CN1578126A - 无平衡变压器放大系统 - Google Patents

Abstract

本发明的课题是提供一种用低成本实现稳定的失调电压校正的BTL放大系统。BTL放大器10有连接在差动放大器11的输出基准电压输入端子T6上的电阻元件R11。BTL放大器10的失调电压校正时，可变电流源控制部32控制输入切换电路20，将来自内部基准电压源30的校正用输入电压加在BTL放大器10的第一输入端子T1及第二输入端子T2上。另外，可变电流源控制部32根据比较电路31的输出信号，控制可变电流源33，调整流过电阻元件R11的电流，调整输出基准电压输入端子T6的电压，以便输出失调电压为最小。

Description

无平衡变压器放大系统

技术领域

本发明涉及BTL(Balanced Transformer Less，无平衡变压器)放大器，特别是涉及其失调电压的校正。

背景技术

互相反相地驱动两个放大电路，从各自的输出端之间获得单独使用时的两倍振幅的输出的放大方式称为BTL(Balanced TransformerLess，无平衡变压器)方式，采用该方式的放大器称为BTL放大器(例如专利文献1)。

[专利文献1]

特开平5-335850号公报(第2-3页，图1-图3)

通常，构成BTL放大器的运算放大器包括差动对电路和电流镜电路等的晶体管对，其工作特性在很大程度上依赖于晶体管对的电学特性的匹配。使运算放大器的输入电压为零时，输出电压也变为零是理想的，但如果例如构成运算放大器的晶体管对的特性失配，则输出电压不为零。也就是说发生输出失调电压(使输入电压为零时，在输出端出现的电压)。

另一方面，为了谋求IC的低成本化，半导体装置结构的MOS器件化有所进展。可是，MOS晶体管与双极性晶体管相比，电学特性的离散大，使用了MOS晶体管对的运算放大器容易产生输出失调电压及输入失调电压(输出电压为零时的输入电压)。因此，作为构成BTL放大器的运算放大器，出于谋求低成本化的目的，在采用了使用MOS晶体管对的运算放大器的情况下，担心该BTL放大器会发生失调电压。一旦发生失调电压，就会对BTL放大器的下一级电路产生不良影响，或者无信号输入时有时会发生流过负载的不希望的电流的问题。

作为抑制MOS晶体管的失调电压的发生的方法，能举出出厂试验时进行快速破坏，使用利用了电容器的失调电压消除器，进行校正包括MOS器件的系统总体中的失调电压用的校准等。出厂试验时的快速破坏方法，由于伴随试验成本及芯片尺寸的增大，成为MOS器件的优点即低成本化的障碍。另外，在使用采用了电容器的失调电压消除器的情况下，微调量稳定的保持是困难的，对于在严酷的使用条件(高温、大电流、负电压)下使用的MOS器件来说并不适宜。因此，为了实现低成本化，而且为了实现稳定的失调电压的校正，作为系统总体的校准是有效的。

本发明是为了解决以上的课题而完成的，其目的在于提供一种用低成本实现稳定的失调电压的校正的BTL放大系统。

发明内容

本发明的BTL放大系统备有：有放大第一输入端子与第二输入端子之间的电压差，并作为第一输出电压而输出的差动放大器、以及将上述第一输出电压反相后，作为第二输出电压而输出的反相放大器的BTL放大器；能将互相相等的校正用输入电压施加在上述第一及第二输入端子上的校正用输入电压施加电路；上述校正用输入电压被加在上述第一及第二输入端子上时，对作为上述第一输出电压及上述第二输出电压的每一输出电压的第一校正用输出电压和第二校正用输出电压进行比较的比较电路；以及根据上述比较电路的输出信号，调整上述反相放大器的输出基准电压，以便上述第一校正用输出电压与上述第二校正用输出电压之差为最小，以此进行失调电压调整的基准电压调整电路。

附图说明

图1是表示本发明的BTL放大系统的结构的图。

图2是说明实施例1的BTL放大系统的失调电压校正工作用的时序图。

图3是说明实施例2的BTL放大系统的失调电压校正工作用的时序图。

图4是现有的主从型BTL放大器的电路图。

具体实施方式

在说明本发明之前，首先更详细地说明主从型BTL放大器。图4是现有的主从型BTL放大器的电路图。BTL放大器100由主侧的差动放大器11、从侧的反相放大器12、以及输出基准电压生成电路13构成。输出基准电压生成电路13所生成的输出基准电压V_r被输入到差动放大器11及反相放大器12各自的输出基准电压输入端子T5、T6上。

差动放大器11将分别加在第一输入端子T1及第二输入端子T2上的第一外部输入电压V_I1和第二外部输入电压V_I2的电压差放大。然后以输出基准电压V_r为基准，将放大了的电压作为第一输出电压V_O1，输出给第一输出端子T3。反相放大器12以输出基准电压V_r为基准，将第一输出电压V_O1反相后，作为第二输出电压V_O2，输出给第二输出端子T4。其结果是在第一输出端子T3与第二输出端子T4之间，能获得差动放大器11单独使用时的两倍振幅的输出。

如图4所示，差动放大器11由运算放大器A1及A2构成的电压输出器、运算放大器A3及电阻元件R1～R4构成的差动放大电路、以及运算放大器A4及电阻元件R5、R6构成的反相放大电路构成。反相放大器12由运算放大器A5及电阻元件R7、R8构成。输出基准电压生成电路13由按照规定的分压比(例如1/2)，对电源—地之间的电压进行分压的电阻元件R9、R10和运算放大器A6构成的电压输出器构成。

用电阻R7、R8的电阻值R₇、R₈、输出基准电压V_r，由下式给出BTL放大器100的输出失调电压ΔV_O。

[式1]

ΔV_O＝(1+R₈/R₇)·(V_OF1-V_r+ε)该式中，V_OF1是输入电压为零(V_I1＝V_I2)时的第一输出电压V_O1，ε是运算放大器A5的输入失调电压。也就是说V_OF1-V_r+ε不等于零时发生输出失调电压。另外，在理想的BTL放大器100的情况下，由于V_OF1＝V_r且ε＝0，所以这时ΔV_O＝0，不产生失调电压。

<实施例1>

图1是表示本发明的BTL放大系统的结构图。本系统备有：主从型BTL放大器10、输入切换电路20、内部基准电压源30、比较电路31、可变电流源控制部32、可变电流源33、启动管理电路34。在图1所示的BTL放大器10中，与图4中的BTL放大器100所具有的要素相同的要素，标以同一符号。

BTL放大器10有连接在反相放大器12的输出基准电压输入端子T6与输出基准电压生成电路13之间的电阻元件R11，除此以外，有与图4所示的BTL放大器100同样的结构。主侧的差动放大器11、从侧的反相放大器12、输出基准电压生成电路13的电路结构与上述的相同，所以这里关于它们的详细的说明从略。该BTL放大系统有进行BTL放大器10的失调电压的校正(以下称“失调校正”)的功能。

输入切换电路20由开关电路21～24及倒相器25构成，用可变电流源控制部32进行控制。第一输入端子T1通过开关电路21，连接在输入第一外部输入电压V_I1的第一外部输入端子T7上。第二输入端子T2通过开关电路22，连接在输入第二外部输入电压V_I2的第二外部输入端子T8上。另外，第一输入端子T1和第二输入端子T2分别通过开关电路24及开关电路23，共同连接在内部基准电压源30上。

被输入到开关电路23、24中的控制信号用倒相器25反相后被输入开关电路21、22中。因此，开关电路21、22导通时，开关电路23、24关断，开关电路21、22关断时，开关电路23、24导通。也就是说输入切换电路20分别将第一外部输入电压V_I1及第二外部输入电压V_I2加在第一输入端子T1及第二输入端子T2上，或者施加内部基准电压源30所发生的校正用输入电压，两者交替地进行。即，输入切换电路20及内部基准电压源30具有作为能将互相相等的校正用输入电压加在第一输入端子T1及第二输入端子T2上的校正用输入电压施加电路的功能。进行BTL放大器10的失调校正时，可变电流源控制部32控制将来自内部基准电压源30的校正用输入电压加在第一输入端子T1及第二输入端子T2上的输入切换电路20。另外，如果校正用输入电压是稳定的直流电压，则虽然可以是任意的值，但该值最好根据组装该BTL放大器10的装置的系统电压，固定为适当的值。

在校正用输入电压被分别加在第一输入端子T1及第二输入端子T2上的期间(即进行失调校正的期间)，比较电路31对第一输出端子T3上的电压(第一输出电压V_O1)及第二输出端子T4上的电压(第二输出电压V_O2)进行比较，将表示该比较结果的比较结果信号输出给可变电流源控制部32。这里，在本说明书中，将校正用输入电压被分别加在第一输入端子T1及第二输入端子T2上时的第一输出电压V_O1称为“第一校正用输出电压”，同样将第二输出电压V_O2称为“第二校正用输出电压”。另外，在本实施例中，当第二校正用输出电压比第一校正用输出电压大时，比较电路31所输出的比较结果信号呈低电平，当第一校正用输出电压比第二校正用输出电压大时，呈高电平。

该BTL放大系统进行失调校正的时刻由启动管理电路34进行管理。在本实施例中，启动管理电路34监视电源电压，检测到了电源接通时，允许进行失调校正。允许进行失调校正时，启动管理电路34将校正许可信号发送给可变电流源控制部32。

来自比较电路31的比较结果信号、来自启动管理电路34的校正许可信号及规定的时钟信号被输入到可变电流源控制部32(时钟信号由可变电流源控制部32内置的分频器32a进行分频后输入)。可变电流源控制部32一旦输入了校正许可信号，便根据比较结果信号及时钟信号，控制输入切换电路20及可变电流源33，进行BTL放大器10的失调校正。

可变电流源33有加权为2^N、2^N-1、...、2、1的两组恒定电流源组。N是可变电流源控制部32为了控制可变电流源33而输出的数字信号(以下称“数字控制信号”)的分辨率(位数)。可变电流源33根据来自可变电流源控制部32的N位的数字控制信号，通过分别使N个恒定电流源通/断，控制流过电阻元件R11的电流的大小及方向，改变反相放大器12的输出基准电压输入端子T6的电压。反相放大器12的输出基准电压由输出基准电压输入端子T6的电压决定。因此，可变电流源控制部32通过控制可变电流源33，能控制第二输出电压V_O2(包括第二校正用输出电压)。

可变电流源控制部32根据比较电路31的比较结果信号，控制可变电流源33，调整流过电阻元件R11的电流，调整输出基准电压输入端子T6的电压，以便第一校正用输出电压与第二校正用输出电压之差为最小。其结果是BTL放大器10的失调电压被校正。即，电阻元件R11、可变电流源控制部32及可变电流源33具有作为基准电压调整电路的功能。

这里，说明本实施例的失调电压校正的理论。图1所示的BTL放大器10的输出失调电压ΔV_O能用电阻元件R7、R8的电阻值R₇、R₈、输出基准电压V_r、电阻元件R11的电压降V_R11，由下式给出。

[式2]

ΔV_O＝(1+R₈/R₇)·(V_OF1-V_r+V_R11+ε)

V_OF1是BTL放大器10输入电压为零(V_I1＝V_I2)时的第一输出电压V_O1，ε是运算放大器A5的输入失调电压。也就是说V_OF1-V_r+V_R11+ε＝0时，不发生BTL放大器10的失调电压。在本实施例中，可变电流源控制部32根据比较电路31的比较结果信号，控制可变电流源33，调整V_R11，以便输出失调电压ΔV_O的大小为最小。因此，调整V_R11的值，以便V_OF1-V_r+V_R11+ε的绝对值为最小。

以下，说明本实施例的BTL放大系统的失调电压校正工作。图2是说明该失调电压校正工作用的时序图。首先，在时刻t₀接通电源，接着如果在时刻t₁电源电压达到了规定的电平，则启动管理电路34检测该电源接通。检测到了电源接通的启动管理电路34允许进行失调校正，将校正许可信号发送给可变电流源控制部32。

可变电流源控制部32一旦接收到校正许可信号，便控制输入切换电路20，使开关电路21、22关断，使开关电路23、24导通，将内部基准电压源30所输出的校正用输入电压加在第一输入端子T1及第二输入端子T2上。因此，BTL放大器10的第一外部输入电压V_I1和第二外部输入电压V_I2相等。如果BTL放大器10是不发生输出失调电压的理想的放大器，则这时的第一输出电压V_O1和第二输出电压V_O2(第一校正用输出电压和第二校正用输出电压)相等。这里，如图2所示，假定第二校正用输出电压比第一校正用输出电压大，BTL放大器10有输出失调电压ΔV_O，并进行说明。

比较电路31对第一校正用输出电压与第二校正用输出电压的大小进行比较，输出表示其比较结果的比较结果信号。可变电流源控制部32以规定的等待时间等待第一校正用输出电压和第二校正用输出电压稳定，然后，参照从比较电路31输入的比较结果信号。在此时刻，如图2所示，第二校正用输出电压比第一校正用输出电压大，发生输出失调电压，所以比较结果信号呈低电平。

可变电流源控制部32对由分频器32a分频了的时钟信号进行计数，通过将该计数值变换成N位的数字控制信号，控制可变电流源33，改变流过电阻元件R11的电流。即，每次对时钟信号进行计数时，可变电流源33流过电阻元件R11的电流缓慢变化。这时，在比较结果信号呈低电平的情况下，使输出基准电压输入端子T6的电压以缓慢降低的方式变化，使第二校正用输出电压缓慢下降。反之，在比较结果信号呈高电平的情况下，使输出基准电压输入端子T6的电压以缓慢升高的方式变化，使第二校正用输出电压缓慢上升。

这里，由于比较结果信号呈低电平，所以可变电流源控制部32使第二校正用输出电压缓慢下降。在此期间，可变电流源控制部32一边参照比较结果信号，一边反复进行该动作，直至比较结果信号的电平发生变化为止。然后，如图2所示，如果在时刻t₂比较结果信号从低电平变化为高电平，则可变电流源控制部32通过保持这时的数字控制信号，来保持这时的第二校正用输出电压。即，如图2所示，在时刻t₂以后，第一校正用输出电压与第二校正用输出电压之差被保持为最小，失调校正结束。与此同时，可变电流源控制部32控制输入切换电路20，使开关电路21、22导通，使开关电路23、24关断，将第一外部输入端子T7和第二外部输入端子T8分别连接在第一输入端子T1和第二输入端子T2上，形成能将第一外部输入电压V_I1和第二外部输入电压V_I2输入到BTL放大器10中的状态。

此后，虽然图中未示出，但通过第一外部输入端子T7和第二外部输入端子T8，第一外部输入电压V_I1和第二外部输入电压V_I2被输入到BTL放大器10中，该BTL放大器10进行通常的信号放大工作。另外，可变电流源控制部32在BTL放大器10进行外部输入电压(第一外部输入电压V_I1和第二外部输入电压V_I2之差)的放大期间，也保持失调校正后的数字控制信号，使输出基准电压输入端子T6的电压保持失调校正后的值。其结果是在第一输出端子T3与第二输出端子T4之间获得不包含失调电压的输出电压。因此，能抑制由于混合了失调而对BTL放大器10的下一级电路产生的不良影响、以及无信号输入时有不希望的电流流过负载的问题等不适宜的情况的发生。

如果采用本实施例，则能由下式获得失调调整后的BTL放大器10的输出失调电压ΔV_O。

[式3]

$\mathrm{\&Delta;Vo}=\sqrt{{\left(\frac{V_{\mathrm{ran}}}{2^N}\right)}^2+{\mathrm{\&Delta;V}}_{\mathrm{oom}}^2}$

V_ran是失调调整时反相放大器12的输出电压可调整的范围的幅度，ΔV_com是比较电路31的输入失调电压，N是可变电流源控制部32的分辨率(位数)。在现有的BTL放大器中，输出失调电压与BTL放大器的增益成比例地增大，但如果采用本实施例，则如上式1所示，没有与输出失调电压的增益的依赖性。也就是说对于增益大的BTL放大器来说，本发明中的失调电压降低的效果特别大。

<实施例2>

在实施例1中，说明了在BTL放大系统中接通电源时进行失调校正的情况。可是，进行本发明的失调校正的时刻不限于电源接通时，在BTL放大器10开始进行外部输入电压的放大工作之前的任意时刻都可以。

在本实施例中，BTL放大系统从不进行信号的放大工作的等待状态(准备状态)开始，在返回到工作状态的时刻进行失调校正。作为BTL放大系统处于准备状态的情况，例如，可以考虑组装了该BTL放大系统的装置的工作模式为所谓“睡眠模式”或“低功耗模式”时。在本实施例中，作为BTL放大系统的准备状态，以上述“睡眠状态”为例进行说明。

本实施例的BTL放大系统的结构与图1相同。但是，启动管理电路34有监视电源电压，同时监视指示解除组装了该BTL放大系统的装置的睡眠模式的睡眠解除信号的功能。在启动管理电路34被接通电源且被解除了睡眠状态时，允许进行失调校正，将校正许可信号发送给可变电流源控制部32。这里，在睡眠解除信号为低电平期间，呈睡眠模式，一旦变成高电平，睡眠模式便被解除。

图3是说明本实施例的BTL放大系统的失调校正工作用的时序图。首先，在时刻t₁₀接通电源，接着如果在时刻t₁₁电源电压达到规定的电平，则启动管理电路34检测该电源接通。这里，为了说明的简单，假设组装了该BTL放大系统的装置在电源接通后变成了睡眠模式。

然后，在时刻t₁₂，睡眠解除信号呈高电平，睡眠状态被解除时，启动管理电路34允许进行失调校正，将校正许可信号发送给可变电流源控制部32。换句话说，在本实施例中，可变电流源控制部32所输出的校正许可信号是电源电压和睡眠解除信号的逻辑积。

此后，通过与图1中的时刻t₁以后同样的工作进行失调校正。该失调校正工作与在实施例1中说明的相同，所以这里的说明从略。

然后，如果在时刻t₁₃失调校正工作结束，则可变电流源控制部32控制输入切换电路20，分别将第一外部输入端子T7及第二外部输入端子T8连接在第一输入端子T1及第二输入端子T2上，形成能将第一外部输入电压V_I1、第二外部输入电压V_I2输入到BTL放大器10中的状态。

此后，通过第一外部输入端子T7和第二外部输入端子T8，第一外部输入电压V_I1及第二外部输入电压V_I2被输入到BTL放大器10中，该BTL放大器10开始进行外部输入电压(第一外部输入电压V_I1和第二外部输入电压V_I2之差)的放大工作。可变电流源控制部32在BTL放大器10进行外部输入电压的放大工作期间，保持失调校正后的数字控制信号。其结果是，与实施例1相同，在第一输出端子T3与第二输出端子T4之间，能获得不含失调电压的输出电压。

这样，在BTL放大系统从准备状态(睡眠状态)返回的时刻，由于进行失调校正，所以也能获得与实施例1同样的效果。另外，由于利用睡眠解除信号这样的已有的信号作为失调校正工作开始的触发脉冲，所以与实施例1相比，成本几乎不增加。

在本实施例中，虽然说明了将电源接通后的睡眠解除信号作为触发脉冲，进行失调校正，但成为触发脉冲的信号不限于此。如果是表示BTL放大系统从准备状态返回的信号，则也可以是例如低功耗模式的解除信号等其他信号。

如上所述，如果采用本发明的BTL放大系统，则由于进行失调校正，所以在第一输出端子与第二输出端子之间，能获得不含失调电压的输出电压。因此，能抑制由失调对BTL放大器的下一级电路产生的不良影响、以及无信号输入时有不希望的电流流过负载的问题等不适宜的情况的发生。另外，对于增益大的BTL放大器来说，其效果特别大。

Claims (5)

1、一种BTL放大系统，其特征在于，备有：

有放大第一输入端子与第二输入端子之间的电压差，并作为第一输出电压而输出的差动放大器、以及将上述第一输出电压反相后，作为第二输出电压而输出的反相放大器的BTL(Balanced TransformerLess，无平衡变压器)放大器；

能将互相相等的校正用输入电压施加在上述第一及第二输入端子上的校正用输入电压施加电路；

上述校正用输入电压被加在上述第一及第二输入端子上时，对作为上述第一输出电压及上述第二输出电压的每一输出电压的第一校正用输出电压和第二校正用输出电压进行比较的比较电路；以及

根据上述比较电路的输出信号，调整上述反相放大器的输出基准电压，以便上述第一校正用输出电压与上述第二校正用输出电压之差为最小，以此进行失调电压调整的基准电压调整电路。

2、根据权利要求1所述的BTL放大系统，其特征在于：

上述BTL放大器的上述反相放大器有输入上述输出基准电压用的基准电压输入端子，

上述基准电压调整电路备有：

连接在上述基准电压输入端子上的电阻元件；

通过使流过上述电阻元件的电流变化，来使上述基准电压输入端子上的电压变化的可变电流源；以及

控制上述可变电流源的可变电流源控制部。

3、根据权利要求2所述的BTL放大系统，其特征在于：

这样进行上述失调电压调整，即

上述可变电流源控制部控制上述可变电流源，使流过上述电阻元件的电流缓慢变化，同时保持上述比较电路的上述输出信号反相时的电流值。

4、根据权利要求1至3中的任意一项所述的BTL放大系统，其特征在于：

电源接通时，上述校正用输入电压施加电路将校正用输入电压加在上述第一及第二输入端子上，上述基准电压调整电路进行上述失调电压调整。

5、根据权利要求1至3中的任意一项所述的BTL放大系统，其特征在于：

从准备状态转移到工作状态时，上述校正用输入电压施加电路将校正用输入电压加在上述第一及第二输入端子上，上述基准电压调整电路进行上述失调调整。

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