CN114902557A - 最小化d类脉宽调制放大器中的空闲信道噪声 - Google Patents

最小化d类脉宽调制放大器中的空闲信道噪声 Download PDF

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CN114902557A CN202080091642.0A CN202080091642A CN114902557A CN 114902557 A CN114902557 A CN 114902557A CN 202080091642 A CN202080091642 A CN 202080091642A CN 114902557 A CN114902557 A CN 114902557A
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Abstract

一种系统，可包括：前向信号路径，具有前向增益并且配置为在输入端接收输入信号，并在输出端生成作为输入信号的函数的输出信号；具有反馈增益并耦合在输出端和输入端之间的反馈信号路径；以及控制子系统，配置为以至少两种模式操作所述前向信号路径和所述反馈信号路径，所述至少两种模式包括：第一模式，其中所述前向增益为第一前向增益，并且所述反馈增益为第一反馈增益；以及第二模式，其中所述前向增益为小于所述第一前向增益的第二前向增益，并且所述反馈增益为大于所述第一反馈增益的第二反馈增益。当输入信号中存在信号内容时，所述控制子系统可引发在所述第一模式中的操作，并且当输入信号中没有信号内容时，所述控制子系统可引发在所述第二模式中的操作。

Description

最小化D类脉宽调制放大器中的空闲信道噪声
技术领域
本公开一般涉及用于音频设备的电路，包括但不限于个人音频设备，诸如无线电话和媒体播放器，并且更具体地说，涉及用于最小化D类脉宽调制放大器中的空闲信道噪声的系统和方法。
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，正在广泛使用。此类个人音频设备可包括用于驱动一对头戴式耳机，或者一个或多个扬声器的电路。这种电路通常包括功率放大器，用于将音频输出信号驱动到头戴式耳机或扬声器。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较大的幅度来匹配输入信号的形状而放大音频信号。
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”)可包括电子放大器，其中放大设备(例如晶体管，通常为金属氧化物半导体场效应晶体管)作为电子开关进行操作。在D类放大器中，可通过脉宽调制(PWM)、脉冲密度调制(PDM)或其他调制方式将要放大的信号转换为一系列脉冲，从而将信号转换为调制信号，其中调制信号的脉冲特性(例如，脉冲宽度、脉冲密度等)是信号幅度的函数。在使用D类放大器放大之后，输出脉冲串可通过穿过无源低通滤波器转换为未调制的模拟信号，其中该低通滤波器可以是D类放大器中固有的，或者是由D类放大器驱动的负载。由于D类放大器可比线性模拟放大器更节能，因此经常使用D类放大器，因为与线性模拟放大器相比，D类放大器在有源器件中以热量的形式耗散的功率更少。
在D类放大器以及其他音频放大器中，通常需要最小化空闲信道噪声。空闲信道噪声可以定义为在没有信号被驱动到包含放大器的信号路径的情况下，放大器输出的噪声量。在D类放大器以外的其他类型放大器中，通过将放大器的输出箝位到接地电压来降低或消除空闲信道噪声。然而，在D类放大器中，在空闲信道存在期间，D类放大器的输入可能会以50％的占空比切换。因此，除非将D类放大器的驱动回路置为开路，否则可能无法将D类放大器的输出箝位到接地电压。此外，在D类放大器中对接地电压的这种箝位，可能会导致听者可以察觉到的音频伪影。
发明内容
根据本公开的教导，可以减少或消除与现有最小化空闲信道噪声方法相关的一个或多个缺点和问题。
根据本公开的实施例，系统可以包括：具有前向增益的前向信号路径，所述前向信号路径配置为在输入端接收输入信号，并在输出端生成作为所述输入信号的函数的输出信号；具有反馈增益且耦合在所述输出端和所述输入端之间的反馈信号路径；以及控制子系统，配置为以至少两种模式操作所述前向信号路径和所述反馈信号路径，所述至少两种模式包括：第一模式，其中所述前向增益为第一前向增益，并且所述反馈增益为第一反馈增益；以及第二模式，其中所述前向增益为小于所述第一前向增益的第二前向增益，并且所述反馈增益为大于所述第一反馈增益的第二反馈增益。当所述输入信号中存在信号内容时，所述控制子系统可引发在所述第一模式中的操作，并且当所述输入信号中不存在信号内容时，所述控制子系统可引发在所述第二模式中的操作。
根据本公开的这些和其他实施例，一种方法，在包括具有前向增益的前向信号路径和具有反馈增益并耦合在输出端和输入端之间的反馈信号路径的系统中进行操作，所述前向信号路径配置为在输入端接收输入信号，并在输出端生成作为所述输入信号的函数的输出信号，所述方法可以包括以至少两种模式操作所述前向信号路径和所述反馈信号路径，所述至少两种模式包括：第一模式，其中所述前向增益为第一前向增益，所述反馈增益为第一反馈增益；以及第二模式，其中所述前向增益为小于所述第一前向增益的第二前向增益，并且所述反馈增益为大于所述第一反馈增益的第二反馈增益。该方法还可以包括：当所述输入信号中存在信号内容时在所述第一模式中操作，以及当所述输入信号中不存在信号内容时在所述第二模式中操作。
对于本领域技术人员而言，本公开的技术优势可以从本文包含的附图、描述和权利要求中显而易见。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，上述一般描述和以下详细描述都是示例和解释性的，且不限制本公开中所述的权利要求。
附图说明
通过参考以下结合附图的描述，可以获得对本申请实施例及其优点的更完整的理解，在附图中类似的附图标记表示类似的特征，并且其中：
图1是根据本公开实施例的示例个人音频设备的示意图；
图2示出了根据本公开实施例的个人音频设备的示例音频集成电路的所选组件的框图；
图3示出了根据本公开实施例的示例放大器的所选组件的框图；
图4示出了根据本公开实施例的示例量化器的所选组件的框图；
图5示出了根据本公开实施例的量化器的一个示例前置放大器的所选组件的框图；
图6示出了根据本公开实施例的量化器的另一示例前置放大器的所选组件的框图。
具体实施方式
图1是根据本公开实施例的示例个人音频设备1的示意图。图1描绘了以一对耳塞扬声器8A和8B的形式耦合到耳机3的个人音频设备1。图1所示的耳机3仅仅是示例，并且可以理解，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耳机、耳塞、入耳式耳机和外部扬声器。插头4可提供用于将耳机3连接至个人音频设备1的电气端子。个人音频设备1可以使用触摸屏2向用户提供显示并接收用户输入，或者可替选地标准液晶显示器(LCD)可以与设置在个人音频设备1的正面和/或侧面的各种按钮、滑块和/或刻度盘组合。如图1所示，个人音频设备1可包括音频集成电路(IC)9，用于生成模拟音频信号以传输至耳机3和/或另一音频换能器。
图2示出了根据本公开实施例的个人音频设备的示例音频IC9的所选组件的框图。在一些实施例中，示例音频IC9可用于实现图1所示音频IC9。如图2所示，微控制器核18可向数模转换器(DAC)14供应数字音频输入信号DIG_IN，DAC可将数字音频输入信号转换为模拟输入信号VIN。DAC14可向放大器16供应模拟输入信号VIN，放大器16可放大或衰减模拟输入信号VIN，以提供音频输出信号VOUT，音频输出信号VOUT可操作扬声器、头戴式耳机换能器、线路电平信号输出和/或其他适当输出。
图3示出了根据本发明实施例的示例放大器16的所选组件的框图。在一些实施例中，放大器16可用于实现图2的放大器16的全部或部分。如图3所示，放大器16可以包括信号输入网络24、第一级22(例如，模拟前端)、量化器34、包含D类音频输出级42的最终输出级、耦合在放大器输出和放大器输入之间的信号反馈网络26，以及用于控制放大器16的某些组件的操作的控制子系统28，所述第一级22配置为在放大器16的放大器输入端接收模拟输入信号VIN并生成作为模拟输入信号VIN的函数的中间信号VINT，所述最终输出级配置为在放大器16的放大器输出端生成作为量化中间信号VINT的函数的音频输出信号VOUT，如下文更详细的描述的。
信号输入网络24可以包括接收放大器16的放大器输入的任何合适的输入网络。例如，如图3所示，信号输入网络24可包括可变输入电阻器46，其中可变反馈电阻器46的电阻由接收自控制子系统28的控制信号来控制，如下文更详细的描述的。
第一级22可以包括任何合适的模拟前端电路，用于调节模拟输入信号VIN以供D类音频输出级42使用。例如，第一级22可以包括一个或多个串联级联的模拟积分器30，如图3所示。
量化器34可以包括配置为量化中间信号VINT以生成等效数字PWM信号的任何系统、设备或装置。如图3所示，量化器34可以具有由接收自控制子系统28的一个或多个控制信号所控制的可变信号增益，如下文更详细的描述的。
D类音频输出级42可以包括配置为接收量化器34的输出，并驱动作为模拟输入信号VIN的放大版本的输出信号VOUT的任何系统、设备或装置。因此，D类音频输出级42可以包括多个输出开关，其配置为从量化器34生成的调制信号生成输出信号VOUT。经D类音频输出级42放大后，其输出脉冲串可通过穿过无源低通滤波器转换回未调制的模拟信号，其中此低通滤波器可以是D类音频输出级42的输出电路系统中固有的，或者是由D类音频输出级42驱动的负载。
信号反馈网络26可以包括任何合适的反馈网络，用于向放大器16的放大器输入反馈回指示了音频输出信号VOUT的信号。例如，如图3所示，信号反馈网络26可包括可变反馈电阻器48，其中可变反馈电阻器48的电阻由接收自控制子系统28的控制信号来控制，如下文更详细的描述的。本领域技术人员可以理解，放大器16的闭环增益可以通过可变反馈电阻器48的电阻与可变输入电阻器46的电阻的比率来设置。
控制子系统28可以包括配置为接收指示音频输入信号VIN的信息，并至少基于此来控制放大器16的一个或多个组件的操作的任何合适的系统、设备或装置。例如，控制子系统28可配置为基于模拟输入信号VIN的特性(例如，存在或不存在空闲信道)，在第一增益模式和第二增益模式放大器之间切换。例如，在没有空闲信道(例如，模拟输入信号VIN中存在信号内容)的情况下，控制子系统28可使放大器16在第一模式中操作，其中量化器34具有第一增益，信号反馈网络26具有第一反馈阻抗，并且信号输入网络24具有第一输入阻抗。
然而，在存在空闲信道的情况下(例如，模拟输入信号VIN中没有信号内容)，控制子系统28可使放大器16在第二模式中操作。在第二模式中，控制子系统28可将信号反馈网络26的阻抗降低为小于第一反馈阻抗的第二反馈阻抗，并将信号输入网络24的阻抗降低为小于第一输入阻抗的第二输入阻抗。降低信号反馈网络26的阻抗可以具有将信号反馈网络26的增益增加一个因子的效果，该因子等于信号反馈网络的阻抗的减小因子。降低这种阻抗可以降低放大器16环路内的噪声的存在，从而降低空闲信道噪声。为了在第一模式和第二模式之间保持放大器16的开环放大器增益，控制子系统28可以控制信号反馈网络26和信号输入网络24，使得第一反馈阻抗和第一输入阻抗的比率近似等于第二反馈阻抗和第二输入阻抗的比率。此外，在第二模式中，为了补偿反馈阻抗的降低并保持放大器16的环路动态，控制子系统28还可以将量化器34的增益降低为低于第一增益的第二增益，使得第二反馈阻抗和第一反馈阻抗的比率近似等于第二增益和第一增益的比率。因此，当从第一模式切换到第二模式时，控制子系统28可使反馈阻抗和量化器34的增益降低大约相同的因子(例如，因子4)。在一些实施例中，当从第一模式切换到第二模式时，控制子系统28还可以使输入阻抗降低相同的因子。
降低量化器34的增益可能需要注意，因为量化器噪声可能是空闲信道噪声的一个分量。为了说明，图4示出了根据本公开实施例的示例量化器34的所选组件的框图。如图4所示，量化器34可以包括前置放大器50和随后的比较器52，比较器52可以将前置放大器50的输出与周期性三角波形进行比较，以从量化器34生成脉宽调制输出信号QUANT_OUT。周期性三角波形的变化率可设置比较器52的增益–较慢的变化率可产生较高的比较器增益，并且较快的变化率可产生较低的比较器增益。
图5示出了根据本公开实施例的用于量化器34的一个示例前置放大器50A的所选组件的框图。在一些实施例中，前置放大器50A可用于实现图4的前置放大器50。前置放大器50A可以包括开关电容器增益电路，该电路包括运算放大器56，该运算放大器具有输入开关电容器以及输出开关电容器，该输入开关电容器包括电容器58和开关62，该输出开关电容器包括电容器60和开关64，所有这些都如图5所示。前置放大器50A的增益可以通过电容器60的电容和电容器58的电容的比率来设置。
图6示出了根据本公开实施例的用于量化器34的另一示例前置放大器50B的所选组件的框图。在一些实施例中，前置放大器50B可用于实现图4的前置放大器50。前置放大器50B可以包括增益电路，该增益电路包括具有输入电阻器68的运算放大器66、反馈电阻器70，以及包括电容器74和开关72的采样保持电路，所有这些的布置如图6所示。前置放大器50B的增益可以通过电阻器70的电阻和电阻器68的电阻的比率来设置。
因此，为了降低量化器增益，可以降低前置放大器50、比较器52或两者的增益。然而，在许多情况下，可能最希望通过对比较器52应用增益降低来降低量化器增益，因为：(a)在降低基于开关电容器的前置放大器50A中的增益的情况下，将前置放大器增益降低一个因子可能需要将电容器60的电容升高同样的因子，这可能需要将电容器60的面积增大同样的因子；以及(b)在降低基于电阻器的前置放大器50B中的增益的情况下，将前置放大器降低一个因子可能不会降低量化器34的噪声输出功率。然而，将比较器52的增益降低一个因子可使量化器噪声输出功率降低，无需面积显著增加。
如本文所使用的，当两个或更多个元件被称为彼此“耦合”时，该术语表示这两个或更多个元件处于电子通信或机械通信(如适用)中，无论是间接连接还是直接连接，有或没有中间元件。
本公开包括本领域普通技术人员可以理解的对本文示例实施例的所有更改、替换、变化、变更和修改。类似地，在适当的情况下，所附权利要求涵盖本领域普通技术人员将理解的对本文示例实施例的所有更改、替换、变化、变更和修改。此外，在所附权利要求中，对装置或系统及其组件的引用，适用于、布置于、能够、配置于、启用、能操作于或可操作于执行特定功能，包括该装置、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、系统或组件是如此适应、布置、能够、配置、启用、能操作或可操作的。因此，可以对本文描述的系统、装置和方法进行修改、添加或省略，而不脱离本公开的范围。例如，系统和装置的组件可以集成或分离。此外，本文公开的系统和装置的操作可以由更多、更少或其他组件执行，并且所描述的方法可以包括更多、更少或其他步骤。此外，可以按照任何合适的顺序执行步骤。如本文档中所使用的，“每个”是指集合的每个成员或集合子集的每个成员。
尽管示例性实施例在附图中示出并在下文中描述，但本发明的原理可以使用任何数量的技术来实现，无论当前已知与否。本公开决不应限于附图中所示和上文所述的示例性实现和技术。
除非另有特别说明，否则附图中描绘的物品不一定按比例绘制。
本文所述的所有示例和条件语言旨在用于教学目的，以帮助读者理解发明人为推进本领域所贡献的本公开以及概念，并被解释为但不限于这些具体列举的示例和条件。虽然已经详细描述了本公开的实施例，但是应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行各种更改、替换和变更。
尽管以上列举了特定优点，但各种实施例可以包括列举的一些、没有或全部优点。此外，在回顾前述附图和描述之后，其他技术优势对于本领域普通技术人员来说可能变得显而易见。
为了帮助专利局和就本申请发布的任何专利的任何读者解释本申请所附的权利要求，申请人希望注意，除非在特定权利要求中明确使用了“手段”或“步骤”，否则申请人不预备在所附的任何权利要求或权利要求要素中引用《美国法典》第35章第112(f)条。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
前向信号路径，具有前向增益并且配置为在输入端接收输入信号并在输出端生成作为所述输入信号的函数的输出信号；
反馈信号路径，具有反馈增益并耦合在所述输出端和所述输入端之间；以及
控制子系统，配置为以至少两种模式来操作所述前向信号路径和所述反馈信号路径，所述至少两种模式包括：
第一模式，其中所述前向增益为第一前向增益，并且所述反馈增益为第一反馈增益；和
第二模式，其中所述前向增益是小于所述第一前向增益的第二前向增益，并且所述反馈增益是大于所述第一反馈增益的第二反馈增益；
其中，当所述输入信号中存在信号内容时，所述控制子系统引发在所述第一模式中的操作，并且当所述输入信号中没有信号内容时，所述控制子系统引发在所述第二模式中的操作。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一前向增益与所述第二前向增益的比率近似等于所述第二反馈增益与所述第一反馈增益的比率。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述前向信号路径包括放大器，并且所述控制子系统配置为在所述第一模式和所述第二模式之间保持所述放大器的放大器增益近似恒定。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述前向信号路径包括量化器，并且所述前向增益是所述量化器的信号增益。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，
所述量化器包括：
前置放大器级；和
比较器级，配置为将所述前置放大器级的输出与三角周期性波形进行比较，以生成由所述量化器输出的脉宽调制波形；以及
其中所述前向增益是所述比较器级的信号增益。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述控制子系统配置为通过控制关于所述三角周期性波形的时间的变化率来控制所述前向增益。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述前向信号路径和所述反馈信号路径是调制器的组成部分。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述调制器为脉宽调制器。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制子系统配置为通过控制所述信号反馈路径的可变反馈阻抗来控制所述反馈路径增益。
10.根据权利要求9所述的系统，其中：
所述前向信号路径包括放大器；以及
所述控制子系统配置为通过基于可变反馈阻抗来控制所述前向信号路径的可变输入阻抗，而在所述第一模式和所述第二模式之间保持所述放大器的放大器增益近似恒定。
11.一种方法，在包括具有前向增益的前向信号路径以及具有反馈增益并耦合在输出端和输入端之间的反馈信号路径的系统中进行操作，所述前向信号路径配置为在输入端接收输入信号，并在输出端生成作为所述输入信号的函数的输出信号，所述方法包括：
以至少两种模式来操作所述前向信号路径和所述反馈信号路径，所述至少两种模式包括：
第一模式，其中所述前向增益为第一前向增益，并且所述反馈增益为第一反馈增益；以及
第二模式，其中所述前向增益为小于所述第一前向增益的第二前向增益，并且所述反馈增益为大于所述第一反馈增益的第二反馈增益；
当所述输入信号中存在信号内容时，在所述第一模式中操作；以及
当所述输入信号中没有信号内容时，在所述第二模式中操作。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一前向增益与所述第二前向增益的比率近似等于所述第二反馈增益与所述第一反馈增益的比率。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述前向信号路径包括放大器，并且所述方法还包括在所述第一模式和所述第二模式之间保持所述放大器的放大器增益近似恒定。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述前向信号路径包括量化器，并且所述前向增益是所述量化器的信号增益。
15.根据权利要求14所述的方法，其中：
所述量化器包括：
前置放大器级；和
比较器级，配置为将所述前置放大器级的输出与三角周期性波形进行比较，以生成由所述量化器输出的脉宽调制波形；以及
其中所述前向增益是所述比较器级的信号增益。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括通过控制关于所述三角周期性波形的时间的变化率来控制所述前向增益。
17.根据权利要求11所述的方法，其中所述前向信号路径和所述反馈信号路径是调制器的组成部分。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述调制器是脉宽调制器。
19.根据权利要求11所述的方法，还包括通过控制所述信号反馈路径的可变反馈阻抗来控制所述反馈路径增益。
20.根据权利要求19所述的方法，其中：
所述前向信号路径包括放大器；以及
该方法还包括通过基于可变反馈阻抗来控制所述前向信号路径的可变输入阻抗，而在所述第一模式和所述第二模式之间保持所述放大器的放大器增益近似恒定。
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