JP4368920B2 - 積分ノイズ・シェーピングによるデジタルpwm信号発生器を有する装置および方法 - Google Patents

積分ノイズ・シェーピングによるデジタルpwm信号発生器を有する装置および方法 Download PDF

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Description

本発明は、デジタル増幅器に関し、特にパルス幅変調(PWM)信号の干渉およびノイズの低減に関する。
デジタル・オーディオ・アンプの場合には、デジタル信号をアナログ構成要素に変換するためにパルス幅変調(PWM)がよく使用される。このタイプのデジタル・オーディオ・アンプは、多くの場合、デジタルPWMオーディオ・アンプと呼ばれる。デジタルPWMオーディオ・アンプは、例えば、携帯電話およびハイエンド・デジタル・オーディオ機器のような種々の用途に使用することができる。
多くのデジタルPWMオーディオ・アンプは、クラスDデジタル増幅器と呼ばれる特殊なクラスの増幅器である。典型的なクラスDデジタル増幅器の場合には、パルス幅変調を行うために、三角形発振器(triangle oscillator)のような固定周波数信号発生器が、デジタル・オーディオ入力と一緒に使用される。パルス幅変調された信号は、増幅され、電磁障害(EMI)を低減するために低域フィルタに送られる。低域フィルタの使用はEMI障害を除去するための実行可能な方法であるが、また低域フィルタを使用すると、さらに広くスペースが必要になり、デジタル・オーディオ・アンプのコストが増大する。多くのローエンド携帯電話用途の場合にはコストが増大しては困るので、信号の品質を改善する一方でコストを低減するために使用することができる別の方法が考慮の対象になる。
それ故、デジタル増幅器内のEMIおよび量子化ノイズを低減する改良形のデジタル増幅器が求められている。
以下に本発明については説明するが、これは単に例示としてのものであり、本発明は添付の図面により制限されない。図面中、類似の参照番号は類似の要素を示す。図面中の要素は簡単にはっきり示すためのもので、必ずしも正確に縮尺されていない。例えば、本発明のある実施形態の理解を助けるために、図面内のいくつかの要素の寸法は他の要素に対して誇張してある。
本発明の一実施形態の場合には、デジタル増幅装置は、デジタル・パルス幅変調(PWM)信号を生成するための、積分ノイズ・シェーピングによるデジタルPWM信号発生器および電力段を含む。PWM信号発生器は、デジタルPWM信号を発生する際に、補正したデジタル信号入力の量子化ノイズを所定のオーディオ帯域の外側の帯域に再分配するために、デジタル信号入力およびランダム周期信号に応答する。電力段は、増幅したデジタルPWM信号を供給するためにデジタルPWM信号に応答する。
本発明の一実施形態の場合には、デジタル・パルス幅変調(PWM)信号を生成するための装置は、ランダム周期信号発生器と、ノイズ・シェーピング・ユニットと、デューティ比量子化器と、PWMカウンタとを含む。ランダム周期信号発生器はランダム周期信号を生成する。ノイズ・シェーピング・ユニットは、補正した信号を発生するために、少なくともデジタル信号、ランダム周期信号、および遅延デジタル信号に応答する。デューティ比量子化器は、補正したデジタル信号、ランダム周期信号、および量子化クロック信号に応答し、第1のデューティ比信号および第2のデューティ比信号を生成する。PWMカウンタは、それぞれ、第1および第2のデューティ比信号および量子化クロック信号に応答し、正および負のPWM信号を生成する。
本発明の一実施形態の場合には、デジタル・パルス幅変調(PWM)信号を発生するための方法を提供する。デジタル信号を受信する。ランダム周期信号がランダム周期発生器により発生し、ランダム周期信号は左の半周期および右の半周期を含む。ランダム周期に基づいて適応係数が計算される。第1の発生器は、ランダム周期の左の半周期に対する第1の関数を計算するために使用される。第2の発生器は、ランダム周期の左の半周期に対する第2の関数を計算するために使用される。誤差信号が、左の半周期に対する第2の関数により推定される。受信デジタル信号と左の半周期に対する推定誤差信号とが加算される。正および負のPWM信号の左の半周期に対する量子化クロック・カウントを確立するために、左の半周期に対して第1および第2のデューティ比が量子化される。第1の発生器は、ランダム周期の右の半周期に対する第1の関数を計算するために使用される。第2の発生器は、ランダム周期の右の半周期に対する第2の関数を計算するために使用される。誤差信号は、右の半周期に対する第2の関数により推定される。受信デジタル信号と右の半周期の推定誤差信号とが加算される。正および負のPWM信号の右の半周期の量子化クロック・カウントを確立するために、右の半周期に対して第1および第2のデューティ比が量子化される。
図1は、本発明の一実施形態によるデジタル増幅器100である。デジタル増幅器100は、デジタル・ソース102と、積分ノイズ・シェーピングによるデジタル・パルス幅変調信号発生器(DPSG)110と、電力段118と、負荷126とを含む。デジタル・ソース102は、CDプレーヤ、デジタル・オーディオ・テープ・プレーヤ、携帯電話、デジタル・カー・ラジオ等のようなデバイスを含むことができる。一実施形態の場合には、負荷126はオーディオ・スピーカであってもよい。本発明の他の実施形態は、他のタイプの負荷を使用することができる。
動作中、デジタル・ソース102は、DPSG110にデジタル信号106を供給する。デジタル信号106は、例えば、パルス符号変調(PCM)信号またはパルス密度変調(PDM)信号のような形のデジタル入力であってもよい。DPSG110は、デジタル信号106を受信し、電磁障害(EMI)を低減するためにランダム周期発生器を使用し、量子化による量子化ノイズの量を低減するために積分ノイズ・シェーピングを使用する。DPSG110は、増幅のためにデジタルPWM信号114を電力段118に供給する。電力段118は、デジタルPWM信号114を増幅し、増幅したPWM信号122をオーディオ出力として負荷126に供給する。
図2は、本発明の一実施形態によるデジタル増幅器100である。デジタル増幅器100のDPSG110は、ノイズ・シェーピング・ユニット147と、ランダム周期発生器130と、デューティ比量子化器134と、パルス幅変調(PWM)カウンタ172とを含む。ノイズ・シェーピング・ユニット147は、遅延ブロック146と、誤差積分増幅器142と、加算器164と、適応係数発生器143とを含む。
動作中、DPSG110は、デジタル・ソース102からデジタル信号106を受信する。デジタル信号106は、ノイズ・シェーピング・ユニット147の遅延ブロック146、加算器164、および誤差積分増幅器142に供給される。一実施形態の場合には、遅延ブロック146は、デジタル信号106およびランダム周期発生器130が発生したランダム周期信号132の持続時間(ランダム周期132)により制限された遅延量により遅延デジタル信号106を受信する。一実施形態の場合には、ランダム周期信号132は、独立可変周期信号を含むことができ、サイクル毎に変化することができる。遅延量は、ランダム周期132の1/2(ランダム半周期132)により誤差積分増幅器142で正規化される。正規化された遅延量は遅延比と呼ぶことができる。遅延デジタル信号162は、誤差積分増幅器142に供給される。
遅延ブロック146にランダム周期132を供給する他に、ランダム周期発生器130は、デューティ比量子化器134、誤差積分増幅器142および適応係数発生器143にランダム周期132を提供する。適応係数発生器143は、適応係数145を発生するためにランダム周期132を使用する。次に、適応係数145は、誤差積分増幅器142に供給される。
ノイズ・シェーピング・ユニット147の誤差積分増幅器142は、ランダム周期132、遅延ブロック146から遅延デジタル信号162、デジタル・ソース102からデジタル信号106、適応係数発生器143から適応係数145、PWMカウンタ172からPWM信号184、およびPWMカウンタ172からPWM信号180を受信する。誤差積分増幅器142は、誤差信号(推定誤差)176を発生するために一連のノイズ・シェーピング動作(図3のところでさらに詳細に説明する)を行う。推定誤差176は、遅延デジタル信号162およびPWM信号の差間のノイズ・シェーピング誤差(すなわち、PWM信号180とPWM信号184との間の違い)を表す。一実施形態の場合には、遅延デジタル信号162とPWM信号差の間の誤差が、適応係数145およびデジタル信号106により、誤差積分増幅器142の積分部分により整形されたノイズである。一実施形態の場合には、デューティ比136およびデューティ比137に対応するデューティ比は、PWM信号180およびPWM信号184により誤差積分増幅器142により入手することができる。他の実施形態の場合には、デューティ比136およびデューティ比137を、直接、誤差積分増幅器142(図示せず)に供給することができる。加算器164は、推定誤差176およびデジタル信号106を受信し、補正デジタル信号168を発生するために加算を行う。補正デジタル信号168は、ランダム周期132および量子化クロック信号190と一緒に、デューティ比量子化器134に供給される。
デューティ比量子化器134は、加算器164から補正デジタル信号168を受信し、ランダム周期発生器130からランダム周期132を受信し、量子化クロック191から量子化クロック信号190を受信し、デューティ比136およびデューティ比137を発生する。一実施形態の場合には、デューティ比136およびデューティ比137は、ランダム周期132のサイクルの左半分(左の半周期)、およびランダム周期132のサイクルの右半分(右の半周期)の両方に対して計算される。一実施形態の場合には、デューティ比量子化器134は、デューティ比137を生成するために、(ランダム周期132の左の半周期の補正デジタル信号168に対応する)PWM信号180の予測した量子化バージョン、およびランダムな半分の周期(左の半周期に対応するランダム周期132の半分)の持続時間を使用する。同様に、デューティ比量子化器134は、デューティ比136を生成するために、(ランダム周期132の左の半周期の補正デジタル信号168に対応する)PWM信号184の予測した量子化バージョン、およびランダムな半分の周期(左の半周期に対応するランダム周期132の半分)の持続時間を使用する。右の半周期の場合には、デューティ比量子化器134は、デューティ比137を発生するために、(ランダム周期132の右の半周期の補正デジタル信号168に対応する)PWM信号180の予測した量子化バージョン、およびランダムな半分の周期(右の半周期に対応するランダム周期132の半分)の持続時間を使用する。同様に、デューティ比量子化器134は、デューティ比136を生成するために、(ランダム周期132の右の半周期の補正デジタル信号168に対応する)PWM信号184の予測した量子化バージョン、およびランダムな半分の周期(右の半周期に対応するランダム周期132の半分)の持続時間を使用する。
一実施形態の場合には、例えば、デューティ比量子化器134による量子化ノイズは、電力段118の出力のところで所望の信号雑音比基準に適合するように、所定のオーディオ帯域の外側にノイズ・シェーピング・ユニット147により再分配される。CD品質オーディオのような一実施形態の場合には、所望の信号雑音比基準は96dBである。他の実施形態は、それに応じてノイズ・シェーピング・ユニット147を調整することができる他の信号雑音比の基準を有することができる。
PWMカウンタ172は、デューティ比量子化器134からデューティ比136を受信し、デューティ比量子化器134からデューティ比137を受信し、量子化クロック191から量子化クロック信号190を受信し、PWM信号180およびPWM信号184を発生する。一実施形態の場合には、PWM信号180は、デューティ比137が表す量子化クロック・サイクルの数をカウントすることにより生成され、PWM信号184は、デューティ比136が表す量子化クロック・サイクルの数をカウントすることにより生成される。両方とも矩形波の形をしているPWM信号180およびPWM信号184は、誤差積分増幅器142および電力段118に供給される。電力段118は、PWM信号180およびPWM信号184を増幅し、増幅したPWM信号120および増幅したPWM信号121を生成する。増幅したPWM信号120および増幅したPWM信号121は、負荷126に送られ、デジタル増幅器100のオーディオ出力を表す。
図3は、本発明の一実施形態による誤差積分増幅器142を示す。一実施形態の場合には、推定誤差176は、図3のブロック図に対応する式1〜15により発生する。推定誤差176は、ランダム周期発生器130が生成したランダム周期132の左の半周期および右の半周期の両方に対して計算される。f発生器は、左の半周期および右の半周期に対してf関数f1、f2、f3、f4を生成し、I発生器は、左の半周期および右の半周期に対してI関数I1、I2、I3、I4を生成する。
本発明の一実施形態による数学的記述は、下記変数により表される。
半周期指数 k
サイクル指数 n
公称半周期 T[n]
ランダム半周期 T[n]
利得定数 C1、C2、C3、C4
左の半周期の遅延デジタル信号162 xr[n−1]
右の半周期の遅延デジタル信号162 xl[n]
左の半周期のデジタル信号106 xl[n]
右の半周期のデジタル信号106 xr[n]
左の半周期の遅延比 dl[n]
右の半周期の遅延比 dr[n]
左の半周期のPWM信号180のデューティ比 dl[n]
右の半周期のPWM信号180のデューティ比 dr[n]
左の半周期のPWM信号184のデューティ比 dl[n]
右の半周期のPWM信号184のデューティ比 dr[n]
サイクル指数nは、式1により計算することができる。
Figure 0004368920
適応計数45は、式2により計算することができる。
Figure 0004368920
左の半周期のf関数f1、f2、f3、f4は、式3〜6により計算することができる。
Figure 0004368920
右の半周期のf関数f1、f2、f3、f4は、式7〜10により計算することができる。
Figure 0004368920
左の半周期および右の半周期両方のI関数I1,I2、I3、I4は、式11〜14により計算することができる。
Figure 0004368920
推定誤差176は、式15により計算することができる。
Figure 0004368920
図4は、本発明の一実施形態が実行する機能のフローチャートである。一実施形態の場合には、流れ401は、DPSG110の初期化により開始する。次に、流れ401はステップ404に進み、そこでランダム周期発生器130がランダム周期を生成する。次に、流れ401はステップ408に進み、そこで適応係数がランダム周期に基づいて計算される。次に、流れ401はステップ412に進み、そこでf発生器が、ランダム周期発生器130が生成したランダム周期の左の半周期に対するf関数、f1、f2、f3、f4を計算する。f関数(式3〜6に示す)は、デジタル信号106、ランダム周期132、遅延デジタル信号162、PWM信号180、およびPWM信号184の関数である。次に、流れ401は、ステップ416に進み、そこで左の半周期に対するI関数、I1、I2、I3、I4が計算される。I関数(式11〜14に示す)は、左の半周期に対するf関数、適応係数145、および左の半周期に対する前のI関数の関数である。次に、流れ401は、ステップ420に進み、そこで推定誤差176が、I関数および利得定数C1、C2、C3およびC4により推定される。次に、流れ401はステップ424に進み、そこでデジタル信号106と推定誤差176とが加算される。次に、流れ401は、ステップ428に進み、そこでPWM信号180および184の左の半周期に対する量子化クロック・カウントを確立するために、左の半周期に対するデューティ比が量子化される。次に、流れ401は決定ステップ432に進み、そこで左の半周期が終了したかどうかについての判定が行われる。左の半周期が終了していない場合には、左の半周期が終了するまで決定ステップ432が反復して行われる。左の半周期が終了した場合には、流れ401はステップ436に進み、そこでf発生器が、ランダム周期発生器130が生成したランダム周期の右の半周期に対するf関数f1、f2、f3、f4を計算する。右の半周期に対するf関数(式7〜10に示す)は、デジタル信号106、ランダム周期132、遅延デジタル信号162、PWM信号180、およびPWM信号184の関数である。次に、流れ401は、ステップ440に進み、そこで右の半周期に対するI関数I1、I2、I3、I4が計算される。右の半周期のI関数(式11〜14に示す)は、右の半周期に対するf関数、適応係数145、および右の半周期に対する前のI関数の関数である。次に、流れ401は、ステップ444に進み、そこで推定誤差176が、右の半周期のI関数および利得定数C1、C2、C3およびC4により推定される。次に、流れ401は、ステップ448に進み、そこでデジタル信号106と推定誤差176とが加算される。次に、流れ401は、ステップ452に進み、そこでPWM信号180および184の右の半周期に対する量子化クロック・カウントを確立するために、右の半周期に対するデューティ比が量子化される。次に、流れ401は決定ステップ456に進み、そこで右の半周期が終了したかどうかについての判定が行われる。右の半周期が終了していない場合には、右の半周期が終了するまで決定ステップ456が反復して行われる。右の半周期が終了した場合には、流れ401はステップ404に進む。
図5は、固定スイッチング周波数(高い方のピーク値502)を含む固定周期発生器によるシミュレーションに対するランダム・スイッチング周波数(低い方のピーク値504)を含むランダム周期発生器によるシミュレーションを示す。高い方のピーク値502の場合には、スペクトルの内容の大きな部分は125kHzのところで位置する。ランダム周期発生器130が生成するランダム周期により、スイッチング周波数ノイズは、広い周波数スペクトル(低い方のピーク値504により示す)上に拡がっているので、類似の動作を行うのに低域フィルタを使用する必要はない。
図6は、デジタル増幅器100(図1および図2に示す)で使用されおよび/または生成される信号のうちのいくつかの時間領域を示す。デジタル入力信号106は、入力PCM信号106として表されるPCM信号である。図では、サンプル点1Aおよび1Bは、ランダム周期三角関数として表示されているランダム周期信号132と補正デジタル信号168の交点である。サンプル点1Aは、補正デジタル信号168の左の半周期内の第1のもとのサンプル点に対応する。サンプル点2Aは、補正デジタル信号168の左の半周期内の第1の負のもとのサンプル点(ランダム周期三角関数の参照中心点1)に対応する。サンプル点1Bは、補正デジタル信号168の右の半周期内の第1のもとのサンプル点に対応する。サンプル点2Bは、補正デジタル信号168の右の半周期内の第1の負のもとのサンプル点に対応する。一実施形態の場合には、ランダム周期三角関数のランダム周期は、周期持続時間2T[n]を有している。何故なら、左の半周期および右の半周期の両方とも、T[n]という半周期持続時間を有しているからである。量子化予測PWM信号180は、PWMカウンタ172が出力したPWM信号180を表し、量子化PWM信号184は、PWMカウンタ172が出力したPWM信号184を表す。予測PWM信号180および予測信号184は、それぞれPWM信号180およびPWM信号184の量子化していないバージョンを示す。
今まで特定の実施形態を参照しながら本発明を説明してきた。しかし、通常の当業者であれば、添付の特許請求の範囲に記載する本発明の範囲から逸脱することなしに、種々の修正および変更を行うことができることを理解することができるだろう。それ故、本明細書および図面は例示としてのものとみなすべきで、本発明を制限するものとみなすべきではない。これらのすべての修正は、本発明の範囲内に含まれる。
特定の実施形態を参照しながら、種々の利点、他の有利な点、問題の解決方法を説明してきた。しかし、任意の利点、有利な点または解決方法をもっと優れたものにするまたはすることができる種々の利点、有利な点、問題の解決方法および任意の要素を、請求項のうちのあるものまたはすべてのものの重要な、必要な、または本質的な特徴または要素と見なすべきではない。本明細書で使用する場合、「備える」、「備えている」またはその任意の他の派生語は、要素のリストを含むプロセス、方法、物品または装置が、これらの要素だけを含んでいるのではなく、リストに明示されていない他の要素、またはこのようなプロセス、方法、物品または装置に固有の他の要素を含むことができるように、非排他的に他のものを含むことができるようにするためのものである。
本発明の一実施形態によるPWMデジタル増幅器のブロック図。 本発明の一実施形態によるPWMデジタル増幅器のブロック図。 本発明の一実施形態による誤差積分増幅器のブロック図。 本発明の一実施形態で使用する方法のフローチャート。 周知の増幅器の周波数スペクトルと本発明の一実施形態による増幅器の周波数スペクトルとの比較。 本発明の一実施形態によるパルス幅変調に関連する種々の信号のタイミング図。

Claims (5)

  1. デジタル・パルス幅変調(PWM)信号を生成するための装置であって、
    ランダム周期信号を生成するためのランダム周期信号発生器と、
    少なくともデジタル信号、前記ランダム周期信号、および遅延デジタル信号に応答して補正デジタル信号を生成するノイズ・シェーピング・ユニットと、
    前記補正デジタル信号、前記ランダム周期信号、および量子化クロック信号に応答して第1のデューティ比信号および第2のデューティ比信号を生成するデューティ比量子化器と、
    第1および第2のデューティ比信号および量子化クロック信号に応答して、それぞれ正および負のPWM信号を生成するPWMカウンタと、を備える装置。
  2. 前記ノイズ・シェーピング・ユニットが、前記第1および第2のデューティ比信号の関数として、所定のオーディオ帯域の外側の帯域に、前記デューティ比量子化器による量子化ノイズをさらに再分配する請求項1に記載の装置。
  3. 前記デューティ比量子化器が、前記ランダム周期信号の左の半周期および右の半周期の両方に対する前記第1および第2のデューティ比信号を計算する請求項1に記載の装置。
  4. 前記PWMカウンタが、それぞれ第1および第2のデューティ比信号が表す量子化クロック・サイクルの数をカウントすることにより正および負のPWM信号を生成る請求項1に記載の装置。
  5. デジタル・パルス幅変調(PWM)信号を生成するための方法であって、
    デジタル信号を受信するステップと、
    ランダム周期発生器によりランダム周期信号を生成するステップであって、同ランダム周期信号がランダム周期を有し、左の半周期および右の半周期を含むステップと、
    前記ランダム周期に基づいて適応係数を計算するステップと、
    第1の発生器を使用して前記ランダム周期の左の半周期に対する第1の関数を計算するステップと、
    第2の発生器を使用して前記ランダム周期の左の半周期に対する第2の関数を計算するステップと、
    前記左の半周期に対する前記第2の関数により誤差信号を推定するステップと、
    前記デジタル信号と前記左の半周期に対する前記推定誤差信号とを加算するステップと、
    前記左の半周期に対する第1および第2のデューティ比を量子化して正および負のPWM信号の前記左の半周期に対する量子化クロック・カウントを確立するステップと、
    前記第1の発生器を使用して前記ランダム周期の右の半周期に対する第1の関数(f1,f2,f3,f4)を計算するステップと、
    前記第2の発生器を使用して前記ランダム周期の右の半周期に対する第2の関数(I1,I2,I3,I4)を計算するステップと、
    前記右の半周期に対する前記第2の関数により誤差信号を推定するステップと、
    前記デジタル信号と前記右の半周期に対する前記推定誤差信号とを加算するステップと、
    前記右の半周期に対する第1および第2のデューティ比を量子化して、正および負のPWM信号の右の半周期に対する量子化クロック・カウントを確立するステップと、を含む方法。
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