CN1717863A - 用于校正放大设备中的信号失真的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种校正放大设备(20)中的信号失真的方法，其中利用可变频率系统时钟(18)来操作数字PWM调制器(17)。本发明还涉及一种校正放大设备(20)中的信号失真的设备。

Description

用于校正放大设备中的信号失真的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于校正放大设备中的信号失真的方法和设备，更具体地，涉及一种用于校正D类功率放大器中的驱动电路的信号失真的方法和设备。
背景技术
脉宽调制信号(PWM信号，pulse-width-modulated signal)具有其在脉宽上的信号信息，而非在幅度上的信号信息。因此，通常，将诸如继电器、开关晶体管、半导体闸流管或三端双向可控硅开关等用于对PWM信号进行放大。由此，开关设备在两个电位间交替地切换负载，通常为电源电压和参考电位(例如，地)之间，由脉冲宽度来确定导通和截止状态的持续时间。
然而，这种类型的开关不具有理想的开关特性，即，会发生由开关自身引起的差错，例如，开关延迟、上升时间和下降时间(定时差错)。此外，电源电压表示另一差错源(电源差错)，这是由于对电源电压的干扰电压对放大设备的输出信号具有直接的影响。此外，通过开关设备或放大设备自身切换的负载干扰了电源电压。
在D类功率放大器中，使脉宽调制后(PWM)的信号在其电压和/或电流电平上上升，即对其进行放大，以便产生用于直接或预滤波地驱动具有低阻抗的负载的信号，所述负载例如为音频设备中的扬声器。尽管能够以非常高的质量、数字地产生了输入PWM信号，但是，由于涉及到失真和/或信号噪声比值，输出级在这一点上具有限制。既不能够产生理想数字开关驱动级，也不能够为驱动级提供电源电压，而在输出电压中没有失真。
实际上，这表示需要一种校正电路来校正由功率级所引起的差错。
在WO 98/44626中，给出了对一种反馈方法的描述，其中在时间上直接且连续地适配PWM信号的脉宽，由此，降低了驱动级的差错。由此，受控变量直接控制校正单元，在校正单元中，作为线性函数来改变脉宽。这里，不容许出现以下情况：受控变量对输出信号的影响取决于此时的PWM信号的脉宽，即，针对小脉宽的恒定定时校正引起了比针对较大脉宽的情况更大的影响。实际上，这表示：除了实际要校正的差错之外，控制器必须持续地将脉宽重调为较精确。反过来，这样的恒定重调可以引起干扰信号，结果，需要尽可能减小和避免它。
S.Logan M.O.J Hawksford在“高级A-D和D-A压缩技术的会议的会议”的文献No.393“Linearization of Class D Output Stages forHigh Performance Audio Power Amplifiers”中和其在1994年7月6日到8日的申请中，给出了以下方法的描述，其中能够以具有离散分支(tap)的延迟线对脉宽进行重调。在这种情况下，控制自身还通过反馈环来发生。然而，与WO 98/44626相比的主要不同在于：在WO 98/44626中，连续地设置脉宽，而在所述会议文章中，以离散级来设置脉宽。
WO 00/46919描述了一种方法，其中数字地校正放大桥的差错，即，在实际PWM调制器之前。该方法的缺点在于受限的精确度，即，最小重调级由PWM调制器的分辨率来确定。此外，缺点在于：需要A-D转换器来数字化该差错。
在WO 99/45641中，描述了以下方法：将输出级的输入信号和输出信号之间的脉宽差值用作受控变量来进行校正。该方法的缺点归因于以下情况：按照这种方式，仅能够拾取驱动电路的定时差错。根据本公开，通过改变三角形参考信号的幅度，发生对脉宽的控制。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种用于校正放大设备中的信号失真的方法和设备，通过该方法和设备，通过反馈控制电路来减小在驱动电路中可能会出现的所有前述差错。
通过根据权利要求1所述的校正放大设备中的信号失真的方法、以及根据权利要求16所示的校正放大设备中的信号失真的设备来实现本发明的目的。
本质上，本发明的思想基于：通过控制数字PWM调制器的系统时钟频率来提供脉宽相关校正信号。利用该校正信号，可以按照减小其脉宽相关性的方式来控制干扰对电源的脉宽相关影响。附加的加性校正信号允许完全消除脉宽相关性。
可选地，倍增校正也是可能的，例如，通过第二PWM调制器。理论上，还可以考虑对电源的信号关联干扰的补偿。这能够实现脉宽无关控制电路，以便校正对电源的干扰。即，与现有技术相比，控制电路仅必须校正在驱动电路和电源中实际出现的差错。因此，与先前的方案相比，可以减小差错补偿所需的动态要求，或者增加校正范围。所有这些特定对可实现的音频质量和电源节省具有积极影响。
在本发明中，特别地，通过提供一种校正放大设备中的信号失真的方法来解决在开始所提到的问题，所述方法具有以下步骤：在第一脉宽调制器中，根据脉宽调制数据产生数字脉宽调制参考信号，利用预定系统时钟对其进行控制，并且以预定PWM脉冲速率对其进行触发；在第二脉宽调制器中，根据脉宽调制数据产生数字脉宽调制信号，利用可变频率系统时钟对其进行控制，并且以预定PWM脉冲速率对其进行触发；在放大设备中，放大数字PWM信号；根据数字PWM参考信号和放大数字PWM信号来确定放大偏差；在控制设备中，根据放大偏差来产生受控变量；将受控变量馈送到可变频率设备的控制输入；以及在可变频率设备中，产生可变频率系统时钟。
在从属权利要求中可以找到本发明的各个主题的优选变化和改进。
根据优选实施例，在数字电路中，根据数字信号产生所述脉宽调制数据。
根据另一优选改进，在数字电路中，根据数字信号来产生所述PWM数据，所述数字信号优选地为PCM调制后的数字音频信号，按照这样的方式，利用预定PWM脉冲速率的每一个时钟，计算PWM信息的量化项，即量化形式的高电平脉冲长度和低电平脉冲长度。
根据另一优选改进，所述可变频率设备是VCO或CCO(电压控制振荡器或电流控制振荡器)，优选地，将其与预定PWM脉冲速率同步。
根据另一优选改进，所述数字PWM参考信号和/或放大数字PWM信号在确定放大偏差之前，通过滤波设备。
根据另一优选改进，利用H桥电路和/或作为D类放大器来设计放大设备。
根据另一优选改进，按照受控变量设置可变频率设备的频率的方式来设计控制设备，从而使数字PWM参考信号和放大数字PWM信号之间的差值变为最小。
根据另一优选改进，将所述放大数字PWM信号馈送到声音换能器，优选地，通过滤波设备，尤其是低通滤波器。
根据另一优选改进，使用优选地经过另一滤波设备滤波后的扬声器信号，以便根据数字PWM参考信号和放大数字PWM信号来确定放大偏差。
根据另一优选改进，在相位检测器中，将可变频率系统时钟与预定系统时钟进行比较，以便确定相位差，在滤波设备中对所述相位差进行滤波，然后添加到受控变量上。
根据另一优选改进，在相位检测器中，将可变频率系统时钟与预定系统时钟进行比较，以便确定相位差，将所述相位差添加到受控变量，并在附加滤波设备中对其进行滤波，以便将其施加到可变频率设备的控制输入。
根据另一优选改进，通过调制输入，馈送可变频率设备的相位差，所述可变频率设备优选为VCO。
根据另一优选改进，数字PWM调制器的可变频率系统时钟的频率在离散时间上变化。
根据另一优选改进，数字PWM调制器的可变频率系统时钟的频率在时间上连续地变化。
在PWM调制中，使用各种类型的调制。可以使用单沿调制(后沿、前沿)和双沿调制(双沿、差分双沿)，使本发明能够将其应用于所有这些类型的调制。
还能够以反相器的形式的单端设备、以及作为桥的差分形式(即，已知为H桥)来实现驱动电路或放大设备自身。
附图说明
在以下描述中更详细地说明了本发明的典型实施例中，并且在附图中示出了这些实施例，其中：
图1示出了用于说明本发明的第一实施例的控制电路的示意方框图；
图2示出了用于说明本发明的第二实施例的控制电路的示意方框图；
在附图中，相同的参考符号表示相同或功能相同的组件部分。
参考符号列表
10 信号，最好为数字音频信号，例如PCM
11 信号处理设备，例如数字电路
12 PWM数据，即PWM信息
13 PWM脉冲速率，例如频率为288kHz
14 预定西忒他时钟，例如频率为88.128MHz
15 PWM调制器
16 参考信号
17 PWM调制器
18 可变频率系统时钟
19 数字PWM信号
20 放大设备
21 电源电压
22 参考电位，例如，地
23 放大数字PWM信号
24 滤波设备，例如传递函数G0(f)
25 求和设备
26 滤波设备，例如传递函数Gr(f)
27 放大偏差
28 控制设备，例如传递函数Gc(f)
29 受控变量
29’修改后的受控变量
30 可变频率设备，例如VCO
31 滤波设备，例如低通滤波器
32 声音换能器，特别地扬声器
33 扬声器信号
34 相位检测器
35 环路滤波器，具有传递函数F(S)
36 相位差
37 环路滤波信号
具体实施方式
在根据图1的示意方框图中，在信号处理设备11中将信号10(优选地为数字音频信号)转换为PWM数据或PWM信息，即，量化形式的高电平脉冲长度和低电平脉冲长度。优选地，信号处理设备11是数字电路，并且根据最好PCM编码后的数字音频信号10来计算PWM数据12。优选地，PWM数据12具有以下属性：按照利用PWM脉冲速率13的每一时钟来计算脉宽信息的量化项的方式来对其进行计算。在根据图1的当前典型实施例中，例如PWM脉冲速率13是288KHz，并且预定系统时钟14具有88.128MHz的频率。
第一PWM调制器15根据PWM数据12来产生数字PWM参考信号16，利用恒定的预定系统时钟14来控制该PWM调制器15。优选地，通过石英振荡器或具有经典PLL(锁相环)(未示出)的石英振荡器来产生恒定的预定系统时钟14。PWM脉冲速率13用于触发PWM调制器15。可以在PWM调制器15中使用各种类型的调制以产生数字PWM参考信号16。在后沿调制的情况下，例如，所述PWM调制器15包括简单转换器，在脉冲周期(PRR)的开始处预加载有PWM数据12，然后，利用预定系统时钟14来倒计数，直到达到计数器读取了零为止。然后，数字PWM参考信号16为计数器不等于零。由PWM脉冲速率13和预定系统时钟14来预先指定可能的脉宽级的数量，并且在该示例中，该数量为88128/288＝306级。必须保留这些306个级的一些用于脉宽控制，从而仅必须对256个级进行数字有效地计算(例如，在25到281的范围内)。
优选地，按照与第一PWM调制器15相同的方式来实质上构造第二PWM调制器17，但是利用可变频率系统时钟18来控制所述第二PWM调制器17，并且根据PWM数据12来产生数字PWM信号19。此外，如同第一PWM调制器15的情况，在第二PWM调制器17的情况下，可以设置PWM调制方法，并且例如，设置到后沿。还将第二PWM调制器17与PWM脉冲速率13同步。然后，在放大设备20中放大数字脉宽调制信号19，所述放大设备20与电源电压21和参考电压22相连，例如，地。优选地，将放大设备20或功率级配置为H桥。
然后，优选地，在第一滤波设备24中对放大后的数字PWM信号23进行滤波，并且按照与参考信号16相同的方式，馈送到求和设备25或求和节点，优选地，同样，在第二滤波设备26中进行滤波。在这种情况下，第一滤波设备24具有传递函数G0(f)，并且第二滤波设备26具有传递函数Gr(f)。在求和设备25中，优选地，执行减法，从最好滤波后的数字PWM参考信号16中减去最好滤波后的放大数字PWM信号23。结果，在求和设备25中，确定了放大器偏差27或放大差错，并且将此转换为控制设备28中的受控变量29，例如，利用传递函数Gc(f)。然后，将该受控变量29馈送到可变频率设备30，例如VCO(电压控制振荡器)或CCD(电流控制振荡器)，馈送到其控制输入。在可变频率设备30中，例如VCO中，然后，产生可变频率系统时钟18。结果，利用受控时钟18来操作第二PWM调制器17。
为了在直到可变频率设备30的时钟周期内避免PWM脉冲的抖动，优选地，可变频率设备30还可以与PWM脉冲速率同步。这确保了PWM脉冲的起始诸如以上升时钟沿开始。按照受控变量29设置可变频率设备30的频率的方式，根据传递函数Gc(f)来设计控制器28，从而使数字PWM参考信号16和放大设备20的输出信号23之间的差值变为最小。
可以将功率级20的输出信号23直接地或通过第三滤波设备32馈送到扬声器32，所述滤波设备31为诸如无源低通滤波器。可选地或附加地，可以在另一滤波设备26中对扬声器信号33进行滤波，并且在求和设备25处进行负耦合，结果，将其包括在控制环中。
在图2中，示出了示意方框图来说明本发明的第二实施例，其与根据图1的实施例的不同特别在于：将可变频率设备30，特别是VCO包括在具有相位检测器34和环路滤波设备35(环路滤波器)的PLL(锁相环)中。在根据图2的实施例中，将可变频率系统时钟18馈送到相位检测器34，在相位检测器34中，将可变频率系统时钟18与恒定的预定系统时钟14进行比较，以便检测相位差36。然后，将检测到的相位差36馈送到环路滤波器35，以便将其添加到受控变量29以产生修改后的受控变量29’。
为了独立于制造容差和温度影响，并同时确保对小频率变化的高灵敏度，适当地，使用根据图2所示的这样的PLL结构，而非根据图1所示的纯VCO结构。同样，PLL的参考频率是恒定的预定系统时钟14，结果，当控制未激活时，利用该参考信号14来驱动功率级或放大单元20。将受控变量29添加到环路滤波器35的末端处的环路滤波信号37上，或可选地，还将其添加到环路滤波设备35(未示出)之前的相位差36上。此外，存在作为替代，使用具有额外调制输入的VCO的可能性。在较长的时期内，当然，PLL电路尝试对该频率变化进行补偿。这样的校正处理的动态特性和时间常数由环路滤波器35的传递函数F(s)来确定，并且能够用来进行控制器28的设计。
尽管以上已经根据数字D类放大器对本发明进行描述，但是还可以将其转移到任何所需的模拟放大器。例如，如果要放大的信号(19)处于模拟形式，则对模拟D类放大器进行参考。本发明还可以用于这样类型的放大器的情况。然而，在纯数字放大器的情况下，即，如果未由D-A转换器将数字形式的信号转换为模拟信号，本发明的效果尤为有利。

Claims (16)

1、一种校正放大设备(20)中的信号失真的方法，其中利用可变频率系统时钟(18)来操作数字PWM调制器(17)。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于执行以下步骤：
在第一PWM调制器(15)中，根据PWM数据(12)产生数字PWM参考信号(16)，利用预定系统时钟(14)对其进行控制，并且以预定PWM脉冲速率(13)对其进行触发；
在第二脉宽调制器(17)中，根据PWM数据(12)产生数字PWM信号(19)，利用可变频率系统时钟(18)对其进行控制，并且以预定PWM脉冲速率(13)对其进行触发；
在放大设备(20)中，放大数字PWM信号(19)；
在求和设备(25)，根据数字PWM参考信号(16)和放大数字PWM信号(23)来确定放大偏差(27)；
在控制设备(28)中，根据放大偏差(27)来产生受控变量(29)；
将受控变量(29)馈送到可变频率设备(30)的控制输入；以及
在可变频率设备(30)中，产生可变频率系统时钟(18)。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于在数字电路(11)中，根据数字信号(10)产生所述PWM数据(12)。
4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于在数字电路(11)中，根据数字信号(10)来产生所述PWM数据(12)，所述数字信号(10)优选地为PCM调制后的数字音频信号，按照这样的方式，利用预定PWM脉冲速率(13)的每一个时钟，计算PWM信息的量化项。
5、根据权利要求2到4所述的任一个方法，其特征在于所述可变频率设备(30)是VCO或CCO，优选地，将其与预定PWM脉冲速率(13)同步。
6、根据权利要求2到5所述的任一个方法，其特征在于所述数字PWM参考信号(16)和/或放大数字PWM信号(23)在确定放大偏差(27)之前，通过滤波设备(24，26)。
7、根据前述权利要求所述的任一个方法，其特征在于利用H桥电路和/或作为D类放大器来设计放大设备(20)。
8、根据权利要求2到7所述的任一个方法，其特征在于按照受控变量(29)设置可变频率设备(30)的频率的方式来设计控制设备(28)，从而使数字PWM参考信号(16)和放大数字PWM信号(23)之间的差值变为最小。
9、根据权利要求2到8所述的任一个方法，其特征在于将所述放大数字PWM信号(23)馈送到声音换能器(32)，优选地，通过滤波设备(31)，尤其是低通滤波器。
10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于使用优选地经过另一滤波设备(26)滤波后的扬声器信号(33)，以便根据数字PWM参考信号(16)和放大数字PWM信号(23)来确定放大偏差(27)。
11、根据权利要求2到9所述的任一个方法，其特征在于在相位检测器(34)中，将可变频率系统时钟(18)与预定系统时钟(14)进行比较，以便确定相位差(36)，在滤波设备(35)中对所述相位差进行滤波，然后添加到受控变量(29)上。
12、根据权利要求2到9所述的任一个方法，其特征在于在相位检测器(34)中，将可变频率系统时钟(18)与预定系统时钟(14)进行比较，以便确定相位差(36)，将所述相位差添加到受控变量(29)，并在附加滤波设备(35)中对其进行滤波，以便将其施加到可变频率设备(30)的控制输入。
13、根据权利要求11所述的方法，其特征在于：通过调制输入，馈送可变频率设备(30)的相位差(36)，所述可变频率设备(30)优选为VCO。
14、根据前述权利要求所述的任一个方法，其特征在于数字PWM调制器(17)的可变频率系统时钟(18)的频率在时间上连续地变化。
15、根据前述权利要求所述的任一个方法，其特征在于数字PWM调制器(17)的可变频率系统时钟(18)的频率在离散时间上变化。
16、一种用于校正放大设备(20)中的信号失真的设备，具有：
第一脉宽调制器(15)，用于根据PWM数据(12)产生数字PWM参考信号(16)，利用预定系统时钟(14)对所述调制器进行控制，并且以预定PWM脉冲速率(13)对其进行触发；
第二脉宽调制器(17)，用于根据PWM数据(12)产生数字PWM信号(19)，利用可变频率系统时钟(18)对所述调制器进行控制，并且以预定PWM脉冲速率(13)对其进行触发；
放大设备(20)，用于放大数字PWM信号(19)；
设备(25)，用于根据数字PWM参考信号(16)和放大数字PWM信号(23)来确定放大偏差(27)；
控制设备(28)，根据放大偏差(27)来产生受控变量(29)；以及
可变频率设备(30)，用于根据受控变量(29)产生可变频率系统时钟(18)。
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