TW202143639A - D類放大器 - Google Patents
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Abstract
本發明公開一種D類放大器，包括：環路濾波器、脈寬調製訊號發生器、閘極驅動器、功率驅動器和回饋電路，用於建立閉合放大回路；其中，該回饋電路用於建立回饋路徑；以及回饋斷路器，回應於該D類放大器的無訊號資訊情況而中斷回饋路徑。
Description
本發明電路技術領域，尤其涉及一種D類放大器。
D類音訊放大器（class-D audio amplifier）基本上是開關放大器或脈衝寬度調製（pulse width modulation，PWM）放大器，在這種類型的放大器中，功率驅動器的金屬氧化物矽電晶體（metal–oxide–silicon transistor，MOS）完全導通或完全導通關斷，大大降低了輸出級的功率損耗，實現了高效率的放大。
有幾種將類比訊號轉換為PWM訊號以驅動功率驅動器MOS的方法，為了消除輸出濾波器，開發了BD調製開關技術。根據BD調製切換技術，對D類放大器的兩個輸出訊號VOP和VON之差的占空比進行調製，以使放大結果的平均內容與類比輸入訊號相對應。D類放大器是一個閉環電路，類比輸入訊號越大，兩個輸出訊號之間的差異越顯著。
然而，在BD調製中沒有訊號資訊情況，例如（VON，VOP）可以是（VDD，VDD）或（GND，GND）。在這些無訊號資訊情況下，儘管環路（loop）中沒有有意義的訊號，但雜訊被饋送到環路，從而降低了信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）。
在音訊應用中通常使用D類放大器。使用者無法忍受在無訊號資訊情況下饋入環路的任何小雜訊，如何處理無訊號資訊情況是D類放大器領域中的重要問題。
有鑑於此，本發明提供一種D類放大器，以解決上述問題。
根據本發明的第一方面，公開一種D類放大器，包括：
環路濾波器、脈寬調製訊號發生器、閘極驅動器、功率驅動器和回饋電路，用於建立閉合放大回路；其中，該回饋電路用於建立回饋路徑；以及
回饋斷路器，回應於該D類放大器的無訊號資訊情況而中斷回饋路徑。
本發明的D類放大器由於包括：回饋斷路器，回應於該D類放大器的無訊號資訊情況而中斷回饋路徑。因此本發明中，當訊號放大電路中沒有有意義的訊號時，不會透過回饋路徑將雜訊饋入訊號放大電路，信噪比性能得到了顯著改善。
以下描述是實施本發明的最佳構想模式。進行該描述是為了說明本發明的一般原理，而不應被認為是限制性的。本發明的範圍由所附申請專利範圍書確定。
圖1描繪了根據本發明示例性實施例的差分輸入和差分輸出架構中的D類放大器。 D類放大器包括環路濾波器102、脈寬調製（PWM）訊號發生器104、閘極驅動器106、功率驅動器108以及一對回饋電阻器Rfbp和Rfbn，它們（上述這些部件）配置為建立封閉的（或閉合）放大環路（closed amplification loop）。透過回饋電阻Rfbp和Rfbn建立閉合放大環路中的回饋路徑。D類放大器還包括一對開關RTO_SWp和RTO_SWn，以及邏輯電路110。邏輯電路110用於偵測D類放大器的無訊號資訊情況。當偵測到無訊號資訊情況時，邏輯電路110輸出開關訊號RTO_clk以分別將回饋電阻器Rfbp和Rfbn與D類放大器的正輸入端子Inp和負輸入端子Inn斷開。以此方式，回應於D類放大器的無訊號資訊情況，斷開閉合放大環路的回饋路徑。當訊號放大電路中沒有有意義的訊號時，不會透過回饋路徑將雜訊饋入訊號放大電路。因此，信噪比（SNR）性能得到了顯著改善。
如圖所示，D類放大器的輸入訊號（Iinp，Iinn）耦接到環路濾波器102。環路濾波器102耦接到PWM訊號發生器104。PWM訊號發生器104產生PWM訊號Vpwmp透過將來自環路濾波器102的訊號與鋸訊號Vsaw進行比較，可以得到Vpwmn和Vpwmn。閘極驅動器106將PWM訊號Vpwmp和Vpwmn轉換為控制訊號CSAp、CSAn、CSBp和CSBn。功率驅動器108包括由控制訊號CSAp、CSAn、CSBp和CSBn控制的H橋（H-bridge）電路，以驅動負載112。回饋電阻器Rfbp耦接在D類放大器的正輸出端子Vop和D類放大器的正端子輸入端子Inp之間。回饋電阻器Rfbn耦接在D類放大器的負輸出端子Von和D類放大器的負輸入端子Inn之間。在無訊號資訊情況下，PWM訊號Vpwmp可以等於PWM訊號Vpwmn。例如，在無訊號資訊情況下，（VON，VOP）可以是（VDD，VDD）或（GND，GND）。
如圖所示，邏輯電路110可以整合到閘極驅動器106中。邏輯電路110包括異或閘 （Exclusive-OR gate）114和延遲單元116。異或閘114接收PWM訊號Vpwmp和Vpwmn，異或閘114的輸出端耦接至延遲單元116。延遲單元116根據D類放大器的回應時間提供延遲時間。以這種方式，開關訊號RTO_clk具有適當的延遲。在放大電路中所有有意義的訊號都被放大之前，回饋路徑不會中斷。延遲單元116是可選裝置。
在另一示例性實施例中，對正輸出訊號Vop和負輸出訊號Von而不是對PWM訊號Vpwmp和Vpwmn進行異或計算。
圖2示出了根據本發明示例性實施例的圖1的D類放大器中的訊號的波形。
PWM訊號Vpwmp和Vpwmn的狀態反映在D類放大器的正輸出訊號Vop和負輸出訊號Von上。在無訊號資訊情況下，PWM訊號Vpwmp等於PWM訊號Vpwmn，因此正輸出訊號Vop等於負輸出訊號Von。根據異或計算，XOR（Vpwmp，Vpwmn）或XOR（Vop，Von），將偵測到Vpwmp和Vpwmn的狀態相同。在取決於D類放大器的回應時間的延遲之後，產生開關訊號RTO_clk。當開關訊號RTO_clk為高時，開關RTO_SWp和RTO_SWn斷開。回饋路徑已斷開。雜訊不會透過回饋路徑饋入訊號放大電路。在無訊號資訊情況下，此時環路中沒有有意義的訊號，本發明斷開回饋路徑使得雜訊無法被饋送到環路濾波器102的輸入端，因此在無訊號資訊情況下沒有饋入環路的雜訊，例如在耳機的應用環境中，本發明的方式可以避免在無訊號資訊情況下用戶受到的任何小雜訊的干擾。其中沒有意義的訊號可以是非正常播放音樂或聲音的訊號，或者沒有聲音訊號，或者沒有聲音時偶爾的雜音等等。
圖3描繪了根據本發明示例性實施例的單端輸入和單端輸出架構中的D類放大器。 D類放大器包括環路濾波器302、PWM訊號發生器304、閘極驅動器306、功率驅動器308和回饋電阻器Rfb，它們配置為建立閉合的放大環路（閉合放大環路）。透過回饋電阻Rfb建立閉合放大環路中的回饋路徑。 D類放大器還包括開關RTO_SW和邏輯電路310。邏輯電路310用於偵測D類放大器的無訊號資訊情況。當偵測到無訊號資訊情況時，邏輯電路310輸出開關訊號RTO_clk以分別將回饋電阻器Rfb與D類放大器的輸入端子In斷開。以此方式，回應於D類放大器的無訊號資訊情況，閉合放大環路的回饋路徑被斷開。當訊號放大電路中沒有有意義的訊號時，不會透過回饋路徑將雜訊饋入訊號放大電路。因此，信噪比（SNR）性能得到了顯著改善。
如圖所示，D類放大器的輸入訊號Iin耦接到環路濾波器302。環路濾波器302耦接到PWM訊號發生器304。PWM訊號發生器304透過比較產生PWM訊號Vpwmp和Vpwmn來自環路濾波器302的訊號帶有鋸齒訊號Vsaw。閘極驅動器306將PWM訊號Vpwmp和Vpwmn轉換成控制訊號CSp和CSn。功率驅動器308包括電晶體Mp、Mn和Mcm。電晶體Mp由控制訊號CSp控制，並耦接在電源端子（VDD）和D類放大器的輸出端子VOUT之間。電晶體Mn由控制訊號CSn控制，並耦接在D類放大器的輸出端子VOUT和負電源端子（-VDD）之間。電晶體Mcm由控制訊號CScm控制（例如，當PWM訊號Vpwmp和Vpwmn處於相同值時設為有效（asserted）（例如高電位等）），並且耦接在D類放大器的輸出端子VOUT和D類放大器的共模節點（GND）之間，GND可以是接地。功率驅動器308驅動負載312。回饋電阻器Rfbp耦接在D類放大器的輸出端子VOUT與D類放大器的輸入端子In之間。在無訊號資訊情況下，PWM訊號Vpwmp可以等於PWM訊號Vpwmn。例如，在無訊號資訊情況下，（Vpwmp，PWM）可以是（VDD，VDD）或（GND，GND）。
如圖所示，邏輯電路310可以整合到閘極驅動器306中。邏輯電路310包括異或閘314和延遲單元316。異或閘314接收PWM訊號Vpwmp和Vpwmn，異或閘314的輸出端耦接至延遲單元316。延遲單元316根據D類放大器的回應時間提供延遲時間。以這種方式，開關訊號RTO_clk具有適當的延遲。在放大電路中所有有意義的訊號都被放大之前，回饋路徑不會中斷。延遲單元316是可選裝置。
圖4示出了根據本發明示例性實施例的圖3的D類放大器中的訊號的波形。
在無訊號資訊情況下，PWM訊號Vpwmp等於PWM訊號Vpwmn，使得正輸出訊號Vop等於負輸出訊號Von。根據異或計算XOR（Vpwmp，Vpwmn），偵測到Vpwmp和Vpwmn的狀態相同。在取決於D類放大器的回應時間的延遲之後，產生開關訊號RTO_clk。當開關訊號RTO_clk為高時，開關RTO_SW斷開。回饋路徑已斷開。雜訊不會透過回饋路徑饋入訊號放大電路。
在D類放大電路中可以有各種修改。 具有以下组件的任何D類放大器應被認為在本發明的範圍內。 所提出的D類放大器包括環路濾波器、脈寬調製訊號發生器、閘極驅動器、功率驅動器和回饋電路，它們被配置為建立閉合放大環路。回饋電路被配置為建立回饋路徑。所提出的D類放大器還包括回饋斷路器。回饋斷路器回應於D類放大器的無訊號資訊情況而中斷回饋路徑。
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。
102,302:環路濾波器
104,304:脈寬調製訊號發生器
106,306:閘極驅動器
108,308:功率驅動器
110,310:邏輯電路
112,312:負載
114,314:異或閘
116,316:延遲單元
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：
圖1示出了根據本發明的示例性實施例的差分輸入和差分輸出架構中的D類放大器；
圖2示出了根據本發明示例性實施例的圖1的D類放大器中的訊號的波形；
圖3描繪了根據本發明的示例性實施例的單端輸入和單端輸出架構中的D類放大器； 以及
圖4示出了根據本發明示例性實施例的圖3的D類放大器中的訊號的波形。
102:環路濾波器
104:脈寬調製訊號發生器
106:閘極驅動器
108:功率驅動器
110:邏輯電路
112:負載
114:異或閘
116:延遲單元
Claims (13)
- 一種D類放大器，包括： 環路濾波器、脈寬調製訊號發生器、閘極驅動器、功率驅動器和回饋電路，用於建立閉合放大回路；其中，該回饋電路用於建立回饋路徑；以及 回饋斷路器，回應於該D類放大器的無訊號資訊情況而中斷回饋路徑。
- 如請求項1之D類放大器，其中： 該D類放大器的輸入訊號耦接至該環路濾波器； 該環路濾波器耦接至該脈寬調製訊號產生器； 該脈寬調製訊號發生器產生第一脈寬調製訊號和第二脈寬調製訊號； 該閘極驅動器將該第一脈寬調製訊號和該第二脈寬調製訊號轉換為控制訊號； 該功率驅動器由該控制訊號控制以驅動負載；以及 該回饋電路耦接在該功率驅動器和該環路濾波器之間，以建立該回饋路徑。
- 如請求項2之D類放大器，其中： 在該無訊號資訊情況下，該第一脈寬調製訊號等於第該二脈寬調製訊號。
- 如請求項3之D類放大器，其中： 該回饋斷路器包括邏輯電路和開關電路； 該邏輯電路偵測該無訊號資訊情況；以及 當偵測到該無訊號資訊情況時，該邏輯電路輸出開關訊號來切換該開關電路，以斷開回饋路徑。
- 如請求項4之D類放大器，其中： 邏輯電路包括異或閘，該異或閘接收該第一脈寬調製訊號和該第二脈寬調製訊號，以輸出該開關訊號。
- 如請求項5之D類放大器，其中： 該邏輯電路整合到該閘極驅動器中。
- 如請求項5之D類放大器，其中： 該邏輯電路還包括延遲單元，該延遲單元根據D類放大器的回應時間來延遲該開關訊號。
- 如請求項4之D類放大器，該D類放大器是差分輸入和差分輸出放大器，其中： 該回饋電路包括：第一回饋電阻，耦接在該D類放大器的正輸出端子與該D類放大器的正輸入端子之間；以及第二回饋電阻，耦接在該D類放大器的負輸出端子與該D類放大器的負輸入端子之間； 該開關電路包括：第一開關，用於將該第一回饋電阻器與該D類放大器的正輸入端子斷開；以及第二開關，用於將該第二回饋電阻器與該D類放大器的負輸入端子斷開。
- 如請求項8之D類放大器，其中： 該功率驅動器包括H橋電路。
- 如請求項9之D類放大器，其中： 該邏輯電路包括異或閘，該異或閘接收該第一脈寬調製訊號和該第二脈寬調製訊號，以輸出該開關訊號；以及 該第一開關和該第二開關透過該開關訊號斷開。
- 如請求項4之D類放大器，該D類放大器是單端輸入和單端輸出放大器，其中： 該回饋電路包括回饋電阻，該回饋電阻耦接在該D類放大器的輸出端子與該D類放大器的輸入端子之間；以及 該開關電路包括可操作以將該回饋電阻器與該D類放大器的輸入端子斷開的開關。
- 如請求項11之D類放大器，其中，該功率驅動器包括由該閘極驅動器控制的第一電晶體、第二電晶體和第三電晶體，其中： 該第一電晶體耦接在該D類放大器的電源端子與輸出端子之間。 該第二電晶體耦接於該D類放大器的輸出端子與負電源端子之間。和 該第三電晶體耦接在該D類放大器的輸出端子與D類放大器的共模節點之間。
- 如請求項12之D類放大器，其中： 該邏輯電路包括異或閘，該異或閘接收該第一脈寬調製訊號和該第二脈寬調製訊號以輸出該開關訊號；以及 透過該開關訊號打開該開關。
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