CN117459004A - 放大器系统 - Google Patents

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CN117459004A CN202210850011.3A CN202210850011A CN117459004A CN 117459004 A CN117459004 A CN 117459004A CN 202210850011 A CN202210850011 A CN 202210850011A CN 117459004 A CN117459004 A CN 117459004A
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Abstract

本发明提供一种放大器系统，包括输出单元、处理单元、反馈单元与控制器。输出单元经配置以输出一输出信号，以及回传数字输出反馈信号。处理单元经配置以接收过滤后误差音频信号并且输出脉宽调制控制信号给输出单元。反馈单元的加法单元经配置将数字输入信号加上数字输出反馈信号的负值以得到误差音频信号。反馈单元的可变滤波单元经配置以过滤误差音频信号并输出过滤后误差音频信号。可变滤波单元的补偿单元经配置以改变可变滤波单元的增益特性。控制器经配置以根据补偿前信号调整补偿单元的至少一参数以改变可变滤波单元的增益特性。

Description

放大器系统
技术领域
本发明涉及一种放大器系统，尤其是涉及一种具有三角积分调制器(sigma deltamodulator,SDM)、数字脉宽调制(digital pulse width modulation，DPWM)搭配反馈控制(feedback control)的放大器系统。
背景技术
数字脉宽调制经常搭配反馈控制，例如音频放大器系统(audio amplifiersystem)。在此架构下可通过回路滤波器(loop filter)有效的抑制正向路径(forwardpath)上三角积分调制器、数字脉宽调制器与功率级三者产生的噪音，进而提升输出端的总谐波失真加噪声的性能。但在反馈控制的架构下需要考虑整体的稳定性(stability)，不当的设计可能会造成整体系统不稳定。而且在此架构中，还须特别注意三角积分调制器的稳定性，其中三角积分调制器的稳定性受限于输入信号的大小。设计时为了达到更好的性能，回路滤波器的增益值应越大越好，但当回路滤波器的增益值增大，也越容易使得三角积分调制器不稳定。若为了追求更好的总谐波失真加噪声的性能而调高回路滤波器的增益值，有可能会导致在大信号输入时，造成三角积分调制器不稳定，于是只能牺牲动态范围(dynamic range)。反之，若不愿牺牲动态范围，势必要降低回路滤波器的增益值，而这样又会牺牲小信号输入时的总谐波失真加噪声的性能。而在小信号输入时，即使回路滤波器的增益值较大，三角积分调制器其实还是稳定的。
有鉴于此，本发明提供一种放大器系统，以改善现有技术问题。
发明内容
本发明一实施例提供一种放大器系统。放大器系统包括输出单元、处理单元、反馈单元与控制器。输出单元经配置以输出一输出信号以驱动负载，以及回传数字输出反馈信号。处理单元包括数字三角积分调制器。处理单元经配置以接收过滤后误差音频信号并且输出脉宽调制(pulse width modulation，PWM)控制信号给输出单元。反馈单元包括可变滤波单元与加法单元。加法单元经配置将数字输入信号加上数字输出反馈信号的负值以得到误差音频信号，以及传送误差音频信号给可变滤波单元。可变滤波单元经配置以过滤误差音频信号并输出过滤后误差音频信号。可变滤波单元包括补偿单元。可变滤波单元的补偿单元经配置以改变可变滤波单元的增益特性。控制器经配置以根据放大器系统的正向路径上的未经补偿单元补偿的补偿前信号的信号大小，调整补偿单元的至少一参数以使补偿单元改变可变滤波单元的增益特性。
基于上述，本发明的多个实施例提供了一种放大器系统，放大器系统的控制器根据放大器系统的正向路径上的未经补偿单元补偿的补偿前信号的信号大小，调整补偿单元以改变可变滤波单元的增益特性，可在维持系统稳定的条件下最佳化整体性能。
附图说明
图1为根据本发明多个实施例所示出的放大器系统的模块图。
图2为根据本发明多个实施例所示出的放大器系统的模块图。
图3-1为根据本发明多个实施例所示出的放大器系统的模块图。
图3-2为根据本发明多个实施例所示出的放大器系统的模块图。
图4为根据本发明多个实施例所示出的低频搁架式滤波器的振幅响应图。
附图标记说明：
100:放大器系统 101:反馈单元 102:处理单元
103:输出单元 104:控制器 105:加法单元
106:可变滤波单元 107:补偿单元 108:上采样单元
201:回路滤波单元 202:数字三角积分调制器 203:数字脉宽调制产生单元
204:功率级 205:模拟低通滤波器 206:模拟三角积分调制器
301:检测单元 302:控制单元 a:上采样前数字信号
b:数字输入信号 c:误差音频信号 d:补偿单元的输入信号
G:低频搁架式滤波器低频时的增益
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、技术特征与技术效果，在以下配合参考附图的实施例的具体实施方式中，将可清楚的呈现。附图中各元件的厚度或尺寸，是通过夸张或省略或概略的方式表示，以供本领域具有普通知识的技术人员了解与阅读，且每个元件的尺寸并不一定是其实际的尺寸，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具有技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的技术效果及所能达成的发明目的下，均仍应落入本发明所披露的技术内容所涵盖的范围内。在所有附图中相同的标号将用于表示相同或相似的元件。以下实施例中所提到的“耦接”或“连接”一词可指任何直接或间接的连接手段。
图1为根据本发明多个实施例示出的放大器系统模块图。请参见图1，放大器系统100包括反馈单元101、处理单元102、输出单元103、控制器104与上采样单元108。上采样单元108经配置以接收上采样前数字信号，上采样单元108上采样(upsample)前述上采样前数字信号以提升上采样前数字信号的采样率并得到数字输入信号。上采样单元108输出数字输入信号给加法单元105。
反馈单元101包括可变滤波单元106与加法单元105，其中可变滤波单元106包括补偿单元107。加法单元105经配置以接收上采样单元108输出的数字输入信号与输出单元103输出的数字输出反馈信号。在此实施例中，采用负反馈架构，加法单元105经配置以将数字输入信号加上数字输出反馈信号的负值以得到误差音频信号。加法单元105传送误差音频信号给可变滤波单元106。可变滤波单元106经配置以过滤误差音频信号。可变滤波单元106的补偿单元107经配置以改变可变滤波单元106整体的增益特性。
处理单元102经配置以接收过滤后误差音频信号并且输出一脉宽调制(PWM)控制信号给输出单元103。处理单元102包括数字三角积分调制器202，其中数字三角积分调制器202经配置以调制前述过滤后误差音频信号。输出单元103经配置以输出一输出信号以及回传数字输出反馈信号。前述输出信号用以驱动一个负载。
如图1所示，放大器系统100具有两个信号路径。一是正向路径，一是反馈路径。放大器系统100的正向路径为放大器系统100从上采样前数字信号到输出信号的信号路径中没有信号节点被经过两次的信号路径。反馈路径是输出信号反馈到加法单元105的信号路径。如图1所示，放大器系统100的正向路径包括经由上采样单元108、加法单元105、可变滤波单元106、处理单元102以及输出单元103的信号路径。放大器系统100的反馈路径包括输出单元103到加法单元105的信号路径。
控制器104经配置以根据放大器系统100的正向路径上的未经补偿单元107补偿的补偿前信号的信号大小，调整补偿单元107的至少一参数，以使补偿单元107改变可变滤波单元106整体的增益特性。
值得说明的是，在前述实施例中，放大器系统100从外部接收上采样前数字信号，上采样前数字信号经上采样单元108上采样后获得数字输入信号。然而，前述实施例的放大器系统100亦可不包括上采样单元108，而是从外部直接接收数字输入信号。
在前述实施例所提出的架构中，由于控制器104根据放大器系统100的正向路径上的未经补偿单元107补偿的补偿前信号的信号大小，调整补偿单元107的至少一参数以改变可变滤波单元106整体的增益特性，可在维持系统稳定的条件下最佳化整体性能。
图2为根据本发明多个实施例示出的放大器系统模块图。请参见图2，在本发明多个实施例中，可变滤波单元106包括回路滤波单元201。回路滤波单元201经配置以过滤误差音频信号，并将过滤后的误差音频信号输出给补偿单元107，补偿单元107补偿过滤后的误差音频信号，再将补偿后误差音频信号输出给处理单元102的数字三角积分调制器202。
处理单元102包括数字脉宽调制(Digital Pulse Width Modulation，DPWM)产生单元203。处理单元102的数字三角积分调制器202接收补偿后误差音频信号，并将调制后的补偿后误差音频信号传送给数字脉宽调制产生单元203。数字脉宽调制产生单元203根据调制后的补偿后误差音频信号产生脉宽调制(PWM)控制信号给输出单元103。
输出单元103包括功率级204、模拟低通滤波器205与模拟三角积分调制器206(analog sigma delta modulator)。功率级204经配置以接收数字脉宽调制产生单元203所产生的脉宽调制控制信号，并基于脉宽调制控制信号产生模拟输出以作为输出单元103的输出信号，输出信号用以驱动一个负载。模拟低通滤波器205经配置以接收输出信号(亦即功率级204的模拟输出)，并过滤接收到的模拟输出产生模拟反馈信号。模拟三角积分调制器206经配置以接收模拟反馈信号，并且调变模拟反馈信号为数字输出反馈信号后输出数字输出反馈信号给加法单元105。在图2所示的实施例中，放大器系统100的正向路径为经由上采样单元108、加法单元105、可变滤波单元106、数字三角积分调制器202、数字脉宽调制产生单元203以及输出单元103中功率级204的信号路径。放大器系统100的反馈路径为经由模拟低通滤波器205以及模拟三角积分调制器206至加法单元105的信号路径。
在本发明的多个实施例中，前述放大器系统100为一音频放大器系统，前述功率级204为D类放大器，前述负载为扬声器(Loud speaker)。
如图2所示，前述放大器系统100的正向路径上的未经补偿单元107补偿的补偿前信号的可以是上采样前数字信号a、数字输入信号b、误差音频信号c以及补偿单元107的输入信号d其中之一。控制器104经配置以根据补偿前信号的信号大小，调整补偿单元107的至少一参数以使补偿单元107改变可变滤波单元106整体的增益特性。
在本发明一实施例中，前述放大器系统100的正向路径上的未经补偿单元107补偿的补偿前信号的可以是上采样前数字信号a、数字输入信号b以及误差音频信号c其中之一。控制器104经配置以根据补偿前信号的信号大小，调整回路滤波单元201的参数以使回路滤波单元201改变可变滤波单元106整体的增益特性。
图3-1为根据本发明多个实施例示出的放大器系统模块图。请参考图3-1，在本实施例中，控制器104包括检测单元301与控制单元302。检测单元301经配置以接收前述补偿前信号并且基于决定补偿前信号的信号大小。检测单元301并输出补偿前信号的信号大小给控制单元301。如前所述，补偿前信号的可以是上采样前数字信号a、数字输入信号b、误差音频信号c以及补偿单元107的输入信号d(在此实施例中为过滤后的误差音频信号)其中之一。
在本发明的多个实施例中，检测单元301经由计算补偿前信号的包络(envelope)的大小来决定补偿前信号的信号大小。在本发明的多个实施例中，检测单元301经由计算补偿前信号的能量来决定补偿前信号的信号大小。控制单元301则基于信号大小调整补偿单元107的至少一参数。
图3-2为根据本发明多个实施例示出的放大器系统模块图。相较于图3-1所示的控制器104，图3-2所示的控制器104的控制单元301还从外部接收参考输入，控制单元301则基于前述补偿前信号的信号大小与参考输入调整补偿单元107的至少一参数。关于参考输入的具体实施方式会在以下实施例中具体说明。
请同时参考图1、图2与图3-1，在本发明的多个实施例中，补偿单元107为信号比例放大单元，信号比例放大单元根据自身的比例参数放大接收到的信号，然要说明的是当前述信号比例放大单元的比例参数小于1时，前述信号比例放大单元实质上是缩小接收到的信号。补偿单元107经配置以根据自身的比例参数放大(当比例参数小于1时前述放大实质上为缩小)前述过滤后的误差音频信号。控制器104经配置以根据放大器系统100的正向路径上的未经补偿单元107补偿的补偿前信号的信号大小，调整补偿单元107的比例参数。改变补偿单元107的比例参数可以改变可变滤波单元106整体的增益特性。
请同时参考图1、图2与图3-2，在本发明的多个实施例中，补偿单元107为信号比例放大单元，前述参考输入为一阈值(threshold)，控制器104经配置以比较补偿前信号的信号大小与前述阈值。当补偿前信号的信号大小大于前述阈值，控制器104调整该补偿单元107的比例参数为第一比例参数。当补偿前信号的信号大小为小于或等于前述阈值时，控制器104调整该补偿单元107的比例参数为第二比例参数。
请同时参考图1、图2与图3-2，在本发明的多个实施例中，补偿单元107为信号比例放大单元，前述参考输入为一表格(table)，表格中记载补偿前信号的信号大小与补偿单元107的比例参数的对应关系。控制器104经配置以根据补偿前信号的信号大小与前述表格记载的对应关系，调整补偿单元107的比例参数。
图4为根据本发明多个实施例示出的低频搁架式滤波器振幅响应图。请同时参考图1、图2、图3-1与图4，在本发明的多个实施例中，补偿单元107为一阶低频搁架式滤波器(low-frequency shelving filter)。此时，补偿单元107可以下列转移函数(transferfunction)(编号为公式1)来表示：
其中， ωc与g为正实数。
补偿单元107具有低频搁架式滤波器系数ωc、g、a0、a1、b0、b1，其中补偿单元107的低频搁架式滤波器系数ωc、g可决定a0、a1、b0、b1。补偿单元107的振幅响应图如图4所示，其中G＝-20log10g，为低频搁架式滤波器低频时的增益值。低频搁架式滤波器系数ωc决定图4所示补偿单元107的振幅响应图的转折频率。
控制器104经配置以根据补偿前信号的信号大小，调整低频搁架式滤波器系数ωc、g以调整低频搁架式滤波器的增益G而改变可变滤波单元106整体的增益特性。
请同时参考图1、图2与图3-2，在本发明的多个实施例中，补偿单元107为前述低频搁架式滤波器，补偿单元107的转移函数为前述公式1。前述参考输入为一表格(table)，表格中记载补偿前信号的信号大小与补偿单元107的低频搁架式滤波器系数ωc、g(a0、a1、b0、b1)的对应关系。控制器104经配置以根据补偿前信号的信号大小与前述表格记载的对应关系，调整补偿单元107的低频搁架式滤波器系数ωc、g(a0、a1、b0、b1)。
值得说明的是，在前述实施例中，补偿单元107选为一阶低频搁架式滤波器，补偿单元107当然可依设计需求选为二阶或高阶低频搁架式滤波器，本发明并不以此为限。
综上所述，本发明的多个实施例提供一种放大器系统100，放大器系统100的控制器104根据放大器系统100的正向路径上的未经补偿单元107补偿的补偿前信号的信号大小，调整补偿单元107的至少一参数以改变可变滤波单元106整体的增益特性，可在维持系统稳定的条件下最佳化整体性能。

Claims (10)

1.一种放大器系统，其特征在于，包括：
一输出单元，经配置以输出一输出信号以驱动一负载以及回传一数字输出反馈信号；
一处理单元，包括一数字三角积分调制器，所述处理单元经配置以接收一过滤后误差音频信号并且基于所述过滤后误差音频信号输出一脉宽调制控制信号给所述输出单元；
一反馈单元，包括一可变滤波单元与一加法单元，其中，所述可变滤波单元包括一补偿单元，所述加法单元经配置以将一数字输入信号加上所述数字输出反馈信号的负值以得到一误差音频信号，以及传送所述误差音频信号给所述可变滤波单元，所述可变滤波单元经配置以过滤所述误差音频信号并输出所述过滤后误差音频信号，所述可变滤波单元的所述补偿单元经配置以改变所述可变滤波单元的一增益特性；以及
一控制器，经配置以根据所述放大器系统的一正向路径上的未经所述补偿单元补偿的一补偿前信号的信号大小，调整所述补偿单元的至少一参数以使所述补偿单元改变所述可变滤波单元的所述增益特性。
2.根据权利要求1所述的放大器系统，其特征在于，所述控制器包括一检测单元与一控制单元，所述检测单元经配置以接收所述补偿前信号并输出所述补偿前信号的一信号大小，所述控制单元基于所述信号大小调整所述补偿单元的所述至少一参数。
3.根据权利要求1所述的放大器系统，其特征在于，所述控制器包括一检测单元与一控制单元，所述检测单元经配置以接收所述补偿前信号并输出所述补偿前信号的一信号大小，所述控制单元基于所述信号大小与一参考输入调整所述补偿单元的所述至少一参数。
4.根据权利要求1所述的放大器系统，其特征在于，所述放大器系统还包括一上采样单元，所述上采样单元经配置以接收一上采样前数字信号，所述上采样单元上采样所述上采样前数字信号并输出所述数字输入信号；其中所述补偿前信号为选自由所述上采样前数字信号、所述数字输入信号、所述误差音频信号以及所述补偿单元之一输入信号所组成的群组中之一。
5.根据权利要求1所述的放大器系统，其特征在于，所述可变滤波单元还包括一回路滤波单元，所述回路滤波单元经配置以接收所述误差音频信号，所述回路滤波单元过滤所述误差音频信号并输出给所述补偿单元。
6.根据权利要求1所述的放大器系统，其特征在于，所述补偿单元为一低频搁架式滤波器，所述低频搁架式滤波器包括多个系数，所述补偿单元的所述至少一参数为所述低频搁架式滤波器的所述多个系数，所述控制器经配置以根据所述补偿前信号的一信号大小调整所述低频搁架式滤波器的所述多个系数以调整所述低频搁架式滤波器的一增益而改变所述可变滤波单元的所述增益特性。
7.根据权利要求1所述的放大器系统，其特征在于，所述补偿单元为一低频搁架式滤波器，所述低频搁架式滤波器包括多个系数，所述补偿单元的所述至少一参数为所述低频搁架式滤波器的所述多个系数，所述控制器经配置以根据所述补偿前信号的一信号大小与一参考输入调整所述低频搁架式滤波器的所述多个系数以调整所述低频搁架式滤波器的一增益而改变所述可变滤波单元的所述增益特性。
8.根据权利要求1所述的放大器系统，其特征在于，所述补偿单元为一信号比例放大单元，所述控制器经配置以根据所述补偿前信号的一信号大小调整所述信号比例放大单元的一比例参数以改变所述可变滤波单元的所述增益特性。
9.根据权利要求1所述的放大器系统，其特征在于，所述处理单元还包括一数字脉宽调制产生单元，所述处理单元的所述数字三角积分调制器接收所述过滤后误差音频信号，所述数字三角积分调制器将调制后的所述过滤后误差音频信号传送给所述数字脉宽调制产生单元，所述数字脉宽调制产生单元根据调制后的所述过滤后误差音频信号产生所述脉宽调制控制信号给所述输出单元。
10.根据权利要求1所述的放大器系统，其特征在于，所述输出单元包括一功率级、一模拟低通滤波器与一模拟三角积分调制器，所述功率级经配置以接收所述脉宽调制控制信号，并基于所述脉宽调制控制信号产生一模拟输出，所述模拟低通滤波器经配置以接收所述模拟输出，并基于所述模拟输出产生一模拟反馈信号，所述模拟三角积分调制器经配置以接收所述模拟反馈信号，并调制所述模拟反馈信号后输出所述数字输出反馈信号，其中所述功率级为一D类放大器。
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