TWI418141B

TWI418141B - 放大電路及其方法

Info

Publication number: TWI418141B
Application number: TW096129878A
Authority: TW
Inventors: Hassan Chaoui
Original assignee: Semiconductor Components Ind
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2007-08-13
Publication date: 2013-12-01
Also published as: US8724831B2; US20090245540A1; HK1132589A1; CN101473532B; KR101349002B1; TW200826484A; WO2008033116A1; CN101473532A; KR20090051086A

Description

放大電路及其方法

本發明大體上涉及電子學，尤其是涉及形成半導體裝置的方法和結構。

過去，半導體工業利用各種方法和結構來生產D類放大器。現有的D類放大器有各種應用，如用於可擕式電話的音頻功率放大器。在這樣的應用中，D類放大器將類比信號轉換成數位信號，並使用數位信號來轉換具有數位開關的負載。2003年9月2日Score et al發佈的美國專利號6,614,297中公開了這樣的D類放大器的一個例子。這些現有的D類放大器的一個問題是電磁干涉(EMI)。如果音頻輸入信號的值為零或接近於零，則音頻輸入信號上較少量的雜訊導致從D類放大器的輸出輻射的高頻雜訊。

減少EMI的一些方法包括在D類放大器的數位邏輯部分中使用數位邏輯元件。2005年1月25日授與Edwards等人的美國專利號6,847,257中公開了這樣的數位邏輯的一個例子。這些D類放大器的數位邏輯元件消除了在某一頻率之上的所有雜訊，該頻率甚至導致消除了音頻聲音。這在一些音頻信號的一部分期間產生完全安靜的時期。安靜時期通常利用如可擕式電話的音頻裝置，認為該裝置沒有正確操作。

因此，期望有一種減少電磁干擾而不消除音頻信號的D類放大器。

因此，本發明係提供來解決以上問題。

本發明之一較佳實施例提供一種放大電路。該放大電路包括：一輸入，經配置以接收一音頻輸入信號；一信號產生器，經配置以形成具有不小於20Khz頻率的一調變信號；一加法器電路，經連接以將該調變信號與該音頻輸入信號進行合成；以及一D類放大器，經連接以接收該加法器電路的一輸出，以及驅動該放大電路的一輸出。

本發明之另一較佳實施例提供一種音頻放大方法。該音頻放大方法包括：接收一音頻輸入信號；向該音頻輸入信號增加具有不小於大約20Khz的一頻率的一調製信號，以形成一已調製信號；以及利用一D類放大器放大該已調變信號。

為了說明的簡潔和清楚，圖式中的組成部分沒有必要按比例繪製，不同圖中相同的元件符號表示相同的組成部分。此外，為了描述的簡要而省略了已知的步驟和組成部分的說明與詳述。如這裏所使用的電流負載電極表示裝置的一個組成部分，其承載通過該裝置(如MOS電晶體)的源極或汲極、或二極電晶體的集電極或發射極、或二極體的陰極或陽極的電流；控制電極表示裝置的一個組成部分，其控制通過該裝置(如MOS電晶體)的閘極或二極電晶體的基極電流。雖然這些裝置在這裏被解釋為某個N型或P型裝置，但技術領域中具有通常知識者應該認識到，依照本發明，互補裝置也是可能的。技術領域中具有通常知識者應認識到，這裏使用的詞"在…的期間、在…同時、當…的時候"不是一個行為和初始行為同時發生的準確術語，而是在被初反應激起的反應之間可能有一些小而合理的延遲，如傳播延遲。

第一圖簡要示出包括放大電路25的示例性實施例的音頻系統10的一部分的實施例。放大電路25經配置成在信號輸入26上接收類比輸入信號(Vi)，並回應性地形成差動地驅動負載18的輸出信號。對於第一圖所示的系統10的示例性實施例，負載18包括音頻揚聲器12。揚聲器12一般為可被感應器15、電阻器13和16及電容器14和17作為模型使用的電感揚聲器。本領域中具有通常知識者應認識到，電路25可用於其他應用，及負載18可為其他類型的負載。例如，揚聲器12可為不同類型的揚聲器，或揚聲器12可由電動機或音頻顯示器(如行動電話)的顯示器代替。本領域中具有通常知識者應認識到，負載18可具有其他沒有顯示的阻抗元件。

電路25被連接以在電壓輸入27和電壓返回28之間接收用於操作電路25的輸入電壓。輸入27和返回28通常連接到電壓電源如電池20。電路25包括調變電路40，並通常還包括緩衝放大器29和D類放大器35。緩衝放大器29從輸入26接收輸入信號(Vi)，並形成代表輸入信號(Vi)的緩衝信號(Vb)。放大器29也從電路25的其他元件緩衝輸入信號。調變電路40通常包括信號產生器37和類比加法器。在第一圖所示的電路25的示例性實施例中，電阻器36和電容器39顯示為類比加法器的示例性實施例。一般來說，放大器29的輸出具有用Vb信號驅動電阻器36的低阻抗。這樣的配置便於將電阻器36和電容器49使用為加法器電路。本領域中具有通常知識者應認識到，各種其他的電路如運算放大器或切換電容器電路可用於實現類比加法器。放大器35可為各種已知的D類放大器的任何一種。放大器35通常包括將類比信號轉換成兩個脈衝寬度調變(PWM)信號的脈衝寬度調變(PWM)電路(沒有示出)。PWM電路一般包括鋸齒形信號產生器和配置成接收類比信號和鋸齒信號的兩個電容器，並形成兩個PWM信號。放大器35還可包括H電橋驅動器，其接收兩個PWM信號並驅動輸出信號OP和ON。這樣的D類放大器對本領域中具有通常知識者是習知的。

第二圖為顯示電路25的輸出信號OP和ON之間的兩個關係的信號圖。曲線43示出輸出OP上的信號，而曲線44示出輸出ON上的信號。本描述參考第一圖和第二圖。正如本領域中具有通常知識所習知的，D類放大器(如放大器35)基於由放大器所接收的輸入信號的振幅來形成輸出信號，例如信號OP和ON。對於放大器35，輸出31上正OP信號的脈衝寬度具有脈衝寬度Tp，而輸出32上負ON信號的脈衝寬度具有脈衝寬度Tn(見第二圖)。當輸入信號的振幅大於輸入信號的中點時，在正輸出(如OP)上形成第一脈衝，且脈衝的寬度(如Tp)由該幅度超過中點的量所確定。同樣，在負輸出(如ON)上形成第二脈衝，且脈衝的寬度(如Tn)由該幅度超過中點的量所確定。對於這種類型的輸入信號，Tp大於Tn。類似的，當輸入信號的振幅小於輸入信號的中點時，在負輸出(如ON)上形成第三脈衝，且脈衝的寬度(如Tn)由該幅度小於中點的量所確定。同樣，在正輸出(如OP)上形成第四脈衝，且脈衝的寬度(Tp)由該幅度小於中點的量所確定。對於這種類型的輸入信號，Tn大於Tp。只要OP和ON信號具有相同的極性，就沒有電流流經揚聲器12。電流流經揚聲器12只有當信號具有正極時的這個時候。在OP和ON信號的標為I1的這部分期間，OP高而ON低，且信號具有不同的極性。不同極性引起揚聲器12兩端的電位和流經揚聲器12的電流脈衝。類似地，在OP和ON信號的標為I2的這部分期間，OP低而ON高，且信號具有不同的極性。不同極性引起揚聲器12兩端的電位和流經揚聲器12的電流脈衝。當信號具有正極時，信號的這些部分是指OP和ON信號的差異或信號差異。

在現有技術的電路中，由於在I1和I2期間流過的電流脈衝的窄帶寬，在信號的I1和I2部分期間流過的電流引起EMI。

正如下文將進一步看到的，電路25經配置成確保在I1和I2期間流過的電流脈衝的最小寬度足夠寬，以確保EMI具有在目標值之下的頻譜，例如三十兆赫茲(30Mhz)。正如從第二圖可看到的，這意味著保持I1或I2的寬度足夠寬，例如大於約三十三奈秒(33nsec)，以確保EMI具有在約三十兆赫茲(30Mhz)之下的頻譜。保持EMI頻譜在約三十兆赫茲之下確保沒有EMI干涉能干擾其他電子電路，例如在電子裝置如行動電話等內部的FM調諧器或RF功率放大器內的內部元件。電路25通過調變來自放大器29的Vb信號來控制I1和I2的寬度，因此控制音頻輸入信號(Vi)和形成調變信號(Vm)的調變信號。產生器37在節點38形成調變信號。在節點38(V38)的調變信號通常具有一個頻率，該頻率高於通常所理解的能被人類感知的最高頻率，通常視為約二十千赫茲(20Khz)。該頻率確保調變信號不在可聽得見的範圍內並能被聽到。信號產生器37可為任何習知的電路，其在理想的最大電壓值處產生類比或數位信號，例如RC振盪器或Gm-C振盪器，且較佳地為環形振盪器。

電路25從外部源11接收類比音頻信號作為在輸入26上的音頻輸入信號(Vi)。去耦電容器通常被插入在源11和輸入26之間，以阻斷來自輸入26的DC電壓。放大器29接收Vi並形成由Vi表示的Vb。放大器29形成在共模電壓附近變化的Vb，使得Vb在共模電壓附近具有正負偏移。信號產生器37在節點38處的產生器37的輸出上形成調變信號(V38)。由產生器37形成的調變信號一般具有的振幅有利於確保D類放大器35形成不同信號的I1和I2寬度，該不同的信號寬度足以保證EMI具有低於大約30Mhz的頻譜。電阻器36和電容器39的類比加法器將來自節點38的調變信號增加給緩衝信號(Vb)，以在節點34上形成已調變信號(Vm)。調變信號(V38)的峰至峰振幅增加至Vb信號，以形成不小於將EMI頻譜保持為低於30Mhz的目標電壓的Vm的最小峰至峰振幅。D類放大器35接收已調變信號(Vm)並形成數位輸出信號OP和ON。

第三圖是以大致形式示出電路25的Vb、V38以及Vm的信號圖。調變信號(V38)由標記為V38的波形表示。第三圖中圖示出的節點34上的已調變信號(Vm)由標記為Vm的波形表示。該描述參照第一至三圖。I1和I2的寬度(T)由下列等式給出：T=(G*Vm)/(2*(Fe*Vp))

其中，T=不同脈衝的寬度(I1或I2)；G=放大器35的增益；Vm=相對於共模電壓的節點34上的已調變信號值；Fe=放大器35對信號Vm進行取樣時的頻率；以及Vp=用於操作放大器35的電壓值(輸入27和回饋28之間的值)。

如從等式中所見，I1或者I2的寬度(T)是由放大器35接收的Vm信號值的函數。將調變信號增加至Vb，使得節點Vm上的已調變信號具有非零最小化峰至峰值。因此，即使Vi，甚至Vb都具有零值，Vm仍然具有基本上等於調變信號的峰至峰值的非零最小峰至峰值。選擇調變信號V38的最大峰至峰振幅，從而確保I1和I2的寬度(T)大於大約33奈秒(33ns)，以在輸入信號Vi為零，從而Vb的值為零時，將EMI頻譜保持在低於大約30Mhz的狀態。這樣就確保對於輸入信號Vi的任何值，從而對於Vb的任何值，I1和I2的寬度(T)都將EMI頻譜保持在低於大約30Mhz。

在一個示意性實施例中，由產生器37產生的調變信號是一種方波，該方波具有大約10mv的振幅，10mv的振幅對於大約10mv的信號Vm產生了最小的峰至峰振幅。對於該實施例，增益(G)為6，取樣頻率(Fe)為250Khz，並且輸入電壓(Vp)為大約3.6v，該輸入電壓使得I1或I2的最小寬度為大約33ns。本領域中具有通常知識者應該理解，節點38處的調變信號的波形可以具有各種波形狀，包括：方波、正弦波、三角波或者其他的波形狀。

為了幫助實現電路25的該功能性，輸入26連接至具有連接至節點30處的放大器29的輸入。電阻器36的第一端子連接至節點30，並且第二端子連接至節點34。調變電路40的輸出連接至節點34。電容器39的第一端子連接至節點34，而第二端子連接至節點38。產生器37的輸出連接至節點38。產生器37連接在輸入27和回饋28之間，以接收操作功率。放大器35的輸入連接至節點34。放大器35的第一輸出連接至輸出31，以及第二輸出連接至輸出32。放大器35和放大器29連接在輸入27和回饋28之間，以接收用於操作放大器35和放大器29的功率。

第四圖示意性地示出了在半導體晶粒51上所形成的半導體裝置或積體電路50的實施例的一部分的放大的平面圖。電路25形成在晶粒51上。晶粒51還可以包括為了簡化圖式而未在第四圖中示出的其他電路。電路25和裝置或積體電路50經由本領域中具有通常知識者眾所周知的半導體製備技術形成在晶粒51上。

在所有以上的視圖中，明顯地揭露了一種新穎的裝置和方法。包括的其他特徵正將調變信號添加給輸入信號，以調整輸入信號的振幅。添加調變信號保證已調變信號具有用於由D類放大器接收的最小峰至峰振幅的零值。添加調變信號還使得調整信號的振幅基本確保由D類放大器形成的脈衝具有低於大約30Mhz的頻譜。

儘管伴隨具體的較佳實施例對本發明的主旨進行了描述，但是，顯然對於半導體技術領域中具有通常知識者而言很多替換和修飾是顯而易見的。例如，加法器可以是任何眾所周知的加法器電路。信號產生器37可以是眾所周知的信號產生器電路。另外，為了清楚地描述，在全文中使用詞語"連接(connect)"，但是，其旨在與詞語"耦接(couple)"具有相同的意思。此外，應該將"連接"解釋為包括直接連接或間接連接。

10‧‧‧音頻系統

11‧‧‧外部源

12‧‧‧音頻揚聲器

13,16,36‧‧‧電阻器

14,17,39‧‧‧電容器

15‧‧‧感應器

18‧‧‧負載

20‧‧‧電池

25‧‧‧電路

26,27‧‧‧輸入

28‧‧‧回饋

29,35‧‧‧放大器

30,34,38‧‧‧節點

31,32‧‧‧輸出

37‧‧‧信號產生器

40‧‧‧調變電路

43,44‧‧‧曲線

50‧‧‧積體電路

51‧‧‧半導體晶粒

第一圖簡要示出根據本發明的包括放大電路的示例性實施例的音頻系統的一部分的實施例；第二圖是示出根據本發明的第一圖的放大電路的一些信號之間的關係的信號圖；第三圖是示出根據本發明的第一圖的放大電路的一些其他信號之間的關係的信號圖；第四圖簡要示出根據本發明的包括第一圖的放大電路的半導體裝置的放大平面圖。