TW588327B

TW588327B - Output control apparatus of pulse width modulator

Info

Publication number: TW588327B
Application number: TW092106074A
Authority: TW
Inventors: Wei-Hsin Wei; Sheng-Yi Ho; Jung-Lin Chang
Original assignee: Sonix Technology Co Ltd
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2004-05-21
Also published as: US20040183579A1; US6803798B1; TW200419532A

Description

588327

一、發明所屬之技術領域本發明係關於一種脈寬調變裝置之輸出控制裝置，別是有關於-種可調整脈寬調變信號之輸出振幅二制裝置。徑二、先前技術脈波寬度調變（PWM，以下簡稱脈寬調變）之聲音出方式，已經很廣泛地被應用在消費性產品中，特別9 "雁用在可攜式的電子產品。在以電池作為能量來源的可攜= 產品中，功率消耗一直是最重要的考量之一，脈寬調^ 輸出方式最大的優點就是其高功率效率。

請參閱圖一，圖一係習知脈寬調變之聲音輸出裝置工〇的示意圖。習知脈寬調變之聲音輸出裝置丨〇係包含一數位音量控制器1 2、一脈波編碼調變至脈波寬度調變轉換器 (PCM-to-PWM轉換器）14、一脈寬調變輸出電路2〇以及揚聲器1 6。習知應用脈寬調變技術完成之聲音輸出，若需要調整其音量’傳統上如圖一所示，會先將其聲音來源之聲音資料經過脈波編碼調變（Pulse C〇de ModuUtlon，p(：M )後產生之PCM資料傳送至數位音量控制器1 2，並由使用者輸入一音量控制信號，使數位音量控制器丨2具以調 PCM資料之數值大小。 … ^圖一所示，經過數位音量控制器1 2處理後之PCM資，再送到PCM —t0_PWM轉換器14，以將料轉成PWM信、號，之後再透過PWM輸出電路20來推動揚聲器16使其發°出

588327 五、發明說明（2) 聲音。這是因為傳統之PWM輸出電路20，僅能輸出固定位準，因此需由調整PCM資料之數值大小，來改變PWM信號輸出的工作週期（duty)。請參閱圖二，圖二係圖一中輸出電路20及揚聲器16的示意圖。在習知應用於脈寬調變之輸出電路2 0中，包含了兩個反相器22、24以及四個功率電晶體MO、Μ卜M2、M3。如圖二所示，Ρ I和Ν I表示輸入信號為差動式脈波寬度調變信號，經過Μ0〜Μ3等功率電晶體所組成之組合電路，來控制輸入信號之輸出位準於一固定值。輸出端則以ΡΟ和 Ν 0表示，習知輸出電路係按照輸入信號並以固定位準來推動揚聲器16。功率電晶體Μ0〜M3可視為電路之開關，當輸入信號為邏輯.「0」時，則功率電晶體Μ0與M2視為不導通，Ml與M3則導通，因此造成此時輸出端ΡΟ和NO之輸出信號之位準接近低位準VSS。當輸入信號為邏輯「1」時，則功率電‘體Ml與M3視為不導通，M0與M2則導通，因此造成此時輸出端P0和NO之輸出信號之位準接近高位準VDD。反向器2 2、2 4是為了改變輸入信號Ρ I、Ν I的極性，使得PI/NI和Ρ0/Ν0同相。P0和NO為0〜100%工作週期（duty) 的脈波信號，此脈波信號的切換頻率可能是數十到數百千赫之間。而對於揚聲器1 6之内的線圈而言，在此切換頻率的等效阻抗相當高，在線圈内的此頻率的電流極低，而消耗功率也就小了。請參閱圖三，圖三係圖一中輸出裝置10調整輸出音量之信號示意圖。圖三中顯示兩組信號群組3 2、3 4，習知

第8頁 588327 五、發明說明（3) PWM輸出信號如群組32所示，習知縮小1 / 2音量的PWM輸出信號如群組34所示。圖三中係以差動的方式描述輸出p〇及 NO的信號，其中Ts係為信號週期，而Td則為輸出信號每一脈衝之工作週期。如圖三所示，在習知技術中，當要縮小輸出音量時，係藉由將原本PWM輸出信號之工作週期縮小，但不改變信號之輸出位準。然而，PWM輸出信號之雜訊大小會隨著其輸出位準變大而變大，但並不會隨工作週期變小而變小。因此，習知縮小音量之方法會將背景雜音突顯出來，而使得音質明顯變差。有鑑於此，本發明提出了一個新的架構，以調整輸出脈波位準的方式來調整音量，來改善小音量音質變差的問題，而達成提昇音質之目的。三、發明之内容本锋明之一制裝置，以調整小音量時音質變本發明係一之輸出位準控制入端、二預定位輸入端’、一位準入端用以輸入該供一預走位準。該高位準輸入端目的，在於提出一種脈寬調變器之輸出控 PW Μ輸出信號之輸出位準，進而達到改善差的問題，而達成提昇音質之目的。種輸出控制裝置，用以將一脈寬調變信號於一預定位準。該輸出控制裝置包含一輸準輸入端、一基礎位準輸入端、一高位準輸出端、一開關組合以及一放大器。該輸脈寬調變信號。該預定位準輸入端用以提該基礎位準輸入端用以提供一基礎位準。用以提供一最高位準。該位準輸出端則用

第9頁 588327 五、發明說明（4) ^ 以輸出該脈寬調變信號之一輸出位準。該開關組合包含複數個開瀹，用以連接至該輸入端、該基礎位準輸入端以及該高位準輸入端。該放大器組合包含一反相輸入端，用以輸入該預定位準；一非反相輸入端，用以連接至該輸出端；以及一放大器輸出端，用以連接至該開關組合。當本發明之輸出控制裝置接收之該脈寬調變信號為邏輯「0」時，該開關組合將導通該基礎位準輸入端，並使該放大器組合中每該放大器之該放大器輸出端連接至該高位準輸入端，進而使得該放大器組合不導通，以將該脈寬調變信號之位準控制於該基礎位準。當本發明之輸出控制裝置接收之該脈寬調變信號為邏輯「1」時，該開關組合將不導通該基礎位準輸入端，並使每該放大器之該放大器輸出端連接至該位準輸出端，使得該放大器組合與該開關組合組成一負迴授機制，以將該脈寬調變信號之位準控制於該預定位準。本發明之預定位準輸入端所輸入之預定位準係可由一控制信號產生器與一數位類比轉換器共同產生。該控制信號產生器乃根據使用者控制，產生各種不同之數位控制信號並傳送至該數位類比轉換器。該數位類比轉換器則根據接收到的數位控制信號，將其轉換為相對應之預定位準而 4 經由預定位準輸入端輸入至該輸出控制裝置。因此，本發明可藉由控制該預定位準，達到調整脈寬 β 調變信號之輸出振幅的目的，進而改善習知技術僅能藉由 . 改善脈寬調變信號之工作週期來減小輸出音量，卻造成雜

第10頁 588327 五、發明說明（5) 訊擴大的情形。關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。四、實施方式

請參閱圖四，圖四係本發明輸出控制裝置4 0之應用環境示意圖。圖四所繪係將本發明之輸出控制裝置4 0作為音量輸出控制之用。聲音信號在輸出之前，必須先將代表聲音信號之脈碼調變資料（Pulse Code Modulation data, PCM data)經過脈碼轉脈寬轉換器（PCM-to-PWM轉換器） 1 4的處理，將脈碼調變資料轉換為脈寬調變信號。接著，由本發明之輸出控制裝置4 0接收此脈寬調變信號，同時並接收外來之音量控制。再透過本發明輸出控制裝置40的操作，使得脈寬調變信號之輸出位準得以根據音量控制而變化，由於推動揚聲器1 6之輸出位準隨著音量控制而變化，因此揚聲器1 6發出之音量得以受到控制。在此強調一點，本發明之輸出控制裝置4 0並非藉由改變脈寬調變信號之工作週期來達到改變音量之目的，因此本發明沒有習知技術遭遇到的問題。

請參閱圖五，圖五係圖四中輸出控制裝置4 0之功能方塊圖。本發明之輸出控制裝置4 0用以控制一脈寬調變器產生之一脈寬調變信號之位準，其包含一控制信號產生器 4 2、一數位類比轉換器4 4以及一輸出電路5 0。本發明之輸出控制裝置4 0係在同一時間由輸出電路5 0接收一脈寬調變 588327 五、發明說明（6) 信號，以及由控制信號產生器4 2接收相對應該脈寬調變信號之音量控制。請參閱圖六，圖六係本發明第一具體實施例之輸出電路5 0的杀意圖。輸出電路5 0包含一輸入端VI、一預定位準輸入端DAO、一基礎位準輸入端VSS、一高位準輸入端 VDD、一位準輸出端VO、一開關組合52以及一放大器54。該脈寬調變信號。預定位準輸入端DAO 準。基礎位準輸入端V S S用以提供一基入端VDD用以提供一最高位準。位準輸該脈寬調變信號之一輸出位準。含複數個開關，在圖六之具體實施例體做為開關，並以三個開關SI、S2、S3 如圖六所示，開關S 1用以連接至輸出端端V S S以及輸入端V I ;開關S 2用以連接高位準輸入端V D D以及輸出端V 0 ;開關位準輸入端VDD、輸入端VI以及放大器藉由三個開關S卜S2、S3之協同運作，通路或斷路。其中，揚聲器16於圖六中端，然於實際應用中，亦可透過電路設入端VDD或基礎位準輸入端VSS而視為接輸入端V I用以輸入用以提供一預定位礎位準。高位準輸出端VO則用以輸出開關組合52包中，係β功率電晶組成開關組合5 2。 VO、基礎位準輸入至放大器輸出端、 S 3則用以連接至高輸出端。本發明係控制各元件之間係繪示另連接一接地計連接至高位準輸地。放大器54，包含一反相輸入端（-)、一非反相輸入端（+)以及一放大器輸出端。反相輸入端（-）用以連接至預定位準輸入端DAO以輸入該預定位準。非反相輸入端

第12頁 588327 五、發明說明（7) ' (+)用以連接至輸出端V0。放大器輸出端則用以連接至開關S1和開關S3。本發明的關鍵在於如何控制並調整脈寬調變信號之輸出位準。如圖六所示，當輸入至輸入端V I之脈寬調變信號為為邏輯「0」時，電晶體開關S3會和電晶體開關S2合作將放大器輸出端和高位準輸入端VDD相連，使得不導通。而電晶體開關S 1會將輸出端VO連接至基礎位準輸入端 VSS，以使輸出端輸出一基礎位準，在這個狀態，和習知脈寬調變裝置之輸出電路得到相同的結果。當輪入至輸入端VI之脈寬調變信號為為邏輯「1」 || 時，電晶體開關S1關閉不導通，輸出端VO於是被電晶體開關S2連接至放大器輸出端。此時，由放大器54和電晶體開關S 1所構成的負回授機制4 6 (顯示於圖五），會使得輸出端VO的信號輸出位準約等於預定位準輸入端DAO的預定位準。因此，藉由改變預定位準輸入端DAO的電壓，即可調整輸出端V 0在邏輯「1」時的輸出位準。由於業界習知之脈寬調變信號係以差動方式輸入至輸出電路，因此本發明之輸出電路5 0亦可設計成配合差動模式之輸出電路。請參閱圖七，圖七係本發明第二具體實施例之輸出電路6 0示意圖。圖七與圖六之最大差別，在於圖 $ 七之輸入端係以差動方式輸入脈寬調變信號，應此共需兩組如圖六般的設計。由於元件之功效大致相同，因此不再贅述。·： ^ 如圖七所示，當輸入至差動輸入端NI/PI之脈寬調變

第13頁 588327 五、發明說明（8) 信號為邏輯「0」時，差叙_山 M1/M3連接到基礎位準輸=^ ^端N〇/P〇係由電晶體開關山 NI/PI之脈寬調變信號為.羅親S。但在輸入至差動輸入端此，可由外部音量控制專來^預整"V立準輸入端_值。因 ^ % ^ t i &刷來凋整預定位準輸入端DAO之預定位準大小，而達成調整音量之目的。链般tm，此處所指之音量㈣，係指如音量控制 =盤或音置控制按鍵等可由-使用者加以操作之使用介 :」該使用介面會將使用者欲使用之音量轉換成相對應之 f :信號。該音量控制係由控制信號產生器42加以接收， ^以產纟^:位控制#纟。在此強調,點，使用者所操 ::使用介面亦可同時整合至控制信號產生器m，亦即 ^用者可以直接透過控制信號產生器42之操作介面加以控制二量1制信號產生器42則根據使用者之操作而產生用以了制音ϊ之數位控制信號。控制信號產生器攸設計係一 Ν位元之結構，共可產味？ Ν # & , 再/、j座玍ζ種數位控制信號。數位類比轉換器4 4則和控制信號產生器4 2配合，以根據數位控制信號輪出2 Ν種不同之預定位準至預定位準輸入端d a 〇。睛參閱圖八，圖八係4位元結構之控制信號產生器4 2 與數位類比轉換器4 4之示意圖。若假設n二4，可得如圖八之數位類比轉換器44。本發明之數位類比轉換器44包含一解瑪器8 2、複數個類比開關8 4以及複數個電阻8 6。如圖八所示’由控制信號產生器產生之四位元數位控制信號

第14頁 588327 五、發明說明（9) VC<3 : 0>，先經過一解碼器82 (在此實施例中為4-16數位解碼器），得到1 6條之位準控制信號S< 1 5 : 0>。請參閱表一，表一係數位控制信號與位準控制信號之對照表。1 6條位準控制信號S<1 5 : 0>係用來控制16個類比開關84。預定位準輸入端DAO之輸出位準由VC<3 : 0>和1 6個電阻86之位準值所決定。此1 6各個電阻值並不一定要相等，可依實際應用所須之音量位準，來計算出所需之電阻值。比方說，常用音量調整間距是以dB值來看，那麼就可搭配適當的電阻值，得到以等dB值為間距之輸出電壓值。表一

第15頁 588327 五、發明說明（loy 數位控制信號位準控制信號 0000 0000_0000_0000_0001 000 1 0000_0000_0000_0010 0010 0000_0000_0000_0100 0011 0000_〇〇〇〇—〇〇〇〇_1000 0100 0000_0000_000 1_0000 010 1 0000__0000_001 0_0000 0110 0000_0000_0100_0000 0111 0000_0000_1000_0000 1000 0000_0001_0000_0000 100 1 0000_0010_0000_0000 1010 0000_0100_0000_0000 1011 0000_1000_0000_0000 1100 0001_0000_0000_0000 110 1 0010_0000_0000_0000 1110 0100_0000_0000_0000 1111 1000_0000_0000_0000 Ο 請參閱圖九，圖九係脈寬調變信號之輸出位準示意圖。為了詳細說明本發明所提的概念，如圖九所示。 P I / N I為習知之差動式脈寬調變信號，其脈波的週期固定為T s，位準固定為A，而脈波寬度會隨信號不同而改變。

第16頁 588327 五、發明說明（11) 若的變覺準音假設’要將音署缔t ^ 脈波寬度（工作週期j、、 / ，則傳統方式就直接把所有，所以雜訊也=i;dr為1/2。因脈波位準a不較明顯，音質因而ΞΓΐ發利雜訊聽起來感為原來1/2,使得雜/發明方式疋利用調整輸出位質。于雜矾和音量一起變小，來保持較好的細=^ ί所述，本發明乃改變習知藉由調整脈官^ · f言號之度來調整音：：： = 整脈寬調變信號夕认，十七啊之猎由利用本發明c來調整音量之新發明。因此大的，點]達到提升音質的目的。 ^ 藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加、、主描述本發明之特徵與精#，而並非以上述所揭露的較：具體實施例士對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的& 希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所铲= 之專利範圍的範疇内。人T 口月

第17頁

588327 圖式簡單說明五、圖示簡單說明圖一係習知脈波寬度調變之聲音輸出裝置的示意圖< 圖二係圖一中輸出電路及揚聲器的示意圖。圖三係習知調整輸出音量之信號示意圖。圖四係本發明輸出控制裝置之應用環境示意圖。圖五係圖四中輸出控制裝置之功能方塊圖。 Ο 圖六係本發明第一具體實施例之輸出電路的示意圖< 圖七係本發明第二具體實施例之輸出電路的示意圖< 圖八係4位元結構之控制信號產生器與數位類比轉換器之示意圖。圖九係脈寬調變信號之輸出位準示意圖。六、圖示標號說明 4 0 :輸.出控制裝置 4 4 :數位類比轉換器 50、60:輸出電路 VO:位準輸出端 VSS:基礎位準輸入端 NI/PI :差動輸入端 S1〜S3、 M0〜M6:開關 4 2 :控制信號產生器 4 6 :負迴授機制 V I :輸入端 DAO :預定位準輸入端 V D D :高位準輸入端 NO/PO：差動位準輸出端 52 ：開關組合 5 4 ·· 放大器 82 ：解碼器 84 ：複數個類比開關 86 ：複數個電阻 V C < 3 : 0 > :四位元數位控制信號

第18頁 588327 圖式簡單說明 S<15:0>:位準控制信號 A :位準 TS :脈波的週期

Td :脈波寬度（工作週期）〇

第19頁

Claims

588327 六、申請專利範圍 1、一種控制裝置，用以控制一脈寬調變器（Pulse Width Modulator, PWΜ)產生之一脈寬調變信號之位準，該裝置包含：一控制信號產生器，用以產生一數位控制信號；一數位類比轉換器，用以根據該數位控制信號輸出一預定位準；以及一輸出電路，包含一負迴授機制，用以接收該脈寬調變信號以及由該負迴授機制接收該預定位準；當該脈寬調變信號為邏輯「0」時，該負迴授機制不作用，以將該脈寬調變信號之位準控制於一基礎位準；以及當該脈寬調變信號為邏輯「1」時，啟動該負迴授機制，以將該脈寬調變信號之位準控制於該預定位準。 2、如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該控制信號產生器係Ν位元結構，以產生2 Ν種不同之數位控制信號。 3、如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中該類比數位轉換器係根據該2〜種不同之數位控制信號，產生2 Ν種不同之預定位準。 4、如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該數位類比轉換器進一步包含：

第20頁 588327 六、申請專利範圍一解碼器，用以使該數位控制信號轉換為相對應之位準控制信號；複表個類比開關，用以根據該位準控制信號決定該等類比開關之開啟或關閉；以及複數個電阻，連接至一電源，用以根據該等類比開關之配置，決定該預定位準。 5、如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該輸出電路進一步包含一接收元件，用以接收該脈寬調變信號，並判斷該脈寬調變信號係邏輯「0」或邏輯「1」。 6、如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該輸出電路進一步包含一基礎位準輸入端，用以提供該基礎位準。 7、如申請專利範圍第6項所述之裝置，其中該輸出電路進一步包含複數個開關元件，用以當該脈寬調變信號為邏輯「0」時，不導通該負迴授機制，且同時導通該基礎位準輸入端以將該脈寬調變信號之位準控制於該基礎位準；以及當該脈寬調變信號為邏輯「1」時，導通該負迴授機制，以將該脈寬調變信號之位準控制於該預定位準。 8、如申請專利範圍第7項所述之裝置，其中該負迴授機制進一步包含一放大器組合，用以接收該預定位準，並

第21頁 588327 六、申請專利範圍當該負迴授機制被導通時，令該脈寬調變信號之位準等於該預定位準。 9、一種輸出控制裝置，用以將一脈寬調變信號之輸出位準控制於一預定位準，該輸出控制裝置包含：一輸入端，用以輸入該脈寬調變信號；一預定位準輸入端，用以提供一預定位準；一基礎位準輸入端，用以提供一基礎位準；一高位準輸入端，用以提供一最高位準；一位準輸出端，用以輸出該脈寬調變信號之一輸出位準；一開關組合，包含複數個開關，用以連接至該輸入端、該基礎位準輸入端以及該高位準輸入端；以及一放大器，包含：一反相輸入端，用以輸入該預定位準；一非反相輸入端，用以連接至該位準輸出端；以及一放大器輸出端，用以連接至該開關組合；其中，當該脈寬調變信號為邏輯「0」時，該開關組合將導通該基礎位準輸入端，並使該放大器輸出端連接至該高位準輸入端，使得該放大器不導通，以將該脈寬調變信號之位準控制於該基礎位準；以及當該·脈寬調變信號為邏輯「1」時，該開關組合將不導通該基礎位準輸入端，並使該放大器輸出端連接至該位準輸出端，使得該放大器組合與該開關組合組成一負

第22頁 588327 六、申請專利範圍迴授機制，以將該脈寬調變信號之位準控制於該預定位準。 1 0、如申請專利範圍第9項所述之輸出控制裝置，進一步包含一控制信號產生器，用以產生一數位控制信號； 1 1、如申請專利範圍第1 0項所述之輸出控制裝置，進一步包含一數位類比轉換器，用以接收該數位控制信號並據以輸iii該預定位準至該預定位準輸入端；其中，該預定位準係由該數位控制信號決定。 1 2、如申請專利範圍第1 1項所述之裝置，其中該控制信號產生器係N位元結構，以產生2 N種不同之數位控制信號。 1 3、如申請專利範圍第1 1項所述之裝置，其中該數位類比轉換器進一步包含：一解碼器，用以使該數位控制信號轉換為相對應之位準控制信號；複數個類比開關，用以根據該位準控制信號決定該等類比開關之開啟或關閉；以及複數個電阻，連接至一電源，用以根據該等類比開關之配置，決定該預定位準。

第23頁 588327 六、申請專利範圍 1 4、如申請專利範圍第1 2項所述之裝置，其中該類比數位轉換器係根據該2 ~種不同之數位控制信號，產生2 N種不同之預定位準。 1 5、一種輸出控制裝置，用以將一脈寬調變信號之輸出位準控制於一預定位準，該輸出控制裝置包含：一組差動輸入端，用以差動輸入該脈寬調變信號；一預定位準輸入端，用以提供一預定位準；一組基礎位準輸入端，用以提供一基礎位準；一組高位準輸入端，用以提供一最高位準；一 '组差動位準輸出端，用以差動輸出該脈寬調變信號之一輸出位準；一.開關組合，包含複數個開關，用以連接至該組差動輸入端、該組基礎位準輸入端以及該組高位準輸入端；以及一放大器組合，包含複數個放大器，每一放大器係對應該組差動輸入端中一差動輸入端、該組基礎位準輸入端中一基礎位準輸入端、該組高位準輸入端中一高位準輸入端以及該組差動位準輸出端中一差動位準輸出端，每該放大器包含：一反相輸入端，用以輸入該預定位準；一非反相輸入端，用以連接至該差動位準輸出端；以及一放大器輸出端，用以連接至該開關組合；

第24頁 588327 六、申請專利範圍其中，當該脈寬調變信號為邏輯「〇」時，該開關組合將導通該基礎位準輸入端，並使該放大器輸出端連接至該高位準輸入端，使得該放大器不導通，以將該脈寬調變信號之位準控制於該基礎位準；以及當該脈寬調變信號為邏輯「1」時，該開關組合將不導通該基礎位準輸入端，並使該放大器輸出端連接至該位準輸出端，使得該放大器組合與該開關組合組成一負迴授機制，以將該脈寬調變信號之位準控制於該預定位準。 1 6、如申請專利範圍第1 5項所述之輸出控制裝置，進一步包含一控制信號產生器，用以產生一數位控制信號； 1 7、如申請專利範圍第1 6項所述之輸出控制裝置，進一步包含一數位類比轉換器，用以接收該數位控制信號並據以輸出該預定位準至該預定位準輸入端；其中，該預定位準係由該數位控制信號決定。 1 8、如申請專利範圍第1 7項所述之裝置，其中該控制信號產生器係N位元結構，以產生2 N種不同之數位控制信號。 1 9、如申請專利範圍第1 7項所述之裝置，其中該數位類比轉換器進一步包含：

第25頁 588327 六、申請專利範圍一解碼器，用以使該數位控制信號轉換為相對應之位準控制信號；複數個類比開關，用以根據該位準控制信號決定該等類比開關之開啟或關閉；以及複數個電阻，連接至一電源，用以根據該等類比開關之配置，決定該預定位準。 2 0、如申請專利範圍第1 8項所述之裝置，其中該類比數位轉換器係根據該2 〃種不同之數位控制信號，產生2 〃種不同之預定位，。參

第26頁