CN1866728A - 数字放大器、脉冲宽度调制器以及减小其突发噪声的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在数字放大器中使用的脉冲宽度调制器，包括突发噪声减小器，用于通过控制PWM宽度调制器输出的PWM信号的脉冲宽度和相位来减小突发噪声，其中突发噪声减小器包括：用于存储PWM信号的脉冲宽度和相位值的PWM脉冲寄存器；用于根据存储在PWM脉冲寄存器中的值来输出PWM信号的PWM信号脉冲发生器。脉冲宽度调制器减小当启动和中断时到数字放大器的供电时产生的突发噪声。

Description

数字放大器、脉冲宽度调制器以及减小其突发噪声的方法
技术领域
本发明涉及一种消除来自音频电器的噪声的方法，尤其是涉及一种减小与数字放大器相连的扬声器中的突发噪声(pop noise)的方法。
背景技术
图1是常规放大器的方框图，图2是示出了典型脉冲宽度调制(PWM)调制器的输出波形的图。
作为以数字方式放大音频信号的设备的数字放大器包括：PWM调制器100和放大PWM信号的PWM放大器200。在数字放大器中，音频信号被PWM调制器100转换为作为一种数字信号的PWM信号，并且该PWM信号被PWM放大器200放大。然后，将放大的信号通过低通滤波器300，以便将放大的信号转换回初始的模拟信号。
在一般的D类放大器中，将数字方式采样的脉冲编码调制(PCM)音频信号输入到PWM调制器100中。然后，由PWM调制器100调制的PWM信号在PWM放大器200中被放大，通过低通滤波器300，然后以模拟信号形式输入到扬声器400。
数字PCM信号被转换为PWM信号的原因是PWM信号有恒定大小(或者高度)，并将原始信号信息存储在图2所示的采样宽度内，而以预定的时间间隔采样PCM信号，每个采样以其采样尺寸包含原始信号信息。因为PWM信号有恒定高度(大小)，可以定义两种状态0/1或者ON/OFF，并且可以更容易地执行放大并通过利用FET开关达到高输出。放大PWM信号的原因是因为来自PWM调制器100的信号本身的输出功率太小，不足以直接操作扬声器。
PWM放大器200一般包括栅极驱动器和开关元件。作为一种开关元件，通常使用适用于大电流的高速切换的金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)，其中包括“N沟道型”晶体管和“P沟道型”晶体管。
此外，可根据电流类型将PWM放大器200划分为“半桥型”放大器和“全桥型”放大器。在“半桥型”放大器中，两个场效应晶体管(FET)垂直堆叠(stack)，将上部FET和下部FET之间的连接点通过低通滤波器300连接到扬声器400。“全桥型”放大器采用包括连接在两个半桥输出端口之间的负载的电路。
因此，可以将PWM放大器200划分为仅使用N沟道MOSFET的“NN半桥型”放大器和“NN全桥型”放大器以及同时使用P沟道MOSFET和N沟道MOSFET的“PN半桥型”放大器和“PN全桥型”放大器。
当将放大的PWM信号突然施加到扬声器，会产生突发噪声。突发噪声指由于当音频设备开启或者关闭时电压突然改变产生的噪声，可能使用户感觉不舒服。如图2所示，因为PWM信号采用脉冲宽度调制，在最初施加PWM信号时电压的突然增大是不可避免的。这种电压突变导致电流到扬声器400的突然导入。因此，在利用PWM调制器100的D类放大器中，减小当施加功率时产生的突发噪声是一项重要技术。
为了消除这种突发噪声，已经存在一种方法：在将操作功率施加到PWM放大器的晶体管之前提供PWM信号，即使在停止向PWM放大器的晶体管提供电源之后，也在一段预定的时间内继续提供PWM信号。韩国待审专利公开NO.2004-0098925详细地公开了这种常规方法。
根据另一种消除突发噪声的常规方法，可以使用例如继电器的开关。在这种方法中，继电器是允许PWM信号仅在供给PWM信号的时间之后的一段时间后被传输到扬声器的机械开关。但是，继电器不可避免地增加了配备继电的产品的价格。因此，低价音频放大器不可能采用继电器。
发明内容
据此，本发明是为了解决在现有技术中产生的上述问题，本发明的目的是提供一种解决方案，来减小当向数字放大器供电开始及中断时产生的突发噪声。
根据本发明的一方面，提供了一种在数字放大器中使用的脉冲宽度调制器，包括：突发噪声减小器，用于通过控制从脉冲宽度调制器输出的PWM信号脉冲的宽度和相位来减小突发噪声，其中突发噪声减小器包括：存储PWM信号脉冲的宽度和相位的PWM脉冲寄存器；以及根据存储在PWM脉冲寄存器中的数值来输出PWM信号的脉冲发生器。
根据本发明的另一方面，提供了一种在数字放大器中利用脉冲宽度调制器来减小突发噪声的方法，该方法包括步骤：(a)提供电能以便驱动数字放大器(b)在开始提供电能后的预定时间间隔期间，由脉冲宽度调制器输出具有受控脉冲宽度和受控脉冲相位的PWM信号；(c)在输出受控PWM信号后，由脉冲宽度调制器输出正常PWM信号，其中通过设定脉冲宽度调制器的每个PWM脉冲寄存器的宽度和相位值来执行步骤(b)。
根据本发明的再一个方面，提供了一种采用脉冲宽度调制方案的数字放大器，所述数字放大器包括：用于针对脉冲宽度来调制音频信号的PWM调制器；与PWM调制器相连的突发噪声减小器，用于控制PWM信号的脉冲宽度和相位；PWM放大器，用于放大PWM信号并输出放大的PWM信号；低通滤波器，用于对已放大PWM信号进行滤波，并输出模拟信号；以及用于重建模拟信号的扬声器，其中突发噪声减小器包括：存储PWM信号脉冲宽度和相位值的PWM脉冲寄存器；以及根据存储在PWM脉冲寄存器中的数值来输出PWM信号的脉冲发生器。
附图说明
结合附图，根据以下说明，本发明的以上及其它目的、特点和优点会更加显而易见，其中：
图1是常规数字放大器的方框图；
图2是示出了典型PWM调制器的输出波形的图；
图3是根据本发明的PWM调制器和突发噪声减小器的方框图；
图4是根据本发明的突发噪声减小器的方框图；
图5A到5C示出了当PWM调制器输出端口与同时使用P沟道MOSFET和N沟道MOSFET的“PN半桥式”或“PN全桥式”PWM放大器相连时，减小突发噪声的PWM调制器的输出波形；
图6是示出了当PWM调制器输出端口与仅使用N沟道MOSFET的“NN全桥式”PWM放大器相连时，减小突发噪声的PWM调制器的典型输出波形图；
图7是示出了当PWM调制器输出端口与仅使用N沟道MOSFET的“NN半桥式”PWM放大器相连时，减小突发噪声的PWM调制器的典型输出波形图；
图8A是示出了当将典型PWM信号施加到数字放大器时测量的突发噪声的图；以及
图8B是示出了当将图7所示的PWM信号施加到数字放大器时测量的突发噪声的图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图来描述本发明的一个优选实施例。在下面的描述和图中，相同的参考数字用于表示相同或相似的组件，并省略关于相同或相似组件的重复说明。
在下文中，将参照图3到8B来详细描述根据本发明能够减小突发噪声的数字放大器。
图3是根据本发明的PWM调制器100和突发噪声减小器150的方框图。突发噪声减小器150与PWM调制器100结合可以产生具有PWM调制器100的设计者所期望获得的波形的PWM信号。尽管在图中以独立方框示出突发噪声减小器150和PWM调制器100，不用说，突发噪声减小器150可以作为PWM调制器100的一部分被并入PWM调制器100。
图4是示出了突发噪声减小器150的典型结构的方框图。突发噪声减小器150包括：PWM脉冲寄存器152、脉冲发生器154、放大控制寄存器156及放大控制信号发生器158。通过利用PWM脉冲寄存器152和脉冲发生器154，突发噪声减小器150可以控制脉冲加信号和脉冲减信号的每一个脉冲的宽度和相位。此外，突发噪声减小器150还通过利用放大控制寄存器156和放大控制信号发生器158来控制PWM放大器200开始或停止。
详细地，PWM脉冲寄存器152包括：PWM加法寄存器0到n、PWM减法寄存器0到n、最小脉冲周期寄存器、软开始周期寄存器、软结束周期寄存器和权重(weighting)寄存器，将在后面说明权重寄存器。脉冲发生器154包括加法脉冲发生器和减法脉冲发生器，每个加法和减法脉冲发生器具有临时寄存器、计数器、控制器和脉冲发生器，这些也将在下面说明。
每个PWM加法寄存器0到n存储与PWM加法信号的每个间隔相对应的脉冲的宽度和相位值。也就是，PWM加法寄存器m(其中m是大于等于0且小于等于n的整数)存储PWM加法信号的第(m+1)间隔中脉冲的宽度和相位值。
首先，将PWM寄存器0中的宽度和相位值存储在加法脉冲发生器的临时寄存器中。加法脉冲发生器的脉冲发生器输出与临时寄存器的相位值相对应的PWM加法信号的第一间隔。控制器比较计数器的计数值和临时寄存器的脉冲宽度值。如果这两个值不相等，计数器简单将预定增量加到计数值，而不作任何其它操作。然而，如果这两个值相等，将计数值设置为0；将PWM寄存器1中的宽度和相位值存储在临时寄存器中；并输出与临时寄存器的相位值相对应的PWM加法信号的第二间隔。然后，重复如上所述的操作，直到完成PWM加法信号的第(n+1)间隔的输出。
按照与PWM加法信号同样的方式，根据在PWM减法寄存器0到n中设置的值来输出PWM减法信号。
按照此方式，通过设置突发噪声减小器150中每一个PWM脉冲寄存器的宽度和相位值，设计者可以制作能够产生受控PWM信号的PWM调制器。本领域的技术人员可以按照多种方式来改变突发噪声减小器150的特定结构。
PWM调制器100的输出端口可连接不同类型的PWM放大器200，包括仅使用N沟道MOSFET的“NN半桥型”放大器和“NN全桥型”以及同时使用P沟道MOSFET和N沟道MOSFET的“PN半桥型”放大器和“PN全桥型”。根据PWM放大器200的类型，产生最小突发噪声的PWM信号可以具有各种波形。因此，对于PWM调制器的设计者，找到能通过控制PWM100的输出波形来减小突发噪声的最优波形是必要的。
为了减小在数字放大器中产生的突发噪声，有必要在从开始提供功率或中断电源的后的预定时间间隔期间施加受控的PWM信号。在开始提供功率的时刻后预定时间间隔期间的控制尤其重要。在预定时间过去后，输出正常的PWM信号。
图5A到5C是在PWM调制器的输出端口与使用P沟道MOSFET和N沟道MOSFET的“PN半桥式”或“PN全桥式”PWM放大器相连的情况下，减小突发噪声的PWM调制器100的输出波形图。在这种情况下，优选使用最小脉冲周期寄存器、软开始周期寄存器、软结束周期寄存器和权重寄存器来替代PWM加法寄存器0到n和PWM减法寄存器0到n。
为了输出如图5A所示的波形，突发噪声减小器150在数字放大器被提供功率时逐渐增加PWM信号的脉冲宽度，在数字放大器被中断提供功率时逐渐减小PWM信号的脉冲宽度。这时，PWM加法波形和PWM减法波形具有相位相反、宽度相同的对称结构。当施加如图5A所示的波形时，从频率分析可以确定突发噪声具有明显的减小。
参考图4到5C，突发噪声减小器150在从向数字放大器供电开始的时间间隔M1期间产生具有最小宽度的脉冲，然后在时间间隔S1期间逐渐加宽脉冲宽度。时间间隔M1和S1值可控，并分别在最小脉冲周期寄存器和软开始周期寄存器中设置。作为时间间隔M1和时间间隔S1之和的时间间隔A1是期间突发噪声减小器150执行初始化控制的持续时间。“PWM开启”间隔是正常PWM信号输出的时间间隔。为了在时间间隔S1期间加宽脉冲宽度，存在如下两种方法：一种是如图5B所示线性地加宽脉冲宽度，另一种是如图5C所示以指数规律地加宽脉冲宽度。在时间间隔S1内加宽脉冲的方法可通过设定PWM脉冲寄存器152的额外寄存器来确定。
相反地，当电源被中断时，突发噪声减小器150在时间间隔S2期间逐渐减小脉冲宽度，然后，在时间间隔S2期间产生具有最小宽度的脉冲，然后结束PWM信号的输出。时间间隔M2和S2是可控值，并分别在最小脉冲周期寄存器和软结束周期寄存器中设置。作为时间间隔M2和时间间隔S2之和的时间间隔A2是期间突发噪声减小器150执行最终控制的持续时间。为了在时间间隔S2期间减小脉冲宽度，存在如下两种方法：一种是线性地减小脉冲宽度，另一种是以指数规律地减小脉冲宽度。在时间间隔S2期间减小脉冲的方法可通过设定额外寄存器来确定。
图6是示出了当PWM调制器100输出端口与仅使用N沟道MOSFET的“NN全桥式”PWM放大器相连时，减小突发噪声的PWM调制器100的典型输出波形。如图6所示，PWM加法信号的相位与PWM减法信号的相位相反，两者都有恒定的脉冲宽度。即，PWM加法信号和PWM减法信号具有对称波形。当采用如图6所示波形时，从频率分析可以确定突发噪声有明显的减小。
图7示出了当PWM调制器输出端口与仅使用N沟道MOSFET的“NN半桥式”PWM放大器相连时，减小突发噪声的PWM调制器的典型输出波形。表1示出了存储在产生如图7所示波形的PWM脉冲寄存器152的PWM加法寄存器0到n和PWM减法寄存器0到n中的脉冲宽度和相位值。
寄存器名称   宽度(ns) 相位 寄存器名称   宽度(ns) 相位
  PWM加法寄存器0 640 0 PWM减法寄存器0 640 0
  PWM加法寄存器1   1320   1   PWM减法寄存器1   1320   1
  PWM加法寄存器2 975 0 PWM减法寄存器2 655 0
  PWM加法寄存器3 920 1 PWM减法寄存器3 320 1
  PWM加法寄存器4 1155 0 PWM减法寄存器4 920 0
  PWM加法寄存器5 1245 1 PWM减法寄存器5 1155 1
  PWM加法寄存器6 1160 0 PWM减法寄存器6 1245 0
  PWM加法寄存器7 1065 1 PWM减法寄存器7 1160 1
  PWM加法寄存器8 1090 0 PWM减法寄存器8 1065 0
  PWM加法寄存器9   PWM减法寄存器9   1090   1
当PWM脉冲寄存器152被设置如表1所示的值时，可以得到如图7所示波形。为了输出如图7所示波形，突发噪声减小器150在将功率施加到数字放大器时，控制PWM加法信号和PWM减法信号来维持相位不变。在预定时间间隔之后，突发噪声减小器150改变它们的相位以使其彼此相反，并逐渐增大地改变脉冲宽度。
详细地，当将功率施加到数字放大器时，即在间隔0，使PWM加法信号和PWM减法信号具有相同的相位，即低相位，然后，在预定时间之后，即在间隔1，两个信号改变为高相位。然后，在预定时间之后，即在间隔2中，两个信号改变为低相位。然后，在PWM减法信号的间隔3中，只有PWM减法信号改变为高相位，从而PWM加法信号的相位和PWM减法信号的相位相反。根据图7，PWM减法波形的间隔3的相位与PWM加法波形的间隔2的相位相反。然后，两个信号维持互相相反的相位，两个信号的脉冲宽度之间增加。
图8A是示出了当将典型PWM信号施加到数字放大器时测量的突发噪声图，图8B是示出了当将图7所示的PWM信号施加到数字放大器时测量的突发噪声图。当施加典型PWM信号时，可观察到从2到20Khz的不规则频率。然而，当施加图7所示的PWM信号时，可观察到如图8所示平滑变化的频率。因此，注意当PWM调制器100具有“NN半桥式”输出端口时，如图7所示的PWM初始序列非常有效。
PWM调制器100的设计者可以通过设置突发噪声减小器150中的PWM脉冲寄存器的数值来获得如图7所示波形。然而，所示波形只是示例，PWM调制器的设计者必须根据连接到PWM调制器100的各个输出端口的数值来选择适当的值。
对于各个输出端口，试验和纠错处理是必需的，以便找到引起最小突发噪声的PWM信号。因此，可以通过重复施加特定的PWM信号然后分析突发噪声的处理来找到引起最小突发噪声的PWM信号。为了分析突发噪声，通常使用一种分析数字放大器的输出信号的频率的方法。作为频率分析的结果，当突发噪声显著减小时，选择所施加的PWM信号作为相应输出端口的PWM初始序列。
此外，优选是控制PWM放大器200的启动和停止以及PWM信号的波形，以便减小突发噪声。突发噪声减小器150的放大控制信号发生器158根据存储在放大控制寄存器156中的数值来产生AMP_ENA信号。放大控制信号发生器158向PWM放大器200提供AMP_ENA，以便启动或停止PWM放大器200。例如，如果AMP_ENA信号从低值变化到高值，可以激活PWM放大器200，如果AMP_ENA信号从高值变化到低值，PWM放大器200可能无效。通过使用AMP_ENA信号，可以控制PWM放大器200的启动时间或停止时间。
图7显示了AMP_ENA信号的一个示例。参考图7，当PWM加法信号和PWM减法信号两者最初具有低相位时，即在间隔0，将指示PWM放大器200启动的AMP_ENA信号施加到PWM放大器200。
对于各个输出端口，为了找到引起最小突发噪声的AMP_ENA信号，试验和纠错过程也是必需的。因此，通过重复施加特定的AMP_ENA信号然后分析突发噪声的处理，可以找到引起最小突发噪声的AMP_ENA信号。
根据本发明，当启动或中断到数字放大器的电源时，将具有预定波形的PWM信号和AMP_ENA信号施加给数字放大器，以便能够减小数字放大器中产生的突发噪声。
尽管出于演示的目的已经说明了本发明的优选实施例，本领域的技术人员可以认识到，在不脱离附加权利要求公开的本发明的思想或范围的前提下，可以进行各种修改、添加和替代。

Claims (16)

1、一种在数字放大器中使用的脉冲宽度调制器，其特征在于包括：
突发噪声减小器，用于通过控制从脉冲宽度调制器输出的PWM信号的脉冲宽度和相位来减小突发噪声；
其中突发噪声减小器包括：
PWM脉冲寄存器，用于存储PWM信号的脉冲的宽度和相位；以及
脉冲发生器，用于根据存储在PWM脉冲寄存器中的数值来输出PWM信号。
2、根据权利要求1所述的脉冲宽度调制器，其特征在于，如果同时使用P沟道MOSFET和N沟道MOSFET的PN半桥式或者PN全桥式PWM放大器与脉冲宽度调制器的输出端口相连，当将功率施加到数字放大器时，突发噪声减小器逐渐增加PWM信号的脉冲宽度。
3、根据权利要求2所述的脉冲宽度调制器，其特征在于，突发噪声减小器在从到数字放大器的供电开始后的时间间隔M1期间，产生具有最小宽度的脉冲，并且在时间间隔S1内逐渐加宽脉冲宽度，时间间隔S1和M1是可控的值。
4、根据权利要求3所述的脉冲宽度调制器，其特征在于，突发噪声减小器在时间间隔S1期间逐渐以指数规律地增加PWM信号的脉冲宽度。
5、根据权利要求1所述的脉冲宽度调制器，其特征在于，如果将只使用N沟道MOSFET的NN半桥式PWM放大器与脉冲宽度调制器的输出端口相连，当功率被施加到数字放大器时，突发噪声减小器控制PWM加法信号和PWM减法信号以保持相同相位，而且在经过预定时间间隔后，突发噪声减小器在预定时间期间改变其相位以使其彼此相反，然后，逐渐增加其脉冲宽度，同时保持相位彼此相反。
6、根据权利要求1所述的脉冲宽度调制器，其特征在于，如果将只使用N沟道MOSFET的NN半桥式PWM放大器与脉冲宽度调制器的输出端口相连，突发噪声减小器控制PWM加法信号和PWM减法信号，使其具有彼此相反的相位和恒定的脉冲宽度。
7、一种使用脉冲宽度调制器来减小数字放大器中的突发噪声的方法，该方法包括步骤：
(a)提供电功率，以便驱动数字放大器；
(b)在电功率的提供开始后，在预定时间间隔期间，由脉冲宽度调制器输出具有受控脉冲宽度和受控脉冲相位PWM信号；以及
(c)在受控PWM信号输出后，由脉冲宽度调制器输出正常PWM信号，
其中通过设置脉冲宽度调制器的每一个PWM脉冲寄存器的宽度和相位值来执行步骤(b)。
8、根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
(d)中断电源提供，以停止数字放大器的操作；
(e)在电源提供中断后，在预定时间间隔期间由脉冲宽度调制器输出具有受控脉冲宽度和受控脉冲相位的PWM信号；以及
(f)输出在受控PWM信号后，由脉冲宽度调制器停止PWM信号的输出。
9、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，当脉冲宽度调制器的输出端口连接到同时使用P沟道MOSFET和N沟道MOSFET的PN半桥式或PN全桥式PWM放大器时，PWM信号的脉冲宽度逐渐增加。
10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在步骤(b)包括步骤：
(b1)在到数字放大器供电开始后的时间间隔M1期间产生具有最小脉冲宽度的脉冲；以及
(b2)在时间间隔S1期间逐渐增加脉冲宽度，时间间隔S1和M1是可控的值。
11、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤(e)中，当脉冲宽度调制器的输出端连接到同时使用P沟道MOSFET和N沟道MOSFET的PN半桥式或PN全桥式PWM放大器时，PWM信号的脉冲宽度逐渐减小。
12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于步骤(e)包括步骤：
(e1)在到数字放大器的供电中断后，在预定时间间隔S2期间逐渐减小脉冲宽度；以及
(e2)在时间间隔M2期间，产生具有最小脉冲宽度的脉冲，时间间隔S2和M2是可控的值。
13、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，当脉冲宽度调制器的输出端口连接到只使用N沟道MOSFET的NN半桥式PWM放大器时，最初控制PWM加法信号和PWM减法信号，使其在预定时间间隔期间保持相同相位，然后对其进行控制，以便在预定时间间隔期间变化为相位彼此相反，然后对其进行控制，以便增加其脉冲宽度同时保持彼此相反的相位。
14、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，当脉冲宽度调制器的输出端口连接到只使用N沟道MOSFET的NN全桥式PWM放大器时，控制PWM加法信号和PWM减法信号，使其具有彼此相反的相位和恒定的脉冲宽度。
15、一种使用脉冲宽度调制器方案的数字放大器，所述数字放大器包括：
PWM调制器，用于调制音频信号的脉冲宽度；
与PWM调制器相连的突发噪声减小器，用于控制PWM信号的脉冲宽度和相位；
PWM放大器，用于放大PWM信号并输出放大的PWM信号；
低通滤波器，用于对放大的PWM信号进行滤波并输出模拟信号；以及
扬声器，用于再现模拟信号；
其中突发噪声减小器包括：
PWM脉冲寄存器，用于存储PWM信号的脉冲宽度和相位；以及
脉冲发生器，用于根据存储在PWM脉冲寄存器中的数值来输出PWM信号。
16、根据权利要求15所述的数字放大器，其特征在于，突发噪声减小器进一步通过使用指示PWM放大器启动或停止的AMP_ENA信号来控制PWM放大器的启动和停止。
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