TWI435542B - Ｄ類放大器及其方法 - Google Patents

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Description

D類放大器及其方法
本發明一般涉及電子學，特別是涉及形成半導體裝置和結構的方法。
過去，半導體工業使用不同的方法和結構來生產D類放大器。先前的D類放大器有多種應用，例如手機的音頻功率放大器。在這樣的應用中，D類放大器將類比信號轉換成數位信號，並使用數位信號來利用數位開關轉換負載。於2001年4月3日授與CHEN等人的第6,211,728號美國專利中公開了這種D類放大器的一個例子。這些先前的D類放大器的一個缺點是由放大器的轉換所帶來的電磁干擾(EMI)。電磁干擾經常干擾其他電子元件的操作。
因此，希望有一種降低了電磁干擾的D類放大器。
為了說明的簡潔和清楚，圖形中的元件不必是按比例的，而在不同圖式中相同的元件符號表示相同的元件。此外，為說明的簡潔而省略衆所周知的步驟和元件的描述和細節。在此使用的載流電極係指裝置的一個元件，其承載通過該裝置的電流，諸如MOS電晶體的源極或漏極或者雙極電晶體的發射極或集極或者二極體的陰極或陽極，而控制電極係指裝置的一個元件，其控制通過該裝置的電流，諸如MOS電晶體的閘極或雙極電晶體的基極。雖然在此裝置解釋為確定的N－通道或P－通道裝置，本領域普通技術人員將認識到關於本發明的充補裝置也是可以的。本領域技術人員應認識到，這裏使用的詞語"期間"、"同時"、"就在那時"不是精確的詞語，其意味著一個動作在起動動作啟動時立即發生，但在由起始動作啟動的反應之間可以存在一些小的但合理的延遲，如傳播延遲。
圖1用圖形說明了一部分音頻系統10的實施方式，其包括D類放大器11的示範性實施例。配置放大器11以接收信號輸入12上的類比輸入信號，並相應地形成輸出信號以差動地驅動負載15。對於圖1中說明的系統10的示範性實施例，將負載15說明為音頻揚聲器的感應器並將在下文解釋。然而，本領域技術人員應認識到，放大器11可用于其他應用，而負載15可以是另一類型的負載，如在手機中使用的電機或音頻顯示器，而不是音頻揚聲器。本領域技術人員也應認識到，負載15可具有除了感應器以外的未經顯示的其他阻抗成分。連接放大器11以在電壓輸入16和電壓回線17之間接收用於操作放大器11的輸入電壓。輸入16通常連接至電源，如電池，而回線17連接至共用回線，例如共用地線。放大器11在第一輸出13上形成第一輸出信號或正輸出信號(OP)，而在第二輸出14上形成第二輸出信號或負輸出信號(ON)。配置信號OP和ON用以驅動負載15。放大器11通常包括類比放大器20和驅動器電路23。類比放大器20一般從放大器11外部的來源接收類比輸入信號。例如，類比輸入信號可以是來自手機或來自筆記型電腦的音頻信號。放大器20放大類比輸入信號，用濾波器如低通濾波器(未顯示)對類比輸入信號進行濾波，並在放大器20的輸出上產生類比信號。驅動器電路23通常包括控制電路27、H－電橋驅動器或H－電橋、和脈寬調變(PWM)電路，脈寬調變電路將來自放大器20的類比信號轉換成第一脈寬調變(PWM)信號或正PWM信號(DP)和第二PWM信號或負PWM信號(DN)。PWM電路通常包括鋸齒信號產生器或鋸齒部21、第一比較器24和第二比較器25，其被配置成接收來自放大器20的類比信號、接收來自鋸齒部21的鋸齒信號以及形成各自的DP和DN信號。電路23使用此兩個PWM信號(DP和DN)來控制H－電橋。H－電橋包括兩對串聯連接的開關。第一對串聯連接的開關被配置在推拉輸出電路結構中，如由第一電晶體35和第二電晶體36所示。這兩個開關之間的共用連接可形成OP信號並連接至輸出13。第二對串聯連接的開關也被配置在推拉輸出電路結構中，如由第三電晶體38和第四電晶體39所示。第二對串聯連接的開關也具有在這兩個開關之間的共用連接，其形成ON信號並連接至輸出14。H－電橋在輸入16和回線17之間連接，以便連接負載15以接收來自輸入電壓的電流並將電流傳導到回線17。控制電路27包括互斥或(XOR)閘極28、反相器29、OR閘極42和43、AND閘極44和45、以及連接在H－電橋的兩個共用連接之間的短路開關。對於圖1中說明的示範性實施例，短路開關實施為兩個並聯的電晶體31和32。將這兩個晶體管用於該開關以保證在H－電橋的兩個共用點之間的雙向電流。控制電路27形成正開關信號(SP)和負開關信號(SN)，其用於控制各電晶體32和31的開關。在下文將進一步看到，控制電路27可操作地連接以抑制將電流提供給輸出13和14或從輸出13和14吸收電流，並將輸出13和14保持在一個電壓值上，此電壓值高於回線17上的電壓且低於電壓輸入16。在較佳的實施方式中，輸出13和14上的電壓保持在輸入16和17的平均電壓上。
圖2是具有電路23的一些信號的小塊圖的圖式。縱坐標表示所說明信號的增加值，而橫坐標表示信號DP和DN的4個不同狀態。因為有兩個用於控制H－電橋的PWM信號，所以就存在電晶體31、32、35、36、38、39的4種可能狀態(除了一些可用來避免用於H－電橋的推拉輸出電路結構中的交叉傳導的空載時間)。圖2說明了DP和DN的這4種可能狀態以及電路23的一些其他信號的對應狀態。小圖46用圖形說明了來自比較器24的正PWM信號(DP)，而小圖47說明了來自比較器25的負PWM信號(DN)。小圖48說明了來自電路27的正開關信號SP而小圖49說明了來自電路27的負開關信號SN。小圖52說明了輸出13上的輸出信號OP而小圖53說明了輸出14上的輸出信號ON。此解釋參照圖1和圖2。
在較佳的實施方式中，配置鋸齒部21以形成具有固定頻率的鋸齒波形。比較器24和25比較來自放大器20的類比信號和來自鋸齒部21的鋸齒波形，並產生各自的正(DP)和負(DN)PWM信號。因此，比較器24形成DP而比較器25形成DN，兩個信號都具有固定的頻率。DP和DN信號的週期是來自鋸齒部21的鋸齒波形信號的週期。這樣，每個信號DP和DN有一個工作週期，此工作週期通過類比信號和鋸齒波形之間的比較，得自於輸入12上的類比輸入信號的振幅。信號DP和DN的工作週期之差與來自放大器20的類比信號的振幅是成比例的，因此與在輸入12上收到的類比輸入信號的振幅成比例。信號DP和DN的工作週期之差是如下信號的週期的數量，該信號保持DP或DN之一而使另一個信號無效。例如，如果放大器20的輸出接近處於輸出範圍的中點，例如處於放大器20的共模電壓的值上(相當於具有0值的輸入12的類比輸入信號)，DP和DN的工作週期一般大致相等，這樣，工作週期之差接近為0。因為放大器20的輸出上的類比信號的值下降，DP的工作週期下降而DN的工作週期增加。放大器20的輸出上的類比信號的振幅增加時則出現相反的情況。例如，在由鋸齒信號啟動的週期的開始，DP和DN都保持。當鋸齒信號增加，DN可以變成無效而隨後DP可以變成無效。保持DP且未保持DN的那部分週期表示在工作週期之間的差。鋸齒部21通常具有比在輸入12上所接收到的輸入信號的最高頻率更高的頻率。因此，來自比較器24和25的PWM信號以高速取樣輸入信號，以便準確地代表類比輸入信號。
對於信號DP和DN的4種可能狀態中的第一種DP及DN狀態，其在圖2中標識為S1，比較器24的輸出是低的而比較器25的輸出是高的，其可以致能電晶體35和39而使電晶體36和38失能。因為閘極28只有一個輸入是高的，閘極28的輸出為高而迫使反相器29的輸出低，因而使電晶體31和32的開關失能。閘極43和44的輸出是低的而閘極42和45的輸出是高的。因而，可致能電晶體35和39以提供電流來驅動負載15，而電晶體36和38失能。電晶體35將輸出13牽引至輸入16的電壓，而電晶體39將輸出14牽引至回線17的電壓，如小圖52和53所示，從而可差動驅動負載15。除了來自配線的電容和寄生依附於輸出13和14的其他電容以外，電晶體35和39亦對電晶體35、36、38和39的寄生電容充電。電晶體35將輸出13上的電容充電至輸入16的電壓，而電晶體39將輸出14上的電容充電至回線17的電壓。在狀態2(S2)，比較器24和25的輸出都是高的。因為閘極28的兩個輸入都高，閘極28的輸出是低的，而反相器29的輸出是高的，這可以致能電晶體31和32的開關，以便在H－電橋的兩個共用節點上引起短路並防止電路23提供電流給負載15。閘極44和45的輸出是低的而閘極42和43的輸出是高的，這使電晶體35、36、38和39失能。致能電晶體31和32也會引起輸出13和14上的電容劃分這些電容之間的電荷。因此，輸出13和14都充電至輸入16和回線17之間的電壓的接近一半的值上(見小圖52和53的S2)。在第三狀態，在圖2中標識為S3，比較器24的輸出是高的而比較器25的輸出是低的。因為閘極28只有一個輸入是高的，閘極28的輸出是高的而反相器29的輸出是低的，其使電晶體31和32的開關失能。閘極43和44的輸出是高的而閘極42和45的輸出是低的，這可致能電晶體36和38並使電晶體35和39失能。電晶體38將輸出14牽引至輸入16的電壓，而電晶體36將輸出13牽引至回線17的電壓，從而將電流提供給負載15以差動地驅動負載15。電晶體38對輸出14上的寄生電容充電至輸入16上的電壓值，而電晶體36對輸出13上的寄生電容充電至回線17上的電壓值。在第四種狀態S4，兩個比較器24和25的輸出都是低的。比較器24和25為低而迫使閘極28的輸出為低且反相器29的輸出為高。閘極28的低輸出和反相器29的高輸出可致能各自的電晶體32和31的開關。閘極44和45的輸出是低的而閘極42和43的輸出是高的，這使電晶體35、36、38和39失能。致能電晶體31和32使得H－電橋的共用連接短路。因此，可以看到，當數位信號DP和DN處於共同或一致的狀態時，電晶體31和32使輸出13和14短路。致能電晶體31和32也引起輸出13和14上的電容劃分這些電容之間的電荷。因此，使輸出13和14兩者都充電至輸入16和回線17之間電壓的接近一半的值上(見小圖52和53的狀態S4)。如從小圖52和53看到的，當輸出改變狀態以驅動負載15時，每個輸出的電壓擺幅是輸入16和回線17之間電壓的一半的最大值，表示為：Swing＝(V16－V17)/2
其中，V16－V17＝輸入16和回線17上的電壓值之差。
因為由信號OP和ON的切換所產生的EMI與電壓擺幅的平方是成比例的，得出：EMI＝kV2
其中，V＝信號的電壓擺幅，而k＝比例常數
然後，由信號OP和ON生成的EMI接近由以前的D類放大器所產生的EMI的四分之一，該放大器具有的電壓擺幅大致等於提供給D類放大器的電壓，如下所示：EMI(11)＝k((V16－V17)/2)2 ＝k(1/4)(V16－V17)2
為了協助將此功能性提供給放大器11和電路23，電晶體35的源極通常連接至電晶體38的源極和輸入16。電晶體35的漏極通常連接至輸出13、電晶體36的漏極、電晶體32的漏極和電晶體31的漏極。電晶體38的漏極通常連接至輸出14、電晶體39的漏極、電晶體32的源極和電晶體31的源極。電晶體36的源極通常連接至電晶體39的源極和回線17。電晶體35的閘極連接至閘極43的輸出。閘極43的第一輸入通常連接至比較器24的輸出、閘極44的第一輸入和閘極28的第一輸入。閘極43的第二輸入通常連接至反相器29的輸出、電晶體31的閘極和閘極42的第一輸入。閘極42的第二輸入通常連接至比較器25的輸出、閘極45的第一輸入和閘極28的第二輸入。閘極42的輸出連接至電晶體38的閘極。閘極44的第二輸入通常連接至閘極28的輸出、反相器29的輸入、閘極45的第二輸入和電晶體32的閘極。閘極44的輸出連接至電晶體36的閘極。閘極45的輸出連接至電晶體39的閘極。比較器24的非反相輸入通常連接至比較器25的反相輸入和放大器20的輸出。比較器24的反相輸入通常連接至比較器25的非反相輸入和鋸齒部21的輸出。
放大器20的輸入連接至輸入12。
圖3用圖式說明了半導體裝置或在半導體晶片61上形成的積體電路60的一部分實施方式的放大平面圖。放大器11在晶格(die)61上形成。晶格61也可包括為了圖的簡潔而未在圖3中示出的其他電路。放大器11和裝置或積體電路60是採用本領域技術人員所熟知的半導體製造技術在晶格61上形成的。
顯然，藉由以上所有內容，揭露了一種新裝置和方法。在其他特徵中，包括配置放大器以形成第一和第二PWM切換信號並且相應於PWM信號的一些狀態致能開關以使輸出短路。使輸出短路有助於降低由負載的切換所產生的EMI。
雖然本發明的主體部分採用明確的較佳實施方式描述，但很顯然，對於半導體領域的技術人員來說明顯存在許多替代方式和變化。例如，可以採用其他開關電路來阻止電路27驅動負載。此外，為描述的清楚貫穿使用詞語“連接(connect)”，然而，它與詞語“連接(couple)”有同樣的含義。因此，“連接”應解釋為包括直接連接或間接連接。
10．．．音頻系統
11．．．D類放大器
12．．．信號輸入
13．．．第一輸出
14．．．第二輸出
15．．．負載
16．．．電壓輸入
17．．．電壓回線
20．．．類比放大器
21．．．鋸齒部
23．．．驅動器電路
24．．．第一比較器
25．．．第二比較器
27．．．控制電路
28．．．互斥或(XOR)閘極
29．．．反相器
31．．．電晶體
32．．．電晶體
35．．．第一電晶體
36．．．第二電晶體
38．．．第三電晶體
39．．．第四電晶體
42．．．OR閘極
43．．．OR閘極
44．．．AND閘極
45．．．AND閘極
DN．．．第二脈寬調變(PWM)信號
ON．．．第二輸出信號
OP．．．第一輸出信號
SN．．．負開關信號
SP．．．正開關信號
圖1用圖式說明了一部分音頻系統的實施方式，其包括根據本發明的D類放大器的示範性實施方式；圖2是具有根據本發明圖1的放大器的一些信號的小塊圖的圖式；以及圖3用圖式說明了半導體裝置的放大平面圖，其包括至少一部分根據本發明圖1的放大器。
10．．．音頻系統
11．．．D類放大器
12．．．信號輸入
13．．．第一輸出
14．．．第二輸出
15．．．負載
16．．．電壓輸入
17．．．電壓回線
20．．．類比放大器
21．．．鋸齒部
23．．．驅動器電路
24．．．第一比較器
25．．．第二比較器
27．．．控制電路
28．．．互斥或(XOR)閘極
29．．．反相器
31．．．電晶體
32．．．電晶體
35．．．第一電晶體
36．．．第二電晶體
38．．．第三電晶體
39．．．第四電晶體
42．．．OR閘極
43．．．OR閘極
44．．．AND閘極
45．．．AND閘極
DN．．．第二脈寬調變(PWM)信號
ON．．．第二輸出信號
OP．．．第一輸出信號
SN．．．負開關信號
SP．．．正開關信號

Claims (18)

  1. 一種D類放大器，其包括：一第一電路，其可操作地連接以接收一類比信號且相應地形成代表該類比信號之若干數位信號；一第一開關以及一第二開關，其經連接以作為在該第一開關與該第二開關之間的一共用節點上具有一第一輸出的一第一對疊層開關；一第三開關和一第四開關，其經連接以作為在該第三開關與該第四開關之間的一共用節點上具有一第二輸出的一第二對疊層開關；一第五開關，其並聯連接於該第一輸出和該第二輸出之間；一第六開關，其與該第五開關並聯連接；及一控制電路，其可操作地連接以便只將該第一輸出短路至該第二輸出，該控制電路係經配置成從該等數位信號形成一第一控制信號及一第二控制信號，其中該第一控制信號為該等數位信號的共同狀態致能該第一開關且該第二控制信號為該等數位信號的共同狀態致能該第二開關。
  2. 如請求項1所述的D類放大器，其進一步包括該控制電路，該控制電路係經配置成接收一輸入信號，並相應形成一第一脈寬調變信號以及亦相應形成一第二脈寬調變信號，該第一脈寬調變信號具有由該輸入信號的一振幅所確定的一第一工作週期，該第二脈寬調變信號具有由 該輸入信號的一振幅所確定的一第二工作週期，其中所述第一工作週期和第二工作週期之差與該輸入信號的振幅成比例。
  3. 如請求項2所述的D類放大器，其進一步包括該控制電路，該控制電路係經配置成使用該第一脈寬調變信號和該第二脈寬調變信號，來抑制該D類放大器提供電流給該D類放大器的輸出。
  4. 如請求項2所述的D類放大器，其中該D類放大器係經配置成相應於該第一工作週期和該第二工作週期之間的差，以將電流提供給該D類放大器的該輸出。
  5. 如請求項2所述的D類放大器，其中該第一脈寬調變信號和該第二脈寬調變信號具有一固定的頻率。
  6. 如請求項1所述的D類放大器，其中該控制電路係經配置成操作該第五開關以便使該第一輸出至該第二輸出短路。
  7. 如請求項6所述的D類放大器，其中該控制電路係經配置成操作該第六開關以便使該第一輸出至該第二輸出短路。
  8. 如請求項1所述的D類放大器，其中該控制電路可操作地連接以便將該D類放大器的輸出上的一電壓保持為一值，該值接近處於該D類放大器的一回線電壓值和該D類放大器的一操作電壓值之間的一中間點。
  9. 如請求項8所述的D類放大器，其中該控制電路可操作地連接以便使該第一對疊層開關和該第二對疊層開關失能 從而抑制該D類放大器提供電流給該D類放大器的該等輸出。
  10. 一種形成D類放大器的方法，其包括：可操作地連接該D類放大器以相應於一類比輸入信號而形成若干數位信號；配置該D類放大器以相應於該等數位信號而提供電流給該D類放大器的多個輸出；配置並聯於該D類放大器之該等輸出之間的一第一開關；配置與該第一開關並聯的一第二開關；配置該D類放大器的一控制電路，以相應於代表該類比輸入信號的一非零值的該等數位信號的一狀態來抑制該D類放大器提供電流給該等輸出，並且將該D類放大器的該等輸出上的一電壓保持在接近處於該D類放大器的一回線電壓和該D類放大器的一操作電壓之間一中間點的一電壓；及配置該控制電路以從該等數位信號形成一第一控制信號及一第二控制信號，其中該第一控制信號為該等數位信號的共同狀態致能該第一開關且該第二控制信號為該等數位信號的共同狀態致能該第二開關。
  11. 如請求項10所述的方法，其中可操作地連接該D類放大器以相應於該類比輸入信號形成若干數位信號包括：配置該D類放大器以形成一第一PWM信號和一第二PWM信號，該第一PWM信號具有從該類比輸入信號的一振幅所 得出的一第一工作週期，該第二PWM信號具有從該類比輸入信號的該振幅所得出的一第二工作週期，其中該第一工作週期和該第二工作週期之差與該類比輸入信號的該振幅成比例。
  12. 如請求項11所述的方法，其中，配置該D類放大器的該控制電路以相應於該數位信號的該狀態來抑制該D類放大器提供電流給該等輸出包括：配置該D類放大器的該控制電路以相應於該第一PWM信號和該第二PWM信號來抑制該D類放大器提供電流給該等輸出。
  13. 如請求項10所述的方法，其中，配置該D類放大器的該控制電路以抑制該D類放大器提供電流給該等輸出包括：配置該控制電路以將該等輸出連接在一起。
  14. 如請求項13所述的方法，其中，配置該控制電路以將該等輸出連接在一起包括：配置該控制電路以便當該等數位信號處於一共同狀態時將該等輸出連接在一起。
  15. 如請求項10所述的方法，其中，配置該D類放大器的該控制電路以抑制該D類放大器提供電流給該等輸出包括：當該等數位信號處於共同狀態時可操作地連接該控制電路以抑制提供電流給該等輸出。
  16. 一種D類放大器，其包括：一第一電路，其可操作地連接以接收一類比信號並相應形成代表該類比信號的若干數位信號；一H-電橋電路，其具有一第一輸出和一第二輸出，該H-電橋電路可操作地連接以相應於該數位信號而提供電 流給該等輸出並從該等輸出吸收電流；一第一開關，其在該H-電橋電路的該第一輸出和該第二輸出之間並聯連接；一第二開關，其與該第一開關並聯連接；及控制邏輯，其係經配置成從該等數位信號形成一第一控制信號以及一第二控制信號，其中該第一控制信號為該等數位信號的共同狀態致能該第一開關且該第二控制信號為該等數位信號的共同狀態致能該第二開關。
  17. 如請求項16所述的D類放大器，其中該第一開關可操作地連接以相應於該等數位信號抑制該D類放大器提供電流給該等輸出。
  18. 如請求項16所述的D類放大器，其進一步包括：經配置成從該等數位信號形成一控制信號的控制邏輯，其中該控制信號為該等數位信號的共同狀態致能該第一開關。
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