TW202042499A

TW202042499A - 放大器

Info

Publication number: TW202042499A
Application number: TW109114854A
Authority: TW
Inventors: 溫松翰; 陳冠達
Original assignee: 聯發科技股份有限公司
Priority date: 2019-05-06
Filing date: 2020-05-05
Publication date: 2020-11-16
Also published as: CN111900941A; US20200358400A1; US11309839B2; EP3736976A1; TWI730748B

Abstract

本發明公開一種放大器，包括：複數個放大級，級聯在該放大器的輸入端子和輸出端子之間，其中，該複數個放大級中的輸出級在正常模式和衰減模式之間切換；以及控制器，回應於放大器輸入低於閾值，將該輸出級從正常模式切換到衰減模式，其中：在該衰減模式下，該輸出級提供與該放大器的負載電阻串聯耦合的衰減電阻。

Description

放大器

本發明涉及電學技術領域，尤其涉及一種放大器。

對於大多數系統，單個放大級（amplification stage）不能提供足夠的增益（gain）或頻寬（bandwidth），或者單個放大級沒有正確的輸入或輸出阻抗匹配。解決方案是結合複數個放大級。

透過級聯（cascading）幾個放大級，可以使用多級放大器來實現期望的性能。以三級放大器為例，第一放大級的輸出用作第二放大級的輸入，第二放大級的輸出用作第三放大級的輸入。第一放大級是輸入級，第三放大級是輸出級。為了獲得所需的SNR（signal-to-noise ratio，信噪比），輸入級（例如第一放大級）可能會很大（佔用較大的面積）。但是，電路尺寸越大，功耗就越大。電路的穩定性也可能受到影響。

因此，業界要求具有低功耗，可接受的電路尺寸和高穩定性的高SNR放大器。

有鑑於此，本發明提供一種放大器，具有低功耗，可接受的電路尺寸和高穩定性。

根據本發明的第一方面，公開一種放大器，包括：複數個放大級，級聯在該放大器的輸入端子和輸出端子之間，其中，該複數個放大級中的輸出級在正常模式和衰減模式之間切換；以及控制器，回應於放大器輸入低於閾值，將該輸出級從正常模式切換到衰減模式，其中：在該衰減模式下，該輸出級提供與該放大器的負載電阻串聯耦合的衰減電阻。

本發明的放大器由於在放大器輸入低於閾值時，將該輸出級從正常模式切換到衰減模式，並且該衰減模式下具有負載電阻串聯耦合的衰減電阻，這樣在雜訊較明顯的時候，透過衰減電阻將雜訊進行衰減，從而極大的降低了雜訊，並且由於採用衰減電阻降低雜訊，因此放大器的輸入級無需過大，從而減小了輸入級的尺寸，具有更低的功耗，可接受的電路尺寸和高穩定性。

貫穿以下描述和申請專利範圍書使用某些術語，其指代特定部件。如本領域的技術人員將理解的，電子設備製造商可以用不同的名稱來指代组件。本文檔無意區分名稱不同但功能相同的组件。在以下描述和申請專利範圍中，術語“包括”和“包含”以開放式方式使用，因此應解釋為表示“包括但不限於...”。同樣，術語“耦合”旨在表示間接或直接的電連接。因此，如果一個設備耦合到另一設備，則該連接可以是透過直接電連接，或者是透過經由其他設備和連接件的間接電連接。

第1圖描繪了根據本發明示例性實施例的放大器100。放大器100包括級聯放大級Amp1，Amp2…和AmpN（也即放大級Amp1，Amp2…和AmpN依次串聯在一起），控制器102和回饋電路104。

第一放大級Amp1是輸入級。最終放大級AmpN是輸出級。可以由數位類比前端（digital analog front-end，數位AFE）電路108提供轉換成類比形式Ain以由放大器100放大的放大器輸入Sin，也即數位AFE電路108產生放大器輸入Sin（數位形式），然後經由DAC（Digital-to-Analog Converter，類比數位轉換器）106轉換成類比形式的訊號Ain，以提供給放大器100作為放大器的輸入。放大器100的輸入端子接收放大器輸入Sin的類比形式Ain，並且具有輸出端子，該輸出端子輸出輸出訊號VOL以驅動負載電阻RL（其中放大級Amp1，Amp2…和AmpN依次串聯並且位於該輸出端子與該輸出端子之間）。回饋電路104將輸出級AmpN耦合到輸入級Amp1（例如，經由加法器110，其中加法器可以作為負回饋電路中的器件，用作使用放大器輸入的類比形式Ain減去回饋電路104輸出的回饋訊號）。輸出級AmpN向回饋電路104提供輸出訊號VOL的回饋訊號。多級放大（Amp1…AmpN）基於放大器輸入Sin以及輸出訊號VOL的回饋訊號。具體地，輸出級是專門設計的，並且需要隨附的控制器102。

輸出級AmpN可以在正常（normal）模式和衰減（attenuation）模式之間切換。控制器102耦合到數位AFE 108以獲取關於放大器輸入Sin的資訊。回應於放大器輸入Sin低於閾值Sth（例如-40dBFS，其中FS表示滿量程（full-scale）訊號），控制器102將輸出級AmpN從正常模式切換到衰減模式。雜訊得到有效抑制。但是，需要補償由於衰減模式輸出級引起的訊號衰減。控制器102可以控制數位AFE 108以進行數位補償（例如在衰減模式下，數位AFE 108會將放大器輸入Sin放大，以進行補償），或者控制回饋電路104以進行類比補償。其中，例如在耳機等的應用中，當放大器輸入Sin低於-40dBFS時，數位AFE 108會將此信號（放大器輸入Sin）做放大+20dB（也即放大之後放大器輸入Sin變成了-20dBFS），而讓輸出級AmpN設成衰減-20dB模式（透過衰減電阻進行衰減），而這樣使得在放大器的輸出端子（稱為VOL）輸出的訊號可以在-40dBFS附近，也就是說所期望輸出的訊號未受到影響或影響很小，但是透過此配置，將雜訊特別是放大器中的雜訊進行了濾除。因此特別是在小訊號（例如輸入為小訊號）時，將整個電路的雜訊降低，以優化聲音品質，使用者聽起來的感受較好。

在先前技術中，若需要高信噪比的輸出級（例如SNR大於120dB）通常會將輸入訊號設置的較大（例如將放大器輸入Sin或Ain設置的較大，例如需要遠大於-20dBFS），然而若將輸入訊號設置的較大，則電路需要更大的電壓才可以正常運轉，因此造成了輸入級（例如第一放大級）的面積佔用較大（以處理較大的電壓），以及功率消耗較大，有較多不合理的功率消耗。本發明中放大器100使用多模式輸出級AmpN，輸出級AmpN具有正常模式和衰減模式，通過在衰減模式下將衰減雜訊來實現高信噪比（signal-to-noise ratio，SNR），無需過度擴大輸入級Amp1的大小，也無需較大的電壓驅動輸入級Amp1的工作，因此減小了輸入級Amp1的面積佔用和功率消耗，從而減小了整個放大器100的面積和功率消耗，放大器100的功耗更加合理。放大器100具有高穩定性的低成本設計。

控制器102可以回應於放大器輸入Sin達到（例如大於或等於）閾值Sth（例如，-40dBFS），將輸出級AmpN從衰減模式切換回正常模式。對於大訊號（large-signal）的放大，性能主要與THD（total harmonic distortion，總諧波失真）有關。正常模式輸出級是首選。當輸入級為大信號時, 輸出級會需要操作在正常模式。例如在耳機的應用中，正常模式下，能夠在較大的信號輸出下，支持更好的THD。而更好的THD意味著更佳的聲音質量（舉例說明，若THD較差的聲音，其感覺就會像是聽到破音）。例如在耳機的應用中，當放大器輸入為小訊號時（例如放大器輸入Sin低於閾值Sth時），可能出現的場景是聲音較小，這時若有雜訊使用者就會非常明顯的聽到，從而影響聽感。因此在小訊號時，採用衰減模式來衰減雜訊，同時為了補償因衰減而導致的所期望的訊號的衰減，本發明中可以採用放大放大器輸入Sin的方式來補償衰減模式下導致的所期望的訊號的衰減；或者本發明中還可以透過回饋電阻RFB2來進行補償（將在下文進行描述）。而當放大器輸入為大訊號時（例如放大器輸入Sin等於或大於閾值Sth時），可能出現的場景是雖然有雜訊，但是因為正常音樂本身的聲音就較大，因此雜訊的影響可能較小，所以此時採用正常模式。

第2圖示出了根據本發明示例性實施例的放大器100的細節。控制器102輸出選擇訊號Sel（

），以在正常模式和衰減模式之間切換輸出級AmpN。當在衰減模式下操作輸出級AmpN時，控制器102還輸出控制訊號CS以逐漸衰減雜訊並逐漸補償訊號衰減。

輸出級AmpN包括運算放大器202和204以及衰減電阻RA。當輸出級AmpN處於正常模式時，啟用運算放大器202而禁用運算放大器204。倒數第二個放大級Amp（N-1）透過運算放大器202耦合到放大器的輸出端子（稱為VOL）。當輸出級AmpN處於衰減模式時，禁用運算放大器202並且啟用運算放大器204。倒數第二放大級Amp（N-1）透過運算放大器204和衰減電阻RA耦合到放大器的輸出端子（稱為VOL）。輸出級AmpN提供衰減電阻RA以與負載電阻RL串聯耦合。雜訊由包括衰減電阻RA和負載電阻RL的串聯電路衰減。

衰減電阻RA可以大於負載電阻RL，衰減電阻RA大於負載電阻RL可以起到衰減雜訊的作用（若小於則作用較小或無作用）。例如，衰減電阻RA的電阻可以是負載電阻RL的電阻的k倍，並且k是大於1的數。在示例性實施例中，k為3，從而由衰減電阻RA引入的衰減是-12dB。在另一示例中，k為8，使得由衰減電阻RA引入的衰減為-18dB。雜訊被有效衰減。但是，需要補償訊號衰減。k可以根據實際需求自由設置，本發明並無限制。

可以在數位域或類比域中補償由於衰減模式輸出級引起的訊號衰減。補償可取決於衰減電阻RA與負載電阻RL之間的電阻比k。

在示例性實施例中，控制器102可以控制數位AFE 108以透過數位增益補償由於衰減電阻RA引起的訊號衰減。

衰減電阻RA可以是可變電阻。當以衰減模式操作輸出級AmpN時，控制器102逐漸地（例如，逐步地）增加衰減電阻RA的電阻，並且因此，逐步地增加數位增益。上述這種逐步地變化中，可以逐步地增加衰減電阻RA的電阻以衰減雜訊（減少雜訊），逐步地提高數位增益（逐步地放大放大器輸入Sin）以補償所期望的訊號的衰減；這樣平緩的變化可以避免短時間大幅度變化造成的雜訊，提高用戶的使用感受。需要說明的是，上述逐步地增加衰減電阻RA的電阻與逐步地提高數位增益可以同時進行（例如同步地增加），也可以不是同時進行（例如不是同步地進行），可以根據需求自由的選擇。

在另一個示例性實施例中，控制器102沿著回饋路徑執行類比補償。例如，控制器102透過控制回饋電路104進行類比補償（例如下文中所說的增加回饋電阻RFB2）。

在第2圖中，有兩個回饋電阻RFB1和RFB2以及兩個開關SW1和SW2，它們形成了第1圖的回饋電路104。回饋電阻RFB1和開關SW1串聯連接。回饋電阻RFB2和開關SW2串聯連接。當輸出級AmpN處於正常模式時，開關SW1閉合並且開關SW2斷開，並且放大器的輸出端子（稱為VOL）經由回饋電阻RFB1耦合至輸入級Amp1（並且正常模式時，啟用運算放大器202而禁用運算放大器204。倒數第二個放大級Amp（N-1）透過運算放大器202耦合到放大器的輸出端子）。當輸出級AmpN處於衰減模式時，開關SW2閉合並且開關SW1斷開，並且運算放大器204的輸出端子206經由回饋電阻RFB2耦合至輸入級Amp1（並且衰減模式時，禁用運算放大器202並且啟用運算放大器204。倒數第二放大級Amp（N-1）透過運算放大器204和衰減電阻RA耦合到放大器的輸出端子）。回饋電阻RFB2的電阻可以特別設計為補償由於衰減電阻RA引起的訊號衰減。其中，衰減電阻RA的電阻大於負載電阻RL的電阻時，回饋電阻RFB2的電阻也大於第一回饋電阻RFB1的電阻，這樣可以透過衰減模式衰減雜訊，並且使用回饋電阻RFB2進行補償，同時保證正常模式下的放大器工作。其中衰減電阻RA的電阻是負載電阻的電阻的k倍（RA = k * RL）的示例中，回饋電阻RFB2的電阻是電阻RFB1的電阻的k倍（RFB2 = k * RFB1 ），k為大於1的數值。這樣使得在衰減雜訊時更加精確的對所期望輸出的訊號的補償（精確的對正常的輸出的訊號進行補償），從而防止因衰減雜訊而使得正常輸出的訊號也衰減的情形，因此透過電阻倍數的設置而使得正常輸出的訊號不會有衰減或衰減的較小。

由於衰減電阻RA引起的訊號衰減由回饋路徑引入的類比增益補償（其中類比增益即由回饋電阻RFB2來實現的增益）。

衰減電阻RA和回饋電阻RFB2都可以是可變電阻。當在衰減模式下操作輸出級AmpN時，控制器102逐漸（例如，逐步地）增加衰減電阻RA的電阻，並且因此，逐步地增加回饋電阻RFB2（可以同步地的增加衰減電阻RA的電阻和回饋電阻RFB2的電阻，使RFB2 = k * RFB1）。上述這種逐步地變化中，可以逐步地增加衰減電阻RA的電阻以衰減雜訊（減少雜訊），逐步地增加回饋電阻RFB2的電阻以補償所期望的訊號的衰減；這樣平緩的變化可以避免短時間大幅度變化造成的雜訊，提高用戶的使用感受。需要說明的是，上述逐步地增加衰減電阻RA的電阻與逐步地增加回饋電阻RFB2的電阻可以同時進行（例如同步地增加），也可以不是同時進行（例如不是同步地進行），可以根據需求自由的選擇。透過以上內容，衰減模式下，增加衰減電阻RA的電阻來衰減雜訊時，可以透過增加放大器輸入Sin的增益來補償所期望的輸出訊號，也可以透過增加回饋電阻RFB2的電阻來補充所期望的輸出訊號。

第2圖所示的放大器是I-V放大器，也即放大器輸入可以是電流，放大器輸出可以是電壓。然而，多模式輸出級AmpN也可以應用於V-V放大器，也即放大器輸入可以是電壓，放大器輸出可以是電壓。

具體地，控制器102可以在放大器100的輸出訊號VOL的零交叉點處在正常模式和衰減模式之間切換輸出級AmpN。例如，當使用放大器100作為耳機放大器時，在輸出訊號VOL的零交叉點切換輸出級AmpN的模式可帶來良好的使用者體驗（即無毛刺（glitch））。在放大器100的輸出訊號VOL的零交叉點處切換，電壓輸出接近0 (無訊號輸入時電路操作點)。此時切換電路造成的雜訊和毛刺會是最小的。

第3圖示出了輸出訊號VOL的波形。控制器102可以在零交叉點302、304、306、308和310處在正常模式和衰減模式之間切換輸出級AmpN。

控制器102可以根據從數位AFE 108獲得的有關放大訊號Sin的資訊來預測輸出訊號VOL的零交叉點。

具有使用衰減電阻RA的輸出級的任何放大器應該認為在本發明的範圍內。

儘管已經對本發明實施例及其優點進行了詳細說明，但應當理解的是，在不脫離本發明的精神以及申請專利範圍所定義的範圍內，可以對本發明進行各種改變、替換和變更。所描述的實施例在所有方面僅用於說明的目的而並非用於限制本發明。本發明的保護範圍當視所附的申請專利範圍所界定者為准。本領域技術人員皆在不脫離本發明之精神以及範圍內做些許更動與潤飾。

100:放大器； 102:控制器； 104:回饋電路； 106:DAC； 108:數位AFE； 110:加法器； 202、204:運算放大器； 206:輸出端子； 302、304、306、308、310:零交叉點。

透過閱讀後續的詳細描述和實施例可以更全面地理解本發明，本實施例參照附圖給出，其中：第1圖描繪了根據本發明示例性實施例的放大器100；第2圖示出了根據本發明示例性實施例的放大器100的細節；第3圖示出了輸出訊號VOL的波形。

100:放大器

102:控制器

104:回饋電路

106:DAC

108:數位AFE

110:加法器

Claims

一種放大器，包括：複數個放大級，級聯在該放大器的輸入端子和輸出端子之間，其中，該複數個放大級中的輸出級在正常模式和衰減模式之間切換；以及控制器，回應於放大器輸入低於閾值，將該輸出級從正常模式切換到衰減模式，其中：在該衰減模式下，該輸出級提供與該放大器的負載電阻串聯耦合的衰減電阻。
如申請專利範圍第1項所述的放大器，其中：該控制器在該放大器的輸出訊號的零交叉點將該輸出級從正常模式切換到衰減模式。
如申請專利範圍第1項所述的放大器，其中：該放大器輸入是來自數位類比前端電路的數位訊號，並轉換為類比形式，以由該放大器放大。
如申請專利範圍第3項所述的放大器，其中：該控制器控制該數位類比前端電路以數位方式補償由於該衰減電阻而引起的訊號衰減。
如申請專利範圍第4項所述的放大器，其中：該數位類比前端電路使用數位增益來數位補償由於該衰減電阻而引起的該訊號衰減。
如申請專利範圍第5項所述的放大器，其中：當該輸出級以衰減模式工作時，該控制器逐步增加該衰減電阻的電阻。
如申請專利範圍第6項所述的放大器，其中：當逐步增加該衰減電阻的電阻時，該控制器相應增加數位增益。
如申請專利範圍第1項所述的放大器，還包括：回饋電路，將該放大器的輸出訊號的回饋訊號耦合到該複數個放大級中的輸入級，其中，該控制器控制該回饋電路以補償由於該衰減電阻引起的訊號衰減。
如申請專利範圍第8項所述的放大器，其中：該控制器控制該回饋電路的電阻，以使用類比增益來補償由於該衰減電阻而引起的訊號衰減。
如申請專利範圍第9項所述的放大器，其中：當該輸出級以該衰減模式工作時，該控制器逐步增加該衰減電阻的電阻。
如申請專利範圍第10項所述的放大器，其中：當逐步增加該衰減電阻的電阻時，該控制器相應增加該回饋電路的電阻。
如申請專利範圍第1項所述的放大器，其中：該控制器回應該放大器輸入達到該閾值，將該輸出級從衰減模式切換到正常模式。
如申請專利範圍第1項所述的放大器，其中：該衰減電阻的電阻大於該負載電阻的電阻。
如申請專利範圍第1項所述的放大器，其中：該輸出級還包括在正常模式下啟用而在衰減模式下禁用的第一運算放大器和在正常模式下禁用並在衰減模式下啟用的第二運算放大器；當該輸出級處於正常模式時，倒數第二個放大級透過該第一運算放大器耦合到該放大器的輸出端；以及當該輸出級處於衰減模式時，該倒數第二個放大級透過該第二運算放大器和該衰減電阻耦合到該放大器的輸出端。
如申請專利範圍第1項所述的放大器，還包括：串聯連接的第一回饋電阻和第一開關；以及串聯連接的第二回饋電阻和第二開關，其中：當該輸出級處於正常模式時，該第一開關閉合，該第二開關斷開，該放大器的輸出端透過該第一回饋電阻耦接至該複數個放大級中的輸入級；以及當該輸出級處於衰減模式時，該第二開關閉合，該第一開關斷開，該衰減電阻的第一端子透過該第二回饋電阻耦合到該輸入級，而衰減電阻的第二端子耦合到該負載電阻。
如申請專利範圍第15項所述的放大器，其中：該衰減電阻的電阻大於該負載電阻的電阻；以及該第二回饋電阻的電阻大於該第一回饋電阻的電阻。
如申請專利範圍第15項所述的放大器，其中：該衰減電阻的電阻是該負載電阻的k倍；該第二回饋電阻的電阻是該第一回饋電阻的k倍；以及 k是大於1的數。