在所述快速充电模式中所述可变电源电压基本上被瞬时修改为新值，其中所述新值基于所述输入信号的所述一个或多个特性。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述多个模式还包括第二模式，在所述第二模式中所述可变电源电压被修改为所述新值，其中对所述新值的修改速率被限制为转换速率。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述输入信号的一个或多个特性包括所述输入信号的幅值、所述输入信号的信号频率和所述输入信号的信号升降速率中的一个或多个。
11.一种方法，该方法在具有以下组件的系统中进行：数字调制器，所述数字调制器被配置为调制在所述数字调制器的输入处接收的输入信号，以在所述数字调制器的输出处生成经调制的输入信号；数字增益元件，所述数字增益元件具有数字增益并耦接到所述数字调制器；以及开环D类放大器，所述开环D类放大器耦接到所述数字调制器的输出并被配置为放大所述经调制的输入信号，其中所述开环D类放大器由可变电源供电，所述可变电源具有能够响应于所述输入信号的一个或多个特性而变化的可变电源电压，所述方法包括：
控制所述数字增益以近似抵消由于响应于所述输入信号的一个或多个特性的所述可变电源电压的变化而引起的所述开环D类放大器的模拟增益的变化。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述数字增益元件集成到被耦接在所述数字调制器的输出和所述数字调制器的输入之间的所述数字调制器的反馈路径中。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述数字增益元件将所述数字增益应用于所述数字调制器的输入。
14.根据权利要求11所述的方法，其中控制所述数字增益包括：
监控所述可变电源电压；以及
基于通过监控所述可变电源电压检测到的所述可变电源电压的变化来控制所述数字增益。
15.根据权利要求14所述的方法，其中监控所述可变电源电压包括：
由模拟前端接收所述可变电源电压；以及
用耦接到所述模拟前端的模数转换器将由所述模拟前端调整的所述可变电源电压转换成等效数字信号。
16.根据权利要求14所述的方法，其中控制所述数字增益包括：
将所述输入信号的一个或多个特性作为索引应用于增益查找表；以及
根据由所述一个或多个特性索引的所述增益查找表的条目来设置所述数字增益。
17.根据权利要求11所述的方法，其中控制所述数字增益包括：
将所述输入信号的一个或多个特性作为索引应用于增益查找表；以及
根据由所述一个或多个特性索引的所述增益查找表的条目来设置所述数字增益。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述可变电源以多种模式操作，所述多种模式包括快速充电模式，在所述快速充电模式中所述可变电源电压基本上被瞬时修改为新值，其中所述新值基于所述输入信号的所述一个或多个特性。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述多个模式还包括第二模式，在所述第二模式中所述可变电源电压被修改为所述新值，其中对所述新值的修改速率被限制为转换速率。
20.根据权利要求11所述的方法，其中所述输入信号的一个或多个特性包括所述输入信号的幅值、所述输入信号的信号频率和所述输入信号的信号升降速率中的一个或多个。
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