TW565994B

TW565994B - Self-operating PWM amplifier

Info

Publication number: TW565994B
Application number: TW091122162A
Authority: TW
Inventors: Masao Noro
Original assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2003-12-11
Also published as: JP3941443B2; KR100594553B1; KR20030027801A; US20030058039A1; US6707337B2; JP2003110375A

Description

565994 A7 B7 五、發明説明（1 ) 發明背景本發明大致上關於自行運作，或自行操作PWM(脈衝寬度調變）放大器，及尤其一種其可以適用於放大音頻信號之新自行操作PWM放大器。在所謂等級D放大器之實例之間係自行運作，或自行操作 PWM放大器。圖11揭示一種習知自行操作PWM放大器之一普通配置。在圖式中，自行操作PWM放大器包含一積分器電路，其包含一運算放大器301，及連接於運算放大器301 之一反相（負）輸入終端，及一輸出終端之間之一電容器302 、其包含電阻器R1及R2，及一運算放大器3 03之一比較器、一驅動器304，及運作如一切換電路之一 CMOS反相器305。如在圖16中說明揭示，在CMOS反相器305中，一PM0S電晶體600，及一 NM0S電晶體601之汲極係互相連接，及在這些及極之間之接點係連接於一輸出終端603，及在這些閘極之間之接點係連接於一輸入終端602。進一步，在NM0S電晶體60 1之源極係連接於另外電源電壓-Vcc時，PM0S電晶體600之源極係連接於一電源電壓+ Vcc。耦合CMOS反相器305之輸出終端，通過包含一電感L1，及電容器C1之一低通濾波器，到其係PWM放大器之負載之一制3 0 6之一輸入終端，及接地剩q/\ 3 0 6之另外輸入終端。另夕卜，CMOS反相器305之輸出終端係通過電阻器R2，耦合於運算放大器3 03之一非反相（正）輸入，及也通過一回授電阻器Rw，耦合於運算放大器30 1之一非反相輸入終端，組成積分器電路。本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

裝

565994 A7 |___B7 五、發明説明（2 ) 積分器電路之運算放大器3〇1之輸出終端係通過電阻器R1 ，耦合於比較器之運算放大器303之一非反相輸入終端。進步彳°號源3〇〇係通過一輸入電阻器，轉合於運算放大為J 0 1之一反相輸入終端，及運算放大器3 〇丨之非反相輸入終端，及運算放大器303之反相輸入終端，各個終端係接地。整體來看，依據上面說明方法配置之圖丨丨之自行操作 PWM放大器，功能如具有相應於一 Rnf/Rw之電阻比率之〆增益之一反相放大器。即，在本自行操作pwM放大器中，通過包含運算放大器301，及電容器3〇2之積分器電路，積刀在彳之fa號源J 0 〇通過輸入電阻器心N輸入之一類比信號（音 ja號）V!N，及從c Μ〇S反相器3 0 5通過回授電阻器rn F負回扠之一輸出彳§號（切換信號）之間之一差異，及藉由包含電阻态R 1，R2及運异放大器3 03之遲滯比較器，轉換從積分器電路產生之積分輸出成為一二進位PWM(脈衝寬度調變）信號。進一步’在自行插作p W Μ放大器中，藉由驅動器電路 304放大PWM信號，及驅動器電路3〇4根據pWM信號之偏壓，驅動CMOS反相器305用於切換操作。來自CM〇S反相器 3 0：)之輸出係不僅通過包含電感L丨，及電容器c丨之低通濾波器提供到一喇队306，但是也通過回授電阻器Rni負回授到運异放大為3 0 1之反相輸入終端組成積分器電路。在本方法中’ P W Μ放大器可以自行操作。在沒有從信號源3 00輸入類比信號V|N到積分器電路之運具放大态j〇 1時，來自功能如一切換電路之CM〇S反相器305 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 565994 五、發明説明（3 ) 之一輸出電壓V3，如藉由在圖12中口 τ I 湿綠及貫線指示利〇%工作週期’在電源電麼+Vcc(即“高位準”)之位準，及電源電壓-Vcc(即“低位準，，）之位準之間切換。卞么因=積分器電路組成之運算放大器3〇1之非反相輸入終端固义於0 V ’在來自CM〇S反相器305之輸出電壓V3係在南位準時’來自積分器電路之運算放大器3qi之—輸出電壓 V1依據具有-段之時脈之一負方向(下降)增加，積分來自CMOS反相器305之輸出電壓V3。在已切換來自c讓反譲〇5之輸出電壓V3於低位準時’來自積分器電路之運算放大器3〇1之輸出電壓V1 ’依據-正方向(上升)增加。然後 ’來目CM〇S反相器305之輸出電壓V3出現如藉由在圖12中之一虛線指示之一三角形電壓波形。如來自積分器電路之輸出電壓…依據負方向（下降）增加 ’到組成遲滯比較H之運算放u3Q3之非反相輸人終端之一輸入電壓V2，也依據負方向增加。因為來自CMOS反相器305之輸出電壓V3，切換到如運算放大器3〇3之輸入電壓 V2下降到〇 v之低位準，通過電阻器R2正回授到運算放大器3 03之非反相輸入終端。因此，到運算放大器3〇3之非反相入、知之軚入電壓V2係依據負方向，快速下降到藉由來目積分器電路之目前輸出電壓V1、來自CM〇s反相器3〇5 之輸出電壓V3，及在電阻器R1及民2之間之電阻比率決定之一位準。然後，如來自積分器電路之輸出電壓V1依據正方向增加，到運异放大态3 03之非反相輸入終端之輸入電壓V2增加。本紙張尺度適财g S家標準(CNS) A4規格(21〇^97公爱) 565994 A7 B7 五、發明説明（4 ) 因為采自CMOS反相^Ij05之輸出電壓V3，切換到如運算放大為303之輸入電壓V2上升到〇 v之高位準，通過電阻器正回授到運算放大器3 03之非反相輸入終端。因此，到運算放大器303之非反相輸入終端之輸入電壓V2係快速上升到藉由來自積分器電路之目前輸出電壓VI、來自CM〇S反相器 3〇5之輸出電壓V3，及在電阻器R1&R2之間之電阻比率決定之一位準。在本方法中’到運算放大器3〇3之非反相輸入終端之輸入電壓V2藉由藉由在圖12中之一實線指示改變。在另外方面’在從信號源3 〇〇輸入一類比信號vIN到運算放大器30〗組成積分器電路時，電容器3〇2以一速率或利用相應於其中輸入j吕號之位準之一傾角’重複電充電及放雪操作，以使運算放大器301之輸出電壓V1出現藉由在圖13中之一虛線指示之一波形。在那個時脈期間，CM〇S反相器 305輸出一二進位信號，類似於一pwM信號，具有相應於輸入類比信號VIN(藉由在圖13中之一實線指示）之位準，及在高及低位準之間改變之脈衝寬度。 PWM放大器通常利用一高頻率載波信號調變一輸入信號，及因此，在這種共同安裝二個或更多之立體音響頻道於一單一半導體晶片上之放大器之一狀態中，放大器試圖產生車父大於在安裝於晶片上之線性放大器之間之共同干擾。這種在放大為之間之較大干擾通常在載波頻率之間將引起干擾及衝擊，因此導致改變之不方便，例如一貧乏比率。雖然在積分^電路之輸入側，p w M放大器可以具有用於 -8- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) —— 565994

貝回杈放大态輸出，以減少一失真係數之一回授迴路，因士載波頻率之出現’其不可以如藉由線性放大器允許，在見須率頻π上楗供回授，以使PWM放大器產生一較大失真係數。發明概述在刖面之觀點巾’提供一種新自行操作pwM放大器，在共同安裝複數個這種放大器之狀態中，可以最小化在放大叩之間之干擾，及完成一改進失真係數特性係本發明之一目白勺。為完成上面提到之目的，本發明提供一種新自行操作 PWM放大态’ #包含具有輸入從_第一信號源提供之一第一類比信號，及PWM放大器之放大輸出之-負回授信號之一弟一輸入終端，及輸入從一第二信號源提供之一第二類比L t及PWM放大為之放大輸出之一負回授信號之一第二輸入終端之一差動積分器電路。第二類比信號具有如第一類比信號，但是在相位格式方面相對之一相同振幅，及差動積分器電路輸出二個不同極性之積分信號，藉由積分在第一類比信號，及輸入到第一輸入終端之負回授信號之間之一差異，及在第二類比信號，及輸入到第二輸入終端之負回授信號之間之一差異。自行操作pWM放大器也包含具有二個差動輸入終端之一 it較器，其提供正回授說明遲滯特性。比較器比較二個藉由差動積分器電路輸出之積分信號，及藉此輸出一 PWN4信號。自行操作pWM放大器進一步包含：一第一切換電路，具有一對連接於第一及第二電 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 565994 五、發明説明（ :之間之切換元件’在連接於負載之-輸入終端之切換元件之間之一接點；一筮_ 弟一切換u路，具有一對連接及第二電源之間之切拖分此 + 弗山換兀件，在連接於負載之另外輸入终端之切換元件之間之_ 、之接點，一第一驅動器電路，其從比較器傳送P WM信於釗筮一 +仏 JU弟一刀換％路；及一第二驅動器電路 ’其從比較器傳送PWM信號到第二切換電路。 ^本&月之自仃插作PWM放大器中，配置整體電路如平衡電路’以接收平衡之輸入信號及產生平衡之輸出信號。本平衡電路配置方法可以減少外部雜訊之干擾，及可以最小化在共同安裝複數個這種放大器之一狀態中之干擾。進一步’藉由平衡電路允許之自行操作PWM放大器之平衡操作，可以有效消除偶數序列譜波之失真，及因此完成一改進失真係數特性。而且，提供利用正回授之配置方法於比权^二個差動輸人终端，卩預定比較時脈到比較器之輸入乜壓可以係0 V ’以使比較器可以以低電壓操作。、本發明之自行操作PWM放大器可以進_步包含：連接於差動積分器電路之第一輪人故Λ山，只Μ 弟輸入終鈿及弟一切換電路之一輸出終端之間之一第一回授電S:連接於差動積分器電路之弟二輸入終端’及第二切換電路之一輸出终端之間之-第二回授電4。在此’通過第一回授電路傳送放大輸出之負回授信號到差動積分器電路之第一輸入終端，及也通過第二—回授電路傳送放大輸出之負回授信號到差動積分器電路之弟—入終端。在-實施例中’第一切換電路之輸出终端係通過用於評 .10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇χ 297公釐) 裝訂線 565994

估一载波頻率元件之一第一低通濾波器，連接於負載之一輸入終端，及第二切換電路之輸出終端係通過用於評估一載波頻率元件之一第二低通濾波器，連接於負、栽之其它輸入終端。垂動積分器電路較佳包含··一同相回授類型運算放大器，其具有一對包含反相及非反相輸入終端之差動輪入終端，其係分別輸入第一類比信號，及回授信號，及第二類比信號，及回授信號，及.一對包含二個反相輸出終端之差動輸出終端，其輸出二個不同極性之積分信號；及分別連接於反相輸入終端，及運算放大器之一反相輸出終端之間，及在非反相輸入終端，及運算放大器之其它反相輸出終端之間之積分電容器。因為利用具有一對差動輸入終端，及一對差動輸入出終端之同相回授類型運算放大p，如差動積分器電路之一運算放大器，差動積分器電路可以依據一完全平衡方法操作，其可以同樣進一步減少外部雜訊之干擾。即二如果以其它方法配置，因為積分器電路具有高阻抗之事實，積分器電路將非常敏感於外部雜訊之干柃，積分器電路係自行操作PV/M放大器之一初級兩故 ^ 容器以-高頻率重複重新充電/放電操作 '然而，因為如上 …一…·— 一认州土 < # /八八化钒行本發明器電路，其具有差動輸入終端及差動輸出終端，及據一完全平衡方法操作’本發明可以有致減少外部干擾及以低電壓操作。在-實施例中’具有遲滞特性之比較器包含—同相回授 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)

裝訂

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類型運算放大器，具有一對其係輪铨ψ ♦ - π # \ ‘由差動積分器電路輸出之一個積分信號之差動輸入。峪 & - / 、而’及一對用於藉由卜卜車乂一個積分信號，輸出正及負相位狄α 之P W Μ信號之差動輪屮終端。因為藉由具有差動輸入終端力輸出相回授類型運算放大器執行本發、门分城— 之積分器電路，苴可以依據元全平衡之方法操作，及本外部雜訊之干擾。 ”以同樣進-步減少各個第一及第二回授電路較佳包冬· 々。·用於通μ 一提供到貝載之放大輸出信號之一高頻率元 μ十夂一弟一回授迴路，及用於通過-提供到負載之放大輸出信號之一低頻率元件之一第二回授迴路。利用本配置方法，本發明在寬（低到Μ 頻帶之輸入信號上’完成一改進之S/N比率及失性。下面將說明本發明之實施例，但是應該暸解本發明係不限於說明實施例，及沒有離開本發明之基本原理，允許本發明之一些修改。本發明之範圍係因此僅藉由附加申請專利範圍決定。圖式簡單說明用於本發明之目的及其它特性之較佳暸解，在下面將依據參考於圖式之較多細節說明較佳實施例，其中：圖1係揭示本發明之一第一實施例，一自行操作PWM放大器之一普通配置圖；圖2 i*r、杨示在圖1之弟一貫施例中，在^ 一差動積分器電路中利用之一運算放大器之詳細配置圖； -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4规格(210 X 297公釐) 565994 A7 B7 五、發明説明（9 ) 圖3係揭示圖1之第，實施例中利用之信號源之詳細配置圖；圖4 A及4 B係在圖1之第一實施例中之一些元件之操作之說明波形圖；圖5係揭示本發明之/第二實施例，一自行操作PWM放大器之一普通配置圖；圖6係揭示在圖5之第二實施例中利用之一比較器之詳細配置圖；圖7係揭示在第三實施例中利用之回授電路之詳細配置圖；圖8係揭示來自施加回授電路之本發明之實施例之放大輸出之頻率特性圖；圖9係揭示本發明之一第三實施例，一自行操作PWM放大器之一普通配置圖；圖1 0係揭示藉由施加圖7之回授電路於一習知自行操作 P W Μ放大器，配置之本發明之另一實施例圖；圖1 1係揭示一習知自行操作PWM放大器之一普通配置圖；圖丨2係在圖1 1之習知自行操作Pwm放大器中，在沒有類比信號輸入到放大器之一積分器電路時，一些元件之操作說明波形圖；圖丨3係在圖1 1之習知自行操作Pwm放大器中，在類比信號係輸入到放大器之積分器電路時，一些元件之操作之說明波形圖；圖丨4係揭示在習知自行操作放大器上之一改進之一實例之電路圖， -13- :297公釐） 565994 A7 ___ B7 _____— __ 五、發明説明（1〇 ) 圖15係揭示自行操作PWM放大器之所有電路’除比杈為之外之配置之另外實例之電路圖；及圖16係揭示在使用如在自行操作PWM放大器之輸出級中之切換元件之一 CMOS反相器中，在元件之間之連接之一電路圖。發明之詳細說明_ 在進入本發明之較佳實施例之一詳細說明之前’參考於圖14 ’將產生關於在習知自行運作，或自行操作P W Μ放大器上之一改進之一實例之一概略說明。圖14之改進自行操作PWM放大器具有在所謂BTL(平衡變壓器減少）之配置之基礎上，配置以輸出一放大信號之一輸出級，及這一種BTL 類型輸出信號係通過一差動放大器部分，正回授到其組成 PWM放大器之一輸入級之一積分器電路之一輸入側。尤其在圖14中，自行操作PWM放大器包含積分器電路，其係包含一運算放大器301，及連接於運算放大器301之一反相輸入終端，及一輸出終端之間之一電容器302、其包含電阻器R3及R4，及一運算放大器3 1 0之一比較器、一信號反相器3 1 2，及各個運作如一切換電路之CMOS反相器3丨1、 3 1 3。依據類似於圖1 6之CMOS反相器之一方法配置各個 CMOS反相器 31 1、313。 C Μ〇S反相器3 1 3之輸出終端係通過包含電感L 1，及電容器C 1之一第一低通濾波器，耦合於其係PWM放大器之負載之一喇叭3 06。同樣，CM0S反相器3 1 1之一輸出終端係通過包含電感L 1，及電容器C 1之一第二低通濾波器，輕合於負 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐） 565994 A7 B7 五、發明説明（11 ) 載或味卜八306之其它輸入終端。在CMOS反相器3 I 3之輸出終端係也轉合於差動放大器部分之其它輸入終端時，CMOS反相為J】1之輸出終端係也耦合於其包含電阻器、R6、R7 、R8 ’及運算放大器3 1 4之差動放大器部分之一輸入終端。進一步，差動放大器部分之一輸出終端，即運算放大器 3 1 4之輸出終端’通過一回授電阻器，耦合於運算放大器30 1之一反相輸入終端’組成積分器電路。運算放大器 30 1之反相輸入終端係通過一輸入電阻器rin，連接於一信號源300。整體來看，圖14依據上面說明之方法配置之自行操作 PWM放大器’功能如具有相應於一 rnf/r⑴之電阻比率之一增益之一反相放大器，類似於圖1丨之自行操作PWM放大器。然而’在圖14之自行操作PWM放大器中，配置各個功能如提供電源到負載，或喇叭306之一切換電路之CMOS反相器3 1 1，及3 13以產生BTL類型輸出。各個CMOS反相器3 1 1 ，及3 1 3之輸出信號，其係根據從包含電阻器r3、R4，及運算放大器3 1 0之比較器輸出之一 PWM信號之偏壓驅動，傳送其到包含電阻器R5、R6、R7、R8，及運算放大器3 14之差動放大器部分。在因此傳送到差動放大器部分之二個輸入終端之信號之間之一差異之電壓比例，通過回授電阻器rnt ，回授到運算放大器301之反相輸入終端，以使pwM放大器可以自行操作，即，依據一自行運作格式。進一步，圖1 4之自行操作PWM放大器係依據各個（來自 C Μ〇S反相器』1丨’及j 1 之輸出k號）B T L類型輸出信號， -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 565994

通過差動放大器部分’負回授到積分器電路之輸入側之這一種方法配置，PWM放大器在消除部分之外部雜訊方面係可以更或較不有效。然而，包含電容器3〇2，及運算放大器 301之積分器電路’及包含電阻器，、以，及運算放大器 J 1 0之比較為，以一高頻率執行切換操作，其試圖在這些不可以4除之4分中產生雜訊。因此，在複數個頻道之這種 PWM放大态係共同安裝於一單一半導體晶片上之一狀態中 ’即使圖1 4之改進不可以提供對在p wm放大器之間之干擾之問題之一解決。圖15揭示在習知自行操作Pwm放大器上之一改進之另外實例’其特徵在於係依據一差動方法配置所有電路，除一比較器之外。尤其’圖1 5之改進自行操作pWM放大器包含 :包含一運算放大器401，及一電容器402之一第一積分器電路；包含一運算放大器403，及一電容器404之一第二積分器電路；包含電阻器405、406、407、408，及一運算放大器409之一比較器；一反相器410 ; CMOS反相器41 1、412 ;及一對包含電感L 1，及電容器C 1之低通濾波器，其連接於C Μ〇S反相器4 11、4 1 2之相應輸出終端，及一負載或味卜八 306之相應輸入終端之間。在CMOS反相器412之一輸出終端係通過另夕卜回授電阻器，，耦合於運算放大器403之一反相輸入終端，組成第二積分器電路時，CMOS反相器4 1 1之輸出終端係通過一回授電阻器Rn 1，耦合於運算放大器40 1之一反相輸入終端，組成第一積分器電路。運算放大器40 1及403之扑反相輸入終 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 565994 A7 B7

端係互相連接及然後接地。運算放大器4〇 i之反相輸入終蠕係通過一輸入電阻器R[N，連接於一信號源4〇〇，及運算敌大器403之反相輸入終端係通過另外輸入電阻器r[n，連接於其它信號源40 1。信號源4 0 0係用於提供一類比信號之一來源，及其它信號源40 1係用於提供其具有相同振幅，但是在相位方面相對於從信號源400提供之類比信號之一類比信號之一來源。圖15之自行操作PWM放大器，其中分別藉由二個運算放大器配置以一高頻率操作之積分器電路，不可以有效消除外部雜訊，雖然其可以顯現在消除外部雜訊方面係更或較不有效。這係因為在此利用之運算放大器係一習知類型，及因此這種電路配置不可以適用於處理同相輸入信號。即 ’如果具有在施加於運算放大器之正及負電源電壓中之一細微改變，或如果同相輸入信號係施加於運算放大器，運具放大為4 0 1之輸出組成之第一積分器電路，及運算放大器 403之輸出組成之第二積分器電路，二者依據相關於一參考電壓之正方向增加，及試圖固定於給定位準，以使必要之積分标作係不可以想要停止，及因此運算放大器4〇9也不可以再執行比較器功能。即’僅組成如平衡電路之自行操作PW μ放大器之電路，不可以允許自行操作PWM放大器適當操作。已經依據前面之觀點完成本發明，及將依據下面之細節說明：現在，參考於圖丨，將產生關於一種根據本發明之一第一實施例之自行操作PWM放大器之一詳細說明。在圖|中，本 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)

訂

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發明之自行操作PWM放大器包含—差動積分器電…―比較器2、驅動器電路3-1、3-2、切換電路扣丨、仁2，及〆對低通濾波器，各個濾波器包含一電感u，及電容器ci，連即放大器之一之負載之個別輸入終端，及切換電路4 -1、4 - 2之間。

装差動積分器電路1包含一同相回授類型之運算放大器1 〇。運异放大器10具有一對差動輸入終端，即反相輸入終端川― ，及非反相輸入終端ΙΝ+，其係輸入類比信號，及pwM放大器之放大輸出之回授信號，及一對差動輸出終端，即反相輸出終端OUT-與〇UT>。差動積分器電路i包含連接於反相輸入終端IN- ’及運算放大器10之反相輸出終端〇υτ+之間之一積分電容器1 1，及連接於非反相輸入終端ίΝ+，及運算放大器10之反相輸出終端〇UT-之另外積分電容器12。

進一步”在圖1之自行操作PWM放大器中，比較器2包含葸阻态21、22、23、24及運算放大器20。在運算放大器2〇之一反相輸入終端係通過電阻器2 4 ,連接於運算放大器1 〇之反相輸出終端OUT-時，運算放大器20之非反相輸入終端係通過電阻器22 ’連接於差動積分器電路1之運算放大器j 〇之反相輸出終端〇UT+。而且’運算放大器20之非反相輸出終端係通過電阻器2 1 ，連接於切換電路4-1之一輸出終端，及運算放大器2〇之反相輸出終端係通過電阻器23，連接於切換電路4-2之一輸出終端。因此，從切換電路4-1及4-2之輸出終端提供正回授到運算放大器20之差動輸入終端，以便於配置具有遲滯特性之比較器2。 -18 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 565994 A7 B7 五、發明説明（15 ) 在其它驅動器電路3 -2包含互相串聯之反相器3 1及3 2時，驅動器電路3 -1包含一反相器3 0。在驅動器電路3 - 2之一輸出終端係耦合於包含CMOS反相器4 1之切換電路4-2之一輸入終端時，驅動器電路3 -1之輸出終端係耦合於包含CMOS反相器4〇之切換電路4-1之一輸入終端。各個CMOS反相器40及41係類似於圖16之CMOS反相器，其中一 PM0S電晶體之源極係連接於一正電源電壓+vcc，及一 NM0S電晶體之源極係連接於一負電源電壓_vcc。進一步，PMOS電晶體及NM0S電晶體之閘極係互相連接，以使提供在這些P Μ 0 S及N Μ 0 S電晶體之源極之間之接點，如考慮中之CMOS反相器之輸入終端，及pm〇S電晶體及NM0S電晶體之>及極係互相連接’以使提供在這些pm〇s&nm〇s電晶體之汲極之間之接點’如考慮中之CMOS反相器之輸出終端。在CMOS反相器41之輸出終端係通過回授電阻器Rnf，搞合方；運异放大态1 0之非反相輸入終端1N +，功能如一第二回授電路時，CMOS反相器40之輸出終端係通過一回授電阻器 Rn 1，耦合於差動積分态電路1之運算放大器1 〇之反相輸入終端1N - ’功能如一第一回授電路。運异放大态1 0之反相輸入終端IN -係通過一輸入電阻器r 1 n ，連接於一信號源50之一輸出終端6〇，及運算放大器]〇之非反相輸入終端1N +係通過另外輸入電阻器民…，連接於其它信號源3 1之一輸出終端6 1。互相連接信號源5〇及5丨之個別其它輸出終端接地。 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公董) 565994

t號源5]係用於提供一類比信號（音訊信號）之一來源，及 /、匕L 源5 1係用於提供其具有相同振幅，但是在相位方面相對於從信號源50提供之類比信號之一類比信號之一來源。貫際上，依據如在圖3中說明之方法配置信號源5〇及51。即，信號源50包含一外部信號源部分5〇〇，及其緩衝來自信唬源DO之一輸出信號，及然後輸出因此緩衝之信號到信號源5〇之輸出終端60之一緩衝器5〇1。配置其它信號源51如包含電阻器511、5 12，及一運算放大器51〇之一反相放大器，以使其接收緩衝器50 1之輸出信號，及然後輸出一轉換（反相版本）之接收信號到輸出終端6 i。進一步，在圖1之自行操作PWM放大器中，所有元件，除上面提到之化號源部分5 00之外’該對包含電感[1，及電容态C 1之低通濾波器，及喇叭5 2係共同安裝於一單一半導體晶片上。圖2揭示差動積分器電路丨之運算放大器1〇之詳細配置。配置運异放大器1 〇 ’如具有差動輸入終端，及差動輸出終端之一同相回授類型運算放大器。尤其，運算放大器丨〇具有非反相輸入終端（IN+ ) 1 00、反相輸入終端（in-) 1 〇 1、非反相輸出終端（〇UT + ) 1 02及反相輸出終端（〇υτ·) 1 〇3，及一參考電壓設定終端104。 PM0S電晶體P 1及P2之閘極係分別連接於非反相及反相輸入終端（[Ν十、1Ν-)100及101，PM0S電晶體π之汲極係連接於一 NM0S電晶體Ν1之沒極，及PM0S電晶體Ρ2之汲極係連 -20- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) 565994 A7 B7 五、發明説明（17 ) 接於另外NMOS電晶體N2之汲極。進一步，PMOS電晶體P1 及P2之源極係互相連接，通過一電流源106，耦合於在其上面提供電源電壓+Vcc之一電源線。電阻器R 1及R2之串聯電路具有連接於反相輸出終端1 02，及反相輸出終端1 0 3之間之一相同電阻數值，及在電阻器R 1 及R2之間之接點X連接於PMOS電晶體P3之閘極；假設接點 X具有中間電位Vn。進一步，參考電壓設定終端104係連接於PMOS電晶體P4 之閘極，及PMOS電晶體P3及P4之源極係互相連接，通過一電流源107，耦合於電源電壓+Vcc之一電源線。 PMOS電晶體P3之汲極係連接於一 NMOS電晶體N3之汲極，及PMOS電晶體P4之汲極係耦合於其提供電源電壓-Vcc之一電源線。進一步，各個NM0S電晶體Nl、N2及N3之源極係耦合於電源電壓-Vcc之電源線，及這些NM0S電晶體N 1 、N 2及NI3之閘極係互相連接。短路NM0S電晶體N3之汲極及閘極，及NM0S電晶體N1、 N2及N3組成一電流鏡。而且，反相輸出終端102及103係通過電流源108及105，耦合於電源電壓+Vcc之電源線。而且，反相輸出終端102及 103係分別連接於NM0S電晶體N4及N5之汲極。NM0S電晶體N4及N5之閘極係分別連接於NM0S電晶體N1及N2之汲極 ’及NM0S電晶體N4及N5之源極係連接於電源電壓- Vcc之電源線。電容器109及1 10係分別連接於NM0S電晶體N4及N5之汲 -21 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 565994 A7 B7 五、發明説明（18 極及閘極之間。例如，參考電壓設定終端1〇4係設定在一〇 V之參考電壓。本章節及後續章節解釋依據上面方法配置之運算放大器 ίο之運作，假設在運算放大器10之操作期間已下降中間電位Vn。在本狀態中，從電流源1〇7通過pM〇s電晶體p3，流到NMOS電晶體N3之電流，反應於流到組成電流鏡之電晶體N 1及N 2也增加之電流增加。因此，NMOS電晶體N4及N5之閘極及源極之間之電位下降，以使切斷NMOS電晶體N4&N5，及在反相輸出終端〗〇3 及102之電位增加。隨後，在接點χ之中間電位^等於其係在PMOS電晶體P4之電位之參考電壓Vref。因此，從反相輸出終端102及103，可以一直僅輸出中間電位％，即，一根據參考電壓V R F F之差動輸出信號。即，因為係提供同相回授，以允許中間電位^等於參考電壓VRFF，即使在同相輸入信號係施加於運算放大器丨〇時 ’運算放大器10-直依據這一種方式操作：從反相輸出終端丨02及103輸出僅根據參考電壓Vref之一差動輸出信號。因為在差動積分器電路丨中利用因此配置之運算放大器⑺ ，圖1之自行操作PWM放大器之電路，除比較器2之外，可以依據一完全平衡方法操作。現在，下^參考於圖丨及圖4,說明圖丨之自行操作放大器之操作。通過相ϋ輸人電miN ’分賴人從信號源50及5 1輸出之相對相位之類比信號Vm，及·，到放大器丨〇之反相輸入終端IN-，及非反相輸入終端，= -22-

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通過相應輸入電阻器Rnf，分別負回授來自⑽s反相器4〇及4丨輸出信號，組成切換雷驭刀換兒路4-】及4-2之部分輸出信號，到連具放大器之反相輸入终端IN_，及非反相輪入終端1N+。差動積分器電路！依據—完全平衡格式操作。即，積分器電路丨相等積分在由一信號源5〇提供之類比信號〜，及從 CMOS反相器40，通過回授電阻器“負回授之輸出信號（切換信號）之間之-差異’及在由—信號源51提供之類比信號 -V〖N，及從CM0S反相器41，通過回授電阻器民叩負回授之輸出信號（切換信號）之間之一差異之間之一差動，以使其輸出二個不同極性之積分信號到具有遲滯特性之比較器2。比較器2比較二個從分器電路丨輸入之積分信號，以產生具有相應於輸入信號之一脈衝之一二進位pWM信號。通過驅動态電路3-丨及3-2放大本PWM信號，及驅動器電路3-1及 ^ - 2根據P W Μ化號之偏壓，驅動用於切換操作之c μ〇S反相器40及4 1(電路4-1及4-2)。在來自CMOS反相器41之輸出信號係通過包含電感[I，及 i合态C丨之其它低通遽、波器’輸出到σ刺σ八5 2之其它輸入終端時，來自CMOS反相器40之輸出信號係通過包含電感L1，及電容器Cl之低通濾波器，輸出到喇叭5 2之一輸入終端。在同時，來自C M OS反相器40及4 1之輸出信號係分別通過回授電阻器，負回授到運算放大器10之反相輸入終端1N-，及非反相輸入終端1N +’以使圖1之p\vΜ放大器可以自行操作。在CMOS反相器40之輸出係在正電源電壓+Vcc之位準時， -23- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4规格(21〇 x 297公 565994

在ί貝分器電路1之反相輸出終端OUT+之輸出電壓vu，依據具有一段之時脈之負方向增加，到比較器2之運算放大器2〇之輸入電壓Vh ,反應於該輸出電壓，也依據負方向增加。然後，一旦已下降輸入電壓V2a到〇 V，反相運算放大器20 之輸出’即PWM信號，以使也反相CMOS反相器40之輸出。因為’在本時脈，CM0S反相器4〇之反相輸出係正回授到運w放大态2 0之輸入側，到運算放大器2 〇之輸入電壓ν。， =〇 V快速下降到藉由來自差動積分器電路1之目前輸出電壓Vu、來自CMOS反相器40之目前輸出電壓v、u，及在電阻 2 1及22之間之電阻比率決定之一位準。在已移位CMOS反相器40之輸出電壓V、u從正電源電壓 + VCC之位準到負電源電壓-VCC2位準時，來自差動積分器電路1之輸出電壓Vla依據正方向增加，到比較器2之運算= 大器20之輸入電壓Vh反應於該電壓，也依據正方向增加。然後，一旦已上升輸入電壓到〇 V，反相運算放大器？〇之輸出，即PVVM信號，以使也反相CM〇S反相器4〇之輸出，以使移位來自CMOS反相器40之輸出從負電源電壓々a之位準到正電源電壓+Vcc之位準。因為，在本時脈，CMOS反相器40之反相輸出係正回授到運算放大器20之輸入侧，到運算放大器2〇之輸入電壓，從0 V快速上升到藉由來自差動積分器電兒崎1之目刖輸出電壓Vla、來自CMOS反相器40之目前輸出雷题v u ^ 叫私4 h丨，及在電阻 2 1及22之間之電阻比率決定之一位準，：依據本方法，來自差動積分器電路丨之輪出電壓、，到運 -24- ^紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) ' -------- 565994

算放大器20之輸入電壓，及來自CMOS反相器40之輸出電壓Vh ’如在圖4A中說明改變。進一步，來自其它CMOS反相器41之輸出電壓v3b，出現其係來自CMOS反相器40之輸出電壓之反相或相對波形之一波形。如在圖4 A中所示，在差動積分器電路丨之反相輸出終端out-之輸出電壓Vib，及到運算放大器2〇之輸入電壓 ’出現其係來自差動積分器電路i之輸出電壓，及到運算放大器20之輸入電壓ν。之反相波形之波形。然而，在此假設電阻22及24在電阻數值方面係相等，及電阻2丨及u 也係如此。如上面已經說明，在自行操作pWM放大器之第_實施例中，配置全部電路如平衡電路，以接收平衡輸入信號及產生平衡輸出信號。實施例之本平衡電路配置方式可以減少外部雜訊之干擾，及因此可以最小化互.相干擾。進一步^ 自行操作PWM放大器可以消除偶數排序諧波之失真，二因此賞施例完成一改進失真係數特性。而且，提供具有正回授之配置方式八 π孕又态之二個差動輸入終端，在預定比較時脈到比鮫哭丁肌玉」比孕又态之輸入電壓可以侍〇 ν ，以使比較器可以以一低電壓操作。 "而且，因為運算放大器組成之積分器電路包含差動輸入终端，及差動輸出終端之同相回授類型運算放大π 1 發明之實施例中之積分器電路可以依據一；全：’在本作，其同樣可以進一步減少外部雜訊之干擾。：衡：法操其它方法配置’因為積分器電路具有高阻抗之 =以貝、，積分 -25- 565994 A7

器電路將非常敏感於外部雜訊之干擾，掉作PWM於士扣和^刀器電路係自行才木作PWM放大态之一初級電路，及積分…、一重複重新充電/放電操作。然而，因為如^以一局頻率七' 上面說明，藉由豆有差動輸入終端及差動輸出終端， /、土 P从 /、依據一完全平衡方法紅作之同相回授類型運算放大器 Μ1 ; 積分為電路，實施例可以有效減少外部雜訊之干擾及以低電壓摔作。、圖5揭示根據本發明之一第二實施例，— 自仃％作PWM放大器^―普通配置。第二實施例通常係類似於第-實施例 ’但是不同在於藉由具有差動輸入終端，&差動輸出終端之同相回授類型運算放大器200執行比較器2。在圖5十’藉由如使用於第一實施例之相同參考數字’代表如在第一實施例中之相同元件，及將不詳細說明以避免不必要之重複。在本圖式中，參考數字70及71代表用於從個別反相輸出終端OUT-，及OUT +輸出之放大PWM信號之驅動器電路，及40及41代表CMOS反相器。裝訂

圖6揭不比較器2之運算放大器200之詳細配置。在本圖式中’運舁放大器200具有一對反相輸入終端（in_)2〇()〇，及非反相輸入終端（1N +) 2 0 0 1，及一對反相輸出終端（〇u 丁 -) 2 〇〇 3 ，及非反相輸入終端（〇UT + )2004。

反相輸入終端（1Ν-)2000，及非反相輸入終端（lN + )200 1係分別連接於PM0S電晶體2005及2006之閘極，組成一差動輸八級。PM0S電晶體2005及2006之源極係互相連接，通過一電流源20 1 2，耦合於到一電源線，在其上提供一電源電壓 + Vcc。PM0S電晶體2005及2006之汲極係分別連接於NM0S -26 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 565994 A7 B7 五、發明説明（23 ) 電晶體2007及2026之汲極，及NMOS電晶體2007及2026之源極係互相連接，耦合於到一電源線，在其上提供一電源電壓-Vcc 。進一步，NMOS電晶體2026之汲極係通過一電阻器2008及 2009之串聯電路，連接於NMOS電晶體2007之汲極，及 NMOS電晶體2026及2007之閘極係直接互相連接。在電阻器 2008及2009之間之接點係連接於NMOS電晶體2026及2007之個別閘極。進一步’ NMOS電晶體20 10及201 1之閘極，組成運算放大器200之一輸出級，係分別連接於NMOS電晶體2007及2026 之〉及極。N Μ〇S電晶體2 0 10及2 0 1 1之没極係通過相應電流源 201 3及2014，連接於電源電壓+Vcc之電源線。而且’ NMOS電晶體20 10及20 11之源極係互相連接，轉合於電源電壓-Vcc之電源線。在NMOS電晶體2010之汲極係通過一反相器20 1 6 ’連接於反相輸出終端（〇υτ + )2〇〇4時， NMOS電晶體2011之汲極係通過一反相器2〇15，連接於反相輸出終端（〇UT-)2003。運具放大為2 0 0之使用可以提供差動輸入/差動輸出類型比較器2，其操作以消除同相元件。因為藉由差動輸入/差動輸出，及同相回授類型運算放大态執行具有遲滯特性之比較器2，在比較器2中可以依據如上面提出之一完全平衡方法操作，第二實施例之自行操作 P W Μ放大器同樣可以進一步減少外部雜訊之干擾。隨後，參考圖7到圖9，將產生關於根據本發明之一第三 -27- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210Χ 297公|)

裝訂

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_______ B7__ 發明説明（24 ) 貝例之一自行操作p WM放大器之一說明。本第三實施例付徵在於：配置用於負回授放大輸出到初始級差動積分器兒路之回授電路，如包含用於通過放大輸出之一高頻率元件之一第一回授迴路，及用於通過放大輸出之一低頻率元件之一第二回授迴路之並聯回授電路。圖7揭示第三實施例自行操作PWM放大器中利用之回授電路之詳細配置。如所示，本回授電路包含連接於pWM放大為之輸出側，及差動積分器電路之輸入側之間，包含一回投電阻器RNFl、回授電容器CNFi，用於通過放大輸出之一高頻率元件之一串聯電路之第一回授迴路，及配置如一 τ型電路，包含一回授電阻器rNF2、回授電容器Cnf2，用於通過放大輪出之一低頻率元件之第二回授迴路。在圖7中，參考數字80代表在自行操作Pwm放大器之輸出級中提供之一電壓源，及8丨代表在PWM放大器之差動積分器電路之輸入惻提供之一電流源。如果代表回授電阻器 “1:1之電阻數值係如“R”，及代表回授電容器之電容數值係如“c” ’然後可以給定回授電阻器Rnf2之電阻數值如 “R/2”，及可以給定回授電容器CnF2之電容數值係如“4C”。如在圖9中所示’第三實施例通常係類似於圖1之第一實鈀例，但是其中不同僅在於利用圖7之並聯回授電路，取代在圖1之第一實施例中之回授電路。因為係完全配置第三實絶例之自行操作P W Μ放大器，如平衡電路，其回授電路包含連接於放大器之輸出側，及差動積分器電路之反相輪入側之間之一第一回授電路，及連接於放大器之輸出側，及 -28- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公爱) 565994 A7

___ B7 發明説明（25 ) 差動積分器電路之非反相輸入側之間之一第二回授電路。在圖9中，第一回授電路包含藉由CMOS反相器40之輸出終端’及差動積分器電路之運算放大器1〇之反相輸入終端之間，連接回授電阻器rnf1、回授電容器Cnfi之串聯電路提供之第一回授迴路，及配置如一 T型電路，包含連接於低通慮波器，包含電感L 1及電容器C 1之輸出終端，及運算放大器丨〇之反相輸入終端之間之回授電阻器Rnf2、回授電容器 C N 1 2之第一回技迴路。第二回授迴路在配置方面係類似於第一回授迴路，及因此將不在此說明。如在圖8中所示，在第一及第二回授電路之各個電路中，在第一回授迴路可以取得用於通過提供於負載，或味| < 5 2 之輸出信號之高頻率元件之一頻率特性1丨時，第一回授迴路可以取得用於通過提供於負載’或。刺σ八5 2之輸出信號之高頻率元件之一頻率特性h。因此，可以從在頻率特性丨1及h 之間之合成，在寬（從低到高）頻率頻帶上提供平直頻率特性。在此’用於頻率特性1!及丨2之各個特徵，給定用於完成一 -3dB之放大輸出信號之一戴止頻率fc，如“1/2 /7 ，及，例如，選擇10 kH如截止頻率fc。利用第一回授電路，及第二回授電路之各個回授電路包含用於通過施加於負載之放大輸出之高頻率元件之第一回授迴路，及用於通過施加於放大輸出之低頻率元件之第二回授迴路之配置方式，第三實施例完成在寬頻率頻帶上之一改進S/N比率及失真係數特性。 -29- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 565994 A7 ____________B7 ____ 五、發明説明（％ ) 圖1 0揭示本發明藉由利用圖7之回授電路，代替連接於放大器輸出側，及在圖丨丨之習知自行操作PWM放大器中之積分态電路之輸入側之間之回授電阻器反肝配置之另外實施例。如比較於習知自行操作PWM放大器，本配置方式完成在見頻率頻帶上之一高度改進S/N比率及失真係數特性。概略來說，因為本發明之自行操作PWM放大器特徵在於 •配置其之全部電路如平衡電路，以接收平衡之輪入信號及產生平衡之輸出信號，其可以減少外部雜訊之干擾，及可以最小化在共同安裝複數個這種放大器之一狀態中之不想要二干擾。進一步，藉由平衡電路允許之自行操作PWM 放大器之平衡操作，可以有效消除偶數排序諧波之失真，及因此完成一改進失真係數特性。 /、本發明相關於在2 0 0丨年9月2 7曰提出之日本專利申請案 No 200 1-298268之内容，其全文在此納入供作參考。明” -30-

Claims

565994 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍一種自行操作PWM放大器，其包含：差動積分器電路，其具有一第一輸入終端輸入從一第彳5號源提供之一第一類比信號及該PWM放大器之放大輸出之一負回授信號，及一第二輸入終端輸入從一第二信號源提供之一第二類比信號及該PWM放大器之放大輸出之一負回授信號’該第二類比信號具有在相位方面相反於該第一類比信號之一相同振幅，該差動積分器電路藉由積分在該第一類比信號及輸入於該第一輸入終端之該負回授信號之間之一差異’以及在該第二類比信號及輸入於該第二輸入終端之該負回授信號之間之一差異輸出二個不同極性之積分信號；一比較器，其具有二差動輸入終端，其被提供正回授以出現遲滯特性，該比較器比較二個藉由該差動積分器電路輸-出之積分信號並藉以輸出一 PWM信號；一第一切換電路，其包含一對切換元件連接於第一及第二電源之間，在該切換元件之間之一接點係連接於一負載之一輸入終端；一第二切換電路，其包含一對切換元件連接於該第一及泫第二電源之間’在該切換元件間之一接點連接於該負載之另一輸入終端；第一驅動器電路，其傳送該P W Μ信號從該比較器到該第一切換電路；及一第二驅動器電路’其傳送該PWM信號從該比較器到該第二切換電路。 -31 - 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X 297公釐) 565994 A8 B8 C8

如申凊專利範圍第1項包含：之自行操作PWM放大器進一步一弟一回授電路，豆违拉一連接表該差動積分器電路之該第一輸入終端及該第一切拖步 ^ 換甩路之一輸出終端之間；及一第二回授電路，豆表 ’、連接方；该差動積分器電路該第二輸入終端及該第二切換雨故夕^ ^ ^ ^ J谀包路之一輸出終端之間，及其中5亥放大輪屮夕4 $ — 氖出之该負回授信號係傳送通過該第一回授電路到該差動積分哭兩償刀為田一路之該第一輸入終端，及傳送 ά亥放大輸出之該負回持作、W ί又乜5虎通過该弟二回授電路到該差動積分器電路之該第二輸入終端。 =申α月專利j已圍第！項之自行操作p放大器，其中該第刀換=路之5亥輸出終端係通過用於消除一載波頻率一第低通;慮波為連接於該負載之該一輸入終端及次第一切換電路之該輸出終端係通過用於消除一載皮ν頁率元件之第一低通濾波器連接於該負載之該其它輸入終端。 4如申叫專利範圍第1項之自行操作PWM放大器，其中該差動積分器電路包含：一同相回授類型運算放大器，其具有一對差動輸入終立而，其由反相及非反相輸入終端所組成，分別被輸入該第一類比信號和回授信號，及該第二類比信號和回授信 5虎’以及一對差動輸出終端，其由二個反相輸出終端所組成’其輸出二個不同極性之積分信號；及積分電容器’其分別連接於該運算放大器之該反相輸

裝

32- 565994 A B c D 六、申請專利範圍入終端和該反相輸出終端中之一終端之間，及該運算放大器之該非反相輸入終端和該反相輸出終端之間。 5如申凊專利範圍第1項之自行操作PWM放大器，其中該比較器包含一同相回授類型運算放大器，其具有一對差動輸入終端，其被輸入藉由該差動積分器電路輸出之該二個不同極性之積分信號，及一對差動輸出終端，用以藉由比較該二個積分信號輸出正及負相位之PVVM信號。 6如申請專利範圍第2項之自行操作Pwm放大器，其中該第一及第二回授電路之各個回授電路包含用於通過提供到該負載之一放大輸出信號之一高頻率元件之一第一回拍:迴路，及用於通過提供到該負載之一放大輸出信號之一低頻率元件之一第二回授迴路。 -33- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐）