CN112994631A - D类功放自适应半波调制控制的电路结构 - Google Patents

D类功放自适应半波调制控制的电路结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种D类功放自适应半波调制控制的电路结构，包括放大器模块，用于放大输入音频信号；跨导放大器，所述的跨导放大器的第一输入端与放大器模块的输出端相连接，第二输入端与三角波门限电压相连，输出端与放大器模块的输出直流偏置调整端口相连接，用于通过输出信号的上拉电流监测放大器输出信号幅度，并控制放大器的输出直流偏置点；所述的跨导放大器在放大器模块的输出信号超过门限值的情况下，输出上拉电流抬高放大器的输出直流偏置电压。采用了本发明的D类功放自适应半波调制控制的电路结构，本发明继承半波调制低损耗、高效率优点的同时引入适当控制，优化大信号输入时的输出信号失真度，并使得功放的整体抗干扰性得到提高。

Description

D类功放自适应半波调制控制的电路结构
技术领域
本发明涉及电路结构领域，尤其涉及D类功放电路结构技术领域，具体是指一种D类功放自适应半波调制控制的电路结构。
背景技术
传统的半波调制方法，通过将静态时的输出方波从原来的50％减小到一个较低的值(通常为10％为20％)的方法来减小开关损耗。因为根据正常的调制方法，只要信号不限幅，在每个调制周期内功放两个输出端(正相输出POUT+和反相输出POUT－)都会有两次开关动作；而如果采用半波调制方法，由于在静态时输出端方波占空比很低，所以在信号幅度偏离中心值较大的时间段内就会有一个输出端始终保持为“0”，没有任何开关动作，信号完全由另外一个输出端的高频方波来调制。传统的半波调制方法的优点就是通过减少大信号时一个输出端的开关次数可以显著的减小开关损耗，提高功放效率；但是同时由于在大信号阶段只有一个输出端有信号调制，另一个端口始终为“0”，所以最终输出信号在幅度较大时会出现明显的开关噪声，造成输出信号失真度增大，影响功放实际效果。
D类功放调制方法是将一个幅度受控的三角波信号和经过放大的音频信号进行比较，比较器的输出信号驱动后级输出电路在最终的输出端上输出功率信号。三角波信号的频率称为调制频率，一般要远大于其调制的音频信号的频率。
为了在不同电源电压VCC的情况下稳定调制增益，一般是将三角波信号的幅度设定为电源电压VCC的一个固定比例(比如15％)，该比例的设定需考虑功放的最高工作电源电压VCCmax。因为功放调制部分往往采用5V的CMOS标准器件集成，功放电路内部一般都有一个5V左右输出的LDO来向调制部分供电，将此调制部分的5V左右的电源称为VDD。则三角波幅度必须受到调制部分电源VDD的限制，而由于三角波信号的幅度和电源电压VCC成固定比例，所以功放的最高工作电源电压VCCmax也会受到限制。通常三角波产生电路为了最大化利用VDD范围，会将三角波的中心点设置在0.5×VDD处，而三角波的最大正峰值一般会限制在VDD－0.5V以下，最大负峰值一般会限制在0.5V以上。放大音频信号的放大器一般采用全差分结构，功放总体架构大致示意如图1。输入信号经过全差分运算放大器的放大之后变为信号SOUT+和SOUT－两个反相的信号并且同时送入两个比较器和产生的固定频率三角波比较产生数字化的驱动逻辑信号驱动后续开关管输出相应的功率信号POUT+和POUT－。
传统的D类功放通常会将全差分放大器的正反相两个输出端(SOUT+和SOUT－)偏置在0.5×VDD处，并且产生的三角波的中心位置也在0.5×VDD处。这样在静态时(输入信号为零)，功放输出信号(POUT+和POUT－)的输出都是占空比为50％的同相方波信号，功放两个输出端的差值(POUT+减去POUT－)为零。如图2，上方为三角波信号TRIAG，上方横线为重合的放大器输出信号(SOUT+和SOUT－)，中间为功放正相输出信号POUT+，下方为功放反相输出信号POUT－。
当放大后的输入信号逐步正向偏离平衡位置(即SOUT+抬升，SOUT－下降)时，功放正相输出POUT+端输出方波信号的占空比逐渐增大，功放反相输出POUT－端输出方波信号的占空比逐渐减小，功放两个输出端的差值(POUT+减去POUT－)为正。相反的，当放大后的输入信号逐步负向偏离平衡位置(即SOUT+下降，SOUT－抬升)时，功放正相输出POUT+端输出方波信号的占空比逐渐减小，功放反相输出POUT－端输出方波信号的占空比逐渐增大，功放两个输出端的差值(POUT+减去POUT－)为负。
采用半波调制方式的D类功放在架构上和传统功放相同，只是在全差分放大器的输出端偏置的设置上有所区别，输出端偏置不再固定设置为0.5×VDD，而是设置为和三角波信号幅度相关的某个值，例如0.5×VDD－0.7×VP(其中VP为三角波信号的半峰值)。这样在静态时(输入信号为零)功放两个输出端(POUT+和POUT－)输出的是占空比为15％的同相方波信号，功放两个输出端的差值(POUT+减去POUT－)为零。如图3所示，上方为三角波信号TRIAG，上方横线为重合的放大器输出信号(SOUT+和SOUT－)，中间为功放正相输出信号POUT+，下方为功放反相输出信号POUT－。
当放大后的输入信号正向逐步偏离新的平衡位置(即SOUT+抬升，SOUT－下降)时，功放正相输出POUT+端输出信号的占空比逐渐增大；而功放反相输出POUT－端信号的占空比很快从平衡时的15％下降到零(即始终保持在GND)。此时由于功放的反相输出端保持GND电平不变，所以输出信号完全由功放的正相输出端的方波表示，具体如图4所示。
同样的，当放大后的输入信号负向偏离新的平衡位置(即SOUT+下降，SOUT－抬升)时，功放正相输出POUT+端输出信号的占空比很快从平衡时的15％下降到零(即始终保持在GND)；而功放反相输出POUT－端信号的占空比逐渐增大。此时由于功放的正相输出端保持GND电平不变，所以输出信号完全由功放的反相输出端的方波表示。
基于上述半波调制架构，当输入信号略微偏离平衡值以后，其中一个输出端就会出现没有开关动作始终保持为零的状态，此时音频信号只体现在另一个输出端的占空比调制上。采用半波调制架构的明显优点是可以减小开关损耗，提升效率，而且当输入信号越大时效果越明显。但是该结构有一个明显的缺点就是由于大信号时只有一个通道上有高频方波，原来传统架构中正反相输出端可以互相抵消的高频分量被保留了下来，造成输出信号失真度增大，而且输入信号越大，失真情况越严重。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足失真少、损耗低、适用范围较为广泛的D类功放自适应半波调制控制的电路结构。
为了实现上述目的，本发明的D类功放自适应半波调制控制的电路结构如下：
该D类功放自适应半波调制控制的电路结构，其主要特点是，所述的系统包括：
放大器模块，用于放大输入音频信号；
跨导放大器，所述的跨导放大器的第一输入端与放大器模块的输出端相连接，第二输入端与三角波门限电压相连，输出端与放大器模块的输出直流偏置调整端口相连接，用于通过输出信号的上拉电流监测放大器输出信号幅度，并控制放大器的输出直流偏置点；
所述的跨导放大器在放大器模块的输出信号超过门限值的情况下，输出上拉电流抬高放大器的输出直流偏置电压。
较佳地，所述的放大器模块包括：
全差分放大器，与所述的跨导放大器相连接；
稳压负反馈单元，与所述的全差分放大器相连接，用于稳定全差分放大器的输出直流电。
较佳地，所述的放大器模块还包括输入信号端口、输出信号端口、输出直流偏置设定端口和输出直流偏置调整端口，所述的输出信号端口与稳压负反馈单元和跨导放大器均相连接，所述的输出直流偏置设定端口与稳压负反馈单元相连接，所述的输出直流偏置调整端口与稳压负反馈单元和跨导放大器均相连接。
较佳地，在所述的放大器模块的输出信号幅度偏离三角波信号峰值一定幅度的情况下，所述的放大器模块向平衡位置调整输出信号的直流偏置电压。
较佳地，所述的跨导放大器为单向的跨导放大器。
较佳地，所述的跨导放大器的输出的上拉电流满足以下公式：
Ipu＝gm×(VTH-min(SOUT+，SOUT-))；
其中，Ipu为跨导放大器输出的上拉电流，VTH为三角波门限电压，SOUT+和SOUT－为放大器模块的输出信号。
采用了本发明的D类功放自适应半波调制控制的电路结构，本发明继承半波调制低损耗、高效率优点的同时引入适当控制，优化大信号输入时的输出信号失真度，并使得功放的整体抗干扰性得到提高。本发明既实现了半波调制架构开关损耗小、效率高的优点；又引入适度控制解决了半波调制架构下固有的失真度偏大的问题。
附图说明
图1为现有技术的功放电路总体架构示意图。
图2为现有技术的功放电路的信号示意图。
图3为现有技术的功放电路的信号示意图。
图4为现有技术的功放电路的信号示意图。
图5为本发明的D类功放自适应半波调制控制的电路结构的示意图。
图6为本发明的D类功放自适应半波调制控制的电路结构的设定电压VSET、门限VTH和三角波幅度的关系对应示意图。
图7为本发明的D类功放自适应半波调制控制的电路结构的跨导放大器的结构示意图。
图8为本发明和现有技术的电路结构在相同的1kHz正弦波信号的仿真对比示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明的该D类功放自适应半波调制控制的电路结构，其中包括：
放大器模块，用于放大输入音频信号；
跨导放大器，所述的跨导放大器的第一输入端与放大器模块的输出端相连接，第二输入端与三角波门限电压相连，输出端与放大器模块的输出直流偏置调整端口相连接，用于通过输出信号的上拉电流监测放大器输出信号幅度，并控制放大器的输出直流偏置点；
所述的跨导放大器在放大器模块的输出信号超过门限值的情况下，输出上拉电流抬高放大器的输出直流偏置电压。
作为本发明的优选实施方式，所述的放大器模块包括：
全差分放大器，与所述的跨导放大器相连接；
稳压负反馈单元，与所述的全差分放大器相连接，用于稳定全差分放大器的输出直流电。
作为本发明的优选实施方式，所述的放大器模块还包括输入信号端口、输出信号端口、输出直流偏置设定端口和输出直流偏置调整端口，所述的输出信号端口与稳压负反馈单元和跨导放大器均相连接，所述的输出直流偏置设定端口与稳压负反馈单元相连接，所述的输出直流偏置调整端口与稳压负反馈单元和跨导放大器均相连接。
作为本发明的优选实施方式，在所述的放大器模块的输出信号幅度偏离三角波信号峰值一定幅度的情况下，所述的放大器模块向平衡位置调整输出信号的直流偏置电压。
作为本发明的优选实施方式，所述的跨导放大器为单向的跨导放大器。
作为本发明的优选实施方式，所述的跨导放大器的输出的上拉电流满足以下公式：
Ipu＝gm×(VTH-min(SOUT+，SOUT-))；
其中，Ipu为跨导放大器输出的上拉电流，VTH为三角波门限电压，SOUT+和SOUT－为放大器模块的输出信号。
本发明的具体实施方式中，本发明针对于失真度的问题提出了一种新的控制架构。新的控制架构会监测放大后的输入信号SOUT+和SOUT－并且和相应的三角波幅值电平做比较，当信号幅度偏离三角波信号峰值一定幅度时会自动调整信号SOUT+和SOUT－的直流偏置电压。直流偏置电压调整的方向是从原先偏离平衡位置(即0.5×VDD)处向平衡位置调整，这样当输入信号增大到预先设定的门限值以后如果继续增大，这时某一个输出端保持为零的时间段不会再继续无限制增大，这样输出端失真度就不会跟随信号的增大而不断增大，而是会限制在某一个限制值，且这个限制值可以通过设定比较门限来灵活调整。
本发明的跨导放大器的第一输入端为放大器输出信号SOUT+和SOUT－，第二输入端为设定门限电压VTH，输出端根据半波调制架构可以是上拉电流或者下拉电流。门限电压根据实际可以接受的最大失真度进行调整，VTH越接近平衡位置，获得的输出失真度越低。跨导放大器的输出电流在电阻R1上的电压降可以调整放大器的输出直流偏置电压，利用跨导放大器形成的负反馈环路来限制信号SOUT+或SOUT－负向偏离平衡位置的最大值，也同样限定了功放输出端口出现长低的最大时间段，最终限定了功放输出信号的最大失真度。
如图5所示，本发明由一个用来放大输入音频信号的放大器和一个用来监测放大器输出信号幅度并控制放大器的输出直流偏置点的跨导放大器构成。本发明在现有的半波调制架构的基础上增加了一个单向的跨导放大器。
放大器端口包括输入信号端口SIN+和SIN－、输出信号端口SOUT+和SOUT－、输出直流偏置设定端口VSET以及输出直流偏置调整端口CT。
放大器本身包括一个全差分的放大器A1，一个用来稳定全差分放大器输出直流电的稳压负反馈结构，该负反馈结构通过将输出信号SOUT+和SOUT－的直流分量信息和设定电压VT进行比较并且利用其比较输出调整全差分放大器A1的输出直流点，最终稳定状态下全差分放大器A1的输出直流点将会稳定在VT电压。当跨导放大器输出电流为零的情况下，VT电压直接由放大器端口电压VSET决定。半波调制架构下可以将VSET电压设定为0.5×VDD－⊿V(当然也可以设置为0.5×VDD+⊿V)；其中⊿V越大，静态时功放输出端输出信号的占空比就越小(如果VSET设定为0.5×VDD+⊿V，如⊿V越大，则占空比越大)。综合考虑效率和失真，本发明中⊿V取0.7×VP(VP为三角波信号的半峰值)，并且VSET端口电压设定为0.5×VDD－0.7×VP。
跨导放大器包括两个输入端和一个输出端，其中第一输入端是放大器的输出信号SOUT+和SOUT－；第二输入端是和三角波峰值相关的门限VTH。VTH根据实际可以接受的最大失真度进行设置，如果VSET设定为(0.5×VDD－0.7×VP)，则VTH可以设定为(0.5×VDD－1.2×VP)。跨导放大器的输出根据实际半波调制架构可以是下拉电流Ipd或者是上拉电流Ipu，输出端电流直接连接到放大器的CT端口，利用Ipd或者Ipu在电阻R1上产生的电压降来调整放大器的输出直流电平。如果半波调制架构是通过将放大器直流输出点从0.5×VDD向下平移一定幅度(例如0.7×VP)实现的话，那么跨导放大器输出的应该是上拉电流Ipu，即当输出信号SOUT+和SOUT－增大到设定门限后，VT电压会根据跨导放大器输出电流进行调整VT＝VSET+Ipu×R1。
本发明的实施例中，设定电压VSET、门限VTH和三角波幅度的关系对应如图6所示，其中三角波中心电压设定在0.5×VDD处，三角波的半峰值定义为VP，VSET电压设定为(0.5×VDD－0.7×VP)，VTH门限电压设定为(0.5×VDD－1.2×VP)。
跨导放大器设计为一个单向的跨导放大器，即当输入的SOUT+和SOUT－信号电压高于另一路输入门限电压VTH时，跨导放大器输出电流保持为零；当输入的SOUT+和SOUT－信号电压低于另一路输入门限电压VTH时，跨导放大器开始输出电流Ipu，Ipu＝gm×(VTH－min(SOUT+，SOUT－))。
跨导放大器的一种实施例的结构如图7所示。实现结构主体为PMOS差分对，输入端口分别为SOUT+，SOUT－和VTH；差分对的单端输出电流通过NMOS管N3以及PMOS镜像电流源折叠为上拉电流Ipu从CT端口输出。根据上述公式VT＝VSET+Ipu×R1，由于VT的最大调整值不能大于0.5×VDD，所以ID×R1要小于等于0.7×VP。
放大器输出信号SOUT+和SOUT－会送入比较器和三角波信号进行比较产生最终的高频调制方波信号，又因为在半波调制架构下放大器输出直流偏置并不设定在0.5×VDD的中心处，而是在(0.5×VDD－0.7×VP)处，所以只要当SOUT+或者SOUT－信号负向偏离平衡位置较小的幅度(0.3×VP)时，功放输出某个端口就会出现长低，并且随着信号幅度越来越大，功放某个输出端口出现长低的时间会越来越长。但当加入跨导放大器控制以后，当放大器输出信号SOUT+或SOUT－负向偏离平衡位置幅度超过门限(即0.5×VP)时，跨导放大器会输出上拉电流Ipu将放大器输出直流偏置电压抬高，从而限制了信号SOUT+或SOUT－负向继续偏离平衡位置的趋势，也同样限定了功放输出端口出现长低的最大时间段。
对比使用本专利的半波调制架构和传统的半波调制架构在典型应用条件下对于相同的1kHz正弦波信号的仿真对比如图8所示，图中上方为采用本专利半波调制架构的功放输出波形，图中下方为传统半波调制架构的功放输出波形。对比可以看到在信号的正负峰值附近，传统的半波调制架构功放输出有明显的纹波干扰和高频噪声，而且从失真度对比来看，传统半波调制架构功放输出波形的失真度为2.7％，而采用本专利架构功放输出波形的失真度仅为0.6％。
采用了本发明的D类功放自适应半波调制控制的电路结构，本发明继承半波调制低损耗、高效率优点的同时引入适当控制，优化大信号输入时的输出信号失真度，并使得功放的整体抗干扰性得到提高。本发明既实现了半波调制架构开关损耗小、效率高的优点；又引入适度控制解决了半波调制架构下固有的失真度偏大的问题。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (6)

1.一种D类功放自适应半波调制控制的电路结构，其特征在于，所述的系统包括：
放大器模块，用于放大输入音频信号；
跨导放大器，所述的跨导放大器的第一输入端与放大器模块的输出端相连接，第二输入端与三角波门限电压相连，输出端与放大器模块的输出直流偏置调整端口相连接，用于通过输出信号的上拉电流监测放大器输出信号幅度，并控制放大器的输出直流偏置点；
所述的跨导放大器在放大器模块的输出信号超过门限值的情况下，输出上拉电流抬高放大器的输出直流偏置电压。
2.根据权利要求1所述的D类功放自适应半波调制控制的电路结构，其特征在于，所述的放大器模块包括：
全差分放大器，与所述的跨导放大器相连接；
稳压负反馈单元，与所述的全差分放大器相连接，用于稳定全差分放大器的输出直流电。
3.根据权利要求2所述的D类功放自适应半波调制控制的电路结构，其特征在于，所述的放大器模块还包括输入信号端口、输出信号端口、输出直流偏置设定端口和输出直流偏置调整端口，所述的输出信号端口与稳压负反馈单元和跨导放大器均相连接，所述的输出直流偏置设定端口与稳压负反馈单元相连接，所述的输出直流偏置调整端口与稳压负反馈单元和跨导放大器均相连接。
4.根据权利要求1所述的D类功放自适应半波调制控制的电路结构，其特征在于，在所述的放大器模块的输出信号幅度偏离三角波信号峰值一定幅度的情况下，所述的放大器模块向平衡位置调整输出信号的直流偏置电压。
5.根据权利要求1所述的D类功放自适应半波调制控制的电路结构，其特征在于，所述的跨导放大器为单向的跨导放大器。
6.根据权利要求2所述的D类功放自适应半波调制控制的电路结构，其特征在于，所述的跨导放大器的输出的上拉电流满足以下公式：
Ipu＝gm×(VTH-min(SOUT+，SOUT-))；
其中，Ipu为跨导放大器输出的上拉电流，VTH为三角波门限电压，SOUT+和SOUT－为放大器模块的输出信号。
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