CN1614882A - 丁类放大器 - Google Patents

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Abstract

一种丁类放大器，其接收输入信号，该丁类放大器包括斜坡发生器，该斜坡发生器产生斜坡信号和反向斜坡信号；信号发生器，当所述斜坡信号从弱于所述输入信号转变为强于所述输入信号时和当所述反向斜坡信号从弱于所述输入信号转变为强于所述输入信号时，所述信号发生器产生第一信号。

Description

丁类放大器
技术领域
本发明涉及丁类放大器，更具体的是涉及改进的丁类放大器。
背景技术
放大器被典型地用来放大信号，这些信号输出到诸如耳机、扩音器和/或其他音频设备的音频扬声器。在有线或者非便携式应用中，一般使用诸如甲类、乙类和甲乙类放大器等线性放大器。线性放大器包括线性输出级(linear output stage)，在获取和输出流入负载的电流时，该线性输出级会引起相对高的偏流(bias current)。因此，这些线性放大器消耗的功率较高。因为购买便携音频设备的消费者希望有更长的电池寿命，所以线性放大器不适合用在便携式音频应用中。
丁类放大器具有非线性输出级(nonlinear output stage)，该输出级不需要在线性放大器中所使用的偏流。然而，获得输出级效率的提高以噪声和/或失真的增加为代价。在功率消耗以及失真和/或噪声之间进行权衡在便携音频设备应用中一般是可以接受的。
现在参照图1和图2，所示示例性的丁类放大器包括锯齿波发生器14。从图2可以看到，锯齿信号Vsaw包括正斜率部分(positive slopedportion)，它从最小值增长到最大值，其后以几乎为无限的负斜率(negative slope)返回到最小值。锯齿信号Vsaw被输入到比较器18的反向输入。诸如音频信号的输入信号VIN被输入到比较器18的非反向输入。
比较器18的输出被输入到作为开关的第一和第二晶体管20和22。在这个例子中，所述第一晶体管20是PMOS晶体管，而所述第二晶体管22是NMOS晶体管。比较器18的输出同样被反向器24反向，并被输入到同样作为开关的第三和第四晶体管26和28。在本例中，该第三晶体管26是PMOS晶体管，而所述第四晶体管28是NMOS晶体管。
现在参照图2，所述锯齿信号Vsaw与所述输入信号VIN相比较。当所述输入信号VIN比所述锯齿信号Vsaw强时，输出为高。当所述输入信号VIN比所述锯齿信号Vsaw弱时，输出为低。另一种情况是，当所述输入信号VIN比所述锯齿信号Vsaw强时，输出为低。当所述输入信号VIN比所述锯齿信号Vsaw弱时，输出为高。晶体管20、22、26和28被接通和切断以驱动电流通过图1所示的负载40。
发明内容
接收输入信号的丁类放大器，包括，产生斜坡信号(ramp signal)和反向斜坡信号的斜坡发生器；信号发生器，当所述斜坡信号从弱于所述输入信号转变为强于所述输入信号时和当所述反向斜坡信号从弱于所述输入信号转变为强于所述输入信号时，所述信号发生器产生第一信号。
在其它特征方面，当所述斜坡信号从强于所述输入信号转变为弱于所述输入信号时和当所述反向斜坡信号从强于所述输入信号转变为弱于所述输入信号时，所述信号发生器产生第二信号。所述信号发生器包括边缘检测器(edge detector)；所述信号发生器还包括相位检测器(phase detector)。所述边缘检测器包括将所述斜坡信号与所述输入信号进行比较的第一比较器和将所述反向斜坡信号与所述输入信号进行比较的第二比较器。
在其它特征方面，当在所述第一和第二比较器的输出中出现上升边(rising edge)时，所述边缘检测器产生第一脉冲；当在所述第一和第二比较器的输出中出现下降边(falling edge)时，所述边缘检测器产生第二脉冲。所述边缘检测器包括第一单触发电路(one shot)，该第一单触发电路接收所述第一比较器的输出，且当上升边出现时，产生所述第一脉冲；第二单触发电路接收所述第一比较器的输出，且当下降边出现时，产生所述第二脉冲；第三单触发电路接收所述第二比较器的输出，且当上升边出现时，产生所述第一脉冲；第四单触发电路接收所述第二比较器的输出，且当下降边出现时，产生所述第二脉冲。
在其它特征方面，所述斜坡信号的频率约比所述输入信号的频率高近两个数量级；所述斜坡信号的正斜率近似等于所述斜坡信号的负斜率，并且其中所述反向斜坡信号的正斜率近似等于所述反向斜坡信号的负斜率。输出级从所述信号发生器接收所述第一和第二信号，并基于所述第一和第二信号有选择地驱动输出电流；所述输出级包括单端激励级(drive stage)或平衡H电桥(balanced H-bridge)。
一种系统，包括所述丁类放大器，并进一步包括接收输出电流的负载；所述负载包括音频扬声器。所述丁类放大器还包括被安置在所述输出级和所述负载间的低通滤波器。
一种用于操作接收输入信号的丁类放大器的方法，包括，产生斜坡信号和反向斜坡信号；当所述斜坡信号从弱于所述输入信号转变为强于所述输入信号时，产生第一信号；当所述反向斜坡信号从弱于所述输入信号转变为强于所述输入信号时，产生所述第一信号。
在其它特征方面，当所述斜坡信号从强于所述输入信号转变为弱于所述输入信号时，产生第二信号；当所述反向斜坡信号从强于所述输入信号转变为弱于所述输入信号时，产生所述第二信号；基于所述第一和第二信号来选择性地驱动输出电流；所述斜坡信号的频率约比所述输入信号的频率高两个数量级，而其中所述斜坡信号的正斜率近似等于所述斜坡信号的负斜率，所述输出电流是低通滤波的。
本发明的进一步可应用领域将由下面所提供的详细说明而变得明显。应当认识到，详细的描述和具体示例，虽然表明了本发明的优选实施例，但仅用于说明目的，而非用来限制本发明的范围。
附图说明
从详细描述和附图中，可以更充分地理解本发明，其中：
图1是根据现有技术的丁类放大器的电路示意图；
图2是说明根据现有技术的锯齿信号Vsaw和输入信号VIN的波形图；
图3是根据本发明的丁类放大器的功能方框图；
图4是图3的丁类放大器的一个示例性实施例的电路示意图；
图5是根据本发明的斜坡信号VRAMP和输入信号VIN的波形图；
图6显示根据本发明的丁类放大器的示例性输出级；
图7显示根据本发明的丁类放大器的单端输出级；
图8显示根据本发明的丁类放大器的平衡H电桥输出级；
图9显示根据本发明的丁类放大器的替代的平衡H电桥输出级；
图10显示丁类放大器和负载的低通滤波器。
具体实施方式
下面对优选实施例的描述实质上纯粹是示例性的，并非试图来限制本发明、其应用或者用途。为清楚起见，附图中相同附图标记表示现同的要素。
现在参照图3，它显示根据本发明的丁类放大器100。该丁类放大器100包括斜坡发生器110，该斜坡发生器产生斜坡信号(VRAMP)和反向斜坡信号(V RAMP )。这里所用的术语斜坡信号和反向斜坡信号是指具有交替的正负斜率的信号，所述斜率基本上是相等的。所述斜坡信号VRAMP被输出到信号发生器111，该信号发生器111为输出级118产生UP和DOWN信号。所述输出级118基于所述UP和DOWN信号来驱动电流通过负载。所述信号发生器111包括边缘检测器114和相位检测器116。所述斜坡信号VRAMP、所述反向斜坡信号V RAMP 和所述输入信号VIN被输出到所述边缘检测电路114。
当所述斜坡和反向斜坡信号的上升边和下降边分别高于和低于所述输入信号时，所述边缘检测电路114输出第一和第二脉冲。换句话说，当VRAMP从比VIN小的值转变成比VIN大的值和当VRAMP从比VIN大的值转变成比VIN小的值时，所述边缘检测电路114分别输出第一脉冲和第二脉冲。当V RAMP 从比VIN小的值转变成比VIN大的值和当V RAMP 从比VIN大的值转变成比VIN小的值时，所述边缘检测电路114同样分别输出所述第一脉冲和所述第二脉冲。
所述边缘检测电路114的输出被输入到相位检测器116。当接收到所述第一脉冲时，所述相位检测器116发送UP信号，直到接收到所述第二脉冲为止。当接收到所述第二脉冲时，所述相位检测器116发送DOWN信号，直到接收到所述第一脉冲为止。所述相位检测器116的输出被发送给输出级118，该输出级118基于所述UP和DOWN信号来驱动电流通过负载。
现在参照图4，它显示了所述丁类放大器的一个示例性实施例。所述边缘检测电路114包括比较器119-1和119-2以及单触发电路120-1、120-3、120-2和120-4。所述斜坡信号VRAMP被输出到第一比较器119-1的非反向输入。所述反向斜坡信号V RAMP 被输出到第二比较器119-2的非反向输入。所述输入信号VIN被输入到比较器119-1和119-2的反向输入。
所述比较器119-1和119-2的输出被输入到单触发电路120。在一个实施例中，当在输入中检测到正边缘时，单触发电路120-1和120-2产生输出脉冲。当在输入中检测到负边缘时，单触发电路120-3和120-4产生输出脉冲
所述单触发电路120-1和120-2的输出被输入到“或”门130。所述单触发电路120-3和120-4的输出被输入到“或”门132。“或”门130和132的输出被输入到相位检测器116。该相位检测器116以类似现代的锁相回路(PLL)中的相位检测器的方式运作。当在现代的锁相回路中没有相位错误时，产生一很小的起伏脉冲电流。然而，在丁类放大器中，采用的是电压脉冲而非电流脉冲。
在一个实施例中，相位检测器116包括与“或”门130的输出通信的触发器(flip-flop)142和与“或”门132的输出通信的触发器144。触发器142和144的D输入被连接到偏置电压Vdd。触发器142的Q输出提供第一或者UP信号。触发器144的Q输出提供第二或者DOWN信号。所述UP信号和所述DOWN信号经由“与”门150和延迟152被反馈回触发器142和144的复位(R)输入。所述UP信号和所述DOWN信号还传送给输出级118，如下面将描述的。所述斜坡信号优选具有比输入频率高2个数量级的频率(例如，20kHz和1～2MHz)。
现在参照图5，它显示了所述斜坡信号VRAMP、所述反向斜坡信号V RAMP ，和输入信号VIN。UP信号在所述斜坡信号VRAMP或者所述反向斜坡信号V RAMP 穿越所述输入信号VIN的上升边处被触发(initiate)。所述DOWN信号在所述斜坡信号VRAMP或者所述反向斜坡信号V RAMP 穿越所述输入信号VIN的下降边处被启动。
现在参照图6，一个示例性输出级118包括放大器180，该放大器180在所述UP信号具有第一状态时接通，而在UP信号具有第二状态时断开。放大器182在所述DOWN信号具有第一状态时接通，而在DOWN信号具有第二状态时断开。
现在参照图7，一个替换的输出级118被配置为一个单端驱动级。所述输出级118包括具有反向输入的“与”门190，该“与”门190连接到UP信号和延迟的DOWN信号。所述UP信号控制第一开关194。所述“与”门190的输出控制第二开关196。所述第一开关194选择性地将VDD连接到节点200。所述第二开关196选择性地将所述节点200连接到地。所述延迟的DOWN信号控制第三开关198，该第三开关选择性地将所述节点200连接到负的VEE。负载184被连接在所述节点200与地之间。
在一个优选实施例中，所述DOWN信号至少被延迟了所述相位检测器116的最小脉冲宽度，以避免所述开关194和198之间的冲突。在一个优选实施例中，所述延迟优选至少是上述最小延迟的两倍。所述开关196仅当所述UP和所述延迟的DOWN信号不活动(inactive)时接通。在PLL应用中，所述DOWN信号不需要被延迟，因为使用的是电流。因此UP和DOWN信号能够同时发生。在使用电压信号时，所述DOWN信号优选被延迟以避免同时接通顶部和底部晶体管的急剧短路效应(crowbar short-circuit effect)。
现在参照图8，一个替换的输出级118被配置为一个平衡H电桥装置的实施例。UP信号控制第一和第二开关210和212，并被输入到具有反向输入的“与”门214。该延迟的DOWN信号控制开关218和222，并被输入到具有反向输入的“与”门214。“与”门214的输出控制开关230和232，所述开关230和232与负载184并联。所述开关210和222被分别连接在VDD与节点234和236之间。所述开关218和212被分别连接在节点234和236与地之间。
现在参照图9，它显示了一个类似于图8中的输出级的替换输出级118。图9中的输出级包括附加的开关250，该开关250由所述“与”门214的输出控制。所述开关250与负载184并联。
值得重视的是，图8和图9所示的所述输出级118的共模输出(output common mode)并不到处移动，而是集中在正负电源之间。
现在参照图10，到负载184的信号可以用一个或者多个低通滤波电路300进行滤波。所述低通滤波电路300可以包括一个或者多个电感器和/或电容器，这些电感器和电容器去除了高频整流部分(highfrequency switching component)。例如，该滤波器可以包括串联电感器和并联电容器。如果负载是例如扬声器负载这样的电感性负载，可选的滤波器300可以不需要。该电感性负载结构上类似于低通滤波器。
所属技术领域的技术人员现在可以从前面的描述认识到，本发明的宽泛思想可以以多种形式实施。因此，虽然通过特定示例来说明本发明，但本发明的真正范围不应被限制于此，因为对于所属技术本领域的技术人员来说，通过研究附图、说明书和权利要求书，其它的修改将是显而易见的。

Claims (20)

1.一种丁类放大器，其接收输入信号，其特征在于，所述丁类放大器包括：
斜坡发生器，其产生斜坡信号和反向斜坡信号；和
信号发生器，当所述斜坡信号从弱于所述输入信号转变为强于所述输入信号时和当所述反向斜坡信号从弱于所述输入信号转变为强于所述输入信号时，所述信号发生器产生第一信号。
2.根据权利要求1所述的丁类放大器，其中当所述斜坡信号从强于所述输入信号转变为弱于所述输入信号时和当所述反向斜坡信号从强于所述输入信号转变为弱于所述输入信号时，所述信号发生器产生第二信号。
3.根据权利要求1所述的丁类放大器，其中所述信号发生器包括边缘检测器。
4.根据权利要求3所述的丁类放大器，其中所述信号发生器还包括相位检测器。
5.根据权利要求3所述的丁类放大器，其中所述边缘检测器包括：
第一比较器，其将所述斜坡信号与所述输入信号进行比较；和
第二比较器，其将所述反向斜坡信号与所述输入信号进行比较。
6.根据权利要求5所述的丁类放大器，其中所述边缘检测器当在所述第一和第二比较器的输出中出现上升边时，产生第一脉冲，和当在所述第一和第二比较器的所述输出中出现下降边时，产生第二脉冲。
7.根据权利要求6所述的丁类放大器，其中所述边缘检测器包括：
第一单触发电路，其接收所述第一比较器的输出并当出现上升边时，产生所述第一脉冲；
第二单触发电路，其接收所述第一比较器的输出并当出现下降边时，产生所述第二脉冲；
第三单触发电路，其接收所述第二比较器的输出并当出现上升边时，产生所述第一脉冲；
第四单触发电路，其接收所述第二比较器的输出并当出现下降边时，产生所述第二脉冲。
8.根据权利要求1所述的丁类放大器，其中所述斜坡信号的频率比所述输入信号的频率高近两个数量级。
9.根据权利要求1所述的丁类放大器，其中所述斜坡信号的正斜率约等于所述斜坡信号的负斜率，并且其中所述反向斜坡信号的正斜率约等于所述反向斜坡信号的负斜率。
10.根据权利要求1所述的丁类放大器，还包括，输出级，所述输出级从所述信号发生器接收所述第一和第二信号，并基于所述第一和第二信号选择性地驱动输出电流。
11.根据权利要求10所述的丁类放大器，其中所述输出级包括单端驱动级。
12.根据权利要求10所述的丁类放大器，其中所述输出级包括平衡H电桥。
13.一种系统，包括权利要求10的丁类放大器，其进一步包括接收所述输出电流的负载。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述负载包括音频扬声器。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述丁类放大器还包括被置于所述输出级和所述负载之间的低通滤波器。
16.一种操作丁类放大器的方法，该丁类放大器接收输入信号，该方法包括：
产生斜坡信号；
产生反向斜坡信号；
当所述斜坡信号从弱于所述输入信号转变为强于所述输入信号时，产生第一信号；和
当所述反向斜坡信号从弱于所述输入信号转变为强于所述输入信号时，产生第一信号。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
当所述斜坡信号从强于所述输入信号转变为弱于所述输入信号时，产生第二信号；和
当所述反向斜坡信号从强于所述输入信号转变为弱于所述输入信号时，产生所述第二信号。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括，基于所述第一和第二信号，有选择地驱动输出电流。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述斜坡信号的频率比所述输入信号的频率高近两个数量级，而其中所述斜坡信号的正斜率约等于所述斜坡信号的负斜率。
20.根据权利要求18所述的方法，进一步包括对所述输出电流进行低通滤波。
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