TWI511443B - 三階半橋接脈波寬度調變放大器及其驅動方法 - Google Patents

Description

三階半橋接脈波寬度調變放大器及其驅動方法

本發明性概念係關於放大器，且更特定言之係關於半橋接脈波寬度調變(PWM)放大器。

本申請案根據35 U.S.C. § 119(e)主張2009年3月3日向韓國智慧財產局申請之韓國專利申請案第10-2009-0018097號之優先權，該案之全部內容以引用的方式併入本文中。

PWM為根據輸入信號之振幅改變脈波寬度之技術。

PWM具有高效率、高解析度及低功率消耗之優點。因此，將PWM用於例如D類放大器之放大器及音訊系統。因此，將PWM放大器稱為D類放大器。使用PWM之音訊系統通常在傳輸音訊信號時將音訊信號嵌入於PWM信號中，與音訊信號之取樣速率相比該PWM信號具有較高頻率。PWM放大器將音訊信號轉換為數位PWM信號，放大該PWM信號，且將其輸出至揚聲器或頭戴式耳機(例如，耳機或聽筒)。

為了驅動揚聲器，按照慣例使用全橋接PWM放大器。為了驅動如同頭戴式耳機之裝置(基於零電壓或接地位準將輸入信號施加至該等裝置)，按照慣例使用半橋接PWM放大器。因為PWM信號按照慣例為二階信號，所以在二階PWM驅動方法中根據PWM信號來切換一預定正(+)電壓及接地位準或一正電壓及一負電壓。

在二階PWM驅動方法中，即使當輸入信號為「0」時，輸出端子仍維持50:50之PWM占空比且執行切換。結果，除了由音訊信號消耗之動態電流之外，總是不必要地消耗靜態電流，藉此減小輸出效率。

本發明性概念的例示性實施例提供一種用於藉由減少靜態電流消耗而增大效率的三階半橋接脈波寬度調變(PWM)放大器及其驅動方法。

根據本發明性概念之例示性實施例的一態樣，提供一種包括一PWM產生器及一輸出級之三階半橋接PWM放大器。該PWM產生器經組態以根據一輸入信號之振幅來改變一處於一第一位準或一第二位準之脈波的一寬度，且輸出一具有該第一位準、該第二位準及一參考位準的三階PWM輸出信號。該輸出級經組態以基於該三階PWM輸出信號將一連接至一負載之一端子的輸出節點驅動至一第一電源供應電壓、一第二電源供應電壓或一第三電源供應電壓。

在一例示性實施例中，該PWM產生器可藉由加總一第一PWM信號與一第二PWM信號來輸出該三階PWM輸出信號，該第一PWM信號係藉由根據該輸入信號之大於該輸入信號之該參考位準的一第一輸入信號之一振幅來改變處於該第一位準之該脈波的該寬度而獲得，該第二PWM信號係藉由根據該輸入信號之小於該輸入信號之該參考位準的一第二輸入信號之一振幅來改變處於該第二位準之該脈波的該寬度而獲得。

在一例示性實施例中，該參考位準可為一接地位準，該第一輸入信號可為一正的輸入信號，且該第二輸入信號可為一負的輸入信號。在另一例示性實施例中，該PWM產生器可包括：一第一比較器，其經組態以比較該正的輸入信號與一在該第一位準與該參考位準之間擺動的第一鋸齒波信號且產生該第一PWM信號；及一第二比較器，其經組態以比較該負的輸入信號與一在該參考位準與該第二位準之間擺動的第二鋸齒波信號且產生該第二PWM信號。該第二鋸齒波信號可為一藉由該第一鋸齒波信號之一擺動寬度降低位準的信號且具有與該第一鋸齒波信號相同的波形。在另一實施例中，該第三電源供應電壓具有該接地位準，該第一電源供應電壓具有一高於該第三電源供應電壓之正電壓，且該第二電源供應電壓具有一低於該第三電源供應電壓之負電壓。

在一例示性實施例中，該輸出級可包括：一上拉單元，其經組態以回應於一第一致能信號將該輸出節點驅動至該第一電源供應電壓；一下拉單元，其經組態以回應於一第二致能信號將該輸出節點驅動至該第二電源供應電壓；及一切換單元，其經組態以回應於一第三致能信號將該輸出節點驅動至該第三電源供應電壓。在另一例示性實施例中，該上拉單元包含一上拉電晶體，該上拉電晶體連接於該輸出節點與該第一電源供應電壓之間且回應於該第一致能信號接通，該下拉單元包含一下拉電晶體，該下拉電晶體連接於該輸出節點與該第二電源供應電壓之間且回應於該第二致能信號接通，且該切換單元包含至少一開關，該至少一開關連接於該輸出節點與該第三電源供應電壓之間且回應於該第三致能信號接通。

根據本發明性概念之例示性實施例的另一態樣，一種音訊系統包括一個三階半橋接PWM放大器。該三階半橋接PWM放大器包括一PWM產生器及一輸出級。該PWM產生器經組態以根據一輸入信號之振幅來改變一處於一第一位準或一第二位準之脈波的一寬度，且輸出一具有該第一位準、該第二位準及一參考位準的三階PWM輸出信號。該輸出級經組態以基於該三階PWM輸出信號將一連接至一負載之一端子的輸出節點驅動至一第一電源供應電壓、一第二電源供應電壓或一第三電源供應電壓。

在一實施例中，該PWM產生器可藉由加總一第一PWM信號與一第二PWM信號來輸出該三階PWM輸出信號，該第一PWM信號係藉由根據該輸入信號之大於該輸入信號之該參考位準的一第一輸入信號之一振幅來改變處於該第一位準之該脈波的該寬度而獲得，該第二PWM信號係藉由根據該輸入信號之小於該輸入信號之該參考位準的一第二輸入信號之一振幅來改變處於該第二位準之該脈波的該寬度而獲得。

在一實施例中，該參考位準可為一接地位準，該第一輸入信號可為一正的輸入信號，且該第二輸入信號可為一負的輸入信號。在另一例示性實施例中，該PWM產生器可包括：一第一比較器，其經組態以比較該正的輸入信號與一在該第一位準與該參考位準之間擺動的第一鋸齒波信號且產生該第一PWM信號；及一第二比較器，其經組態以比較該負的輸入信號與一在該參考位準與該第二位準之間擺動的第二鋸齒波信號且產生該第二PWM信號。該第二鋸齒波信號可為一藉由該第一鋸齒波信號之一擺動寬度降低位準的信號且具有與該第一鋸齒波信號相同的波形。在另一實施例中，該第三電源供應電壓具有該接地位準，該第一電源供應電壓具有一高於該第三電源供應電壓之正電壓，且該第二電源供應電壓具有一低於該第三電源供應電壓之負電壓。

在一實施例中，該輸出級可包括：一上拉單元，其經組態以回應於一第一致能信號將該輸出節點驅動至該第一電源供應電壓；一下拉單元，其經組態以回應於一第二致能信號將該輸出節點驅動至該第二電源供應電壓；及一切換單元，其經組態以回應於一第三致能信號將該輸出節點驅動至該第三電源供應電壓。在另一例示性實施例中，該上拉單元包含一上拉電晶體，該上拉電晶體連接於該輸出節點與該第一電源供應電壓之間且回應於該第一致能信號接通，該下拉單元包含一下拉電晶體，該下拉電晶體連接於該輸出節點與該第二電源供應電壓之間且回應於該第二致能信號接通，且該切換單元包含至少一開關，該至少一開關連接於該輸出節點與該第三電源供應電壓之間且回應於該第三致能信號接通。

根據本發明性概念之另一例示性實施例，提供一種驅動一個三階半橋接PWM放大器之方法。該方法包括：產生一個三階PWM輸出信號，其具有一第一位準、一第二位準及一參考位準且具有一根據一輸入信號之一振幅而在該第一位準或該第二位準處改變之脈波的一寬度；及基於該三階PWM輸出信號將一連接至一負載之一端子的輸出節點驅動至一第一電源供應電壓、一第二電源供應電壓或一第三電源供應電壓當中之一電壓。

在一實施例中，該產生該三階PWM輸出信號包括：藉由根據該輸入信號之大於該輸入信號之該參考位準的一第一輸入信號之一振幅來改變處於該第一位準之該脈波的該寬度而產生一第一PWM信號；藉由根據該輸入信號之小於該輸入信號之該參考位準的一第二輸入信號之一振幅來改變處於該第二位準之該脈波的該寬度而產生一第二PWM信號；及藉由加總該第一PWM信號與該第二PWM信號來輸出該三階PWM輸出信號。在另一實施例中，該參考位準為一接地位準，該第一輸入信號為一正的輸入信號，且該第二輸入信號為一負的輸入信號。該產生該第一PWM信號包括比較該正的輸入信號與一在該第一位準與該參考位準之間擺動的第一鋸齒波信號，且該產生該第二PWM信號包含比較該負的輸入信號與一在該參考位準與該第二位準之間擺動的第二鋸齒波信號。該第二鋸齒波信號為一藉由該第一鋸齒波信號之一擺動寬度降低位準的信號且具有與該第一鋸齒波信號相同的波形。

在另一實施例中，在輸入該第一輸入信號的同時，根據該第一輸入信號之該振幅來改變處於該第一位準之該脈波的該寬度，且處於該第二位準之該脈波具有一預定最小寬度。在輸入該第二輸入信號的同時，根據該第二輸入信號之該振幅來改變處於該第二位準之該脈波的該寬度，且處於該第一位準之該脈波具有該預定最小寬度。在另一實施例中，當該輸入信號處於該參考位準時，除了在該第一位準處具有該最小寬度之脈波及在該第二位準處具有該最小寬度之脈波以外，該三階PWM輸出信號處於該參考位準。

本發明性概念的前述及其他特徵及優點將自如在隨附圖式中所說明之本發明性概念的較佳態樣之更特定描述顯而易見，在該等圖式中，貫穿不同視圖，相似參考字符指代相同部分。該等圖式未必按比例，而是重點在於說明本發明性概念之原理。在諸圖中，層及區域之厚度為清楚起見而誇示。

現將在下文中參看隨附圖式來更充分地描述本發明性概念，本發明性概念的實施例展示於該等隨附圖式中。然而，本發明性概念可以許多不同形式來具體化且不應被解釋為限於本文中所闡述之實施例。實情為，提供此等實施例使得本發明將為詳盡及完整的，且將會將本發明性概念的範疇完全地傳達給熟習此項技術者。在諸圖中，為了清楚起見可誇示層及區域之大小及相對大小。相似數字在全文中指代相似元件。

應理解，當一元件被稱為「連接」或「耦接」至另一元件時，其可直接連接或耦接至另一元件或可存在介入元件。對比而言，當一元件被稱為「直接連接」或「直接耦接」至另一元件時，不存在介入元件。如本文中所使用，術語「及/或」包括相關聯所列項目中之一或多者的任何及所有組合，且可縮寫為「/」。

應理解，儘管術語「第一」、「第二」等在本文中可用以描述各種元件，但此等元件不應受此等術語限制。此等術語僅用以區別一元件與另一元件。舉例而言，在不脫離本發明之教示的情況下，第一信號可稱為第二信號，且類似地，第二信號可稱為第一信號。

本文中所使用之術語僅出於描述特定實施例之目的且並不意欲限制本發明。如本文中所使用，除非上下文另外清楚地指示，否則單數形式「一」及「該」意欲亦包括複數形式。應進一步理解，術語「包含」或「包括」在用於本說明書中時指定所陳述特徵、區域、整數、步驟、操作、元件及/或組件之存在，但不排除一或多個其他特徵、區域、整數、步驟、操作、元件、組件及/或其群組之存在或添加。

除非另外定義，否則本文中所使用之所有術語(包括技術及科學術語)具有與一般熟習本發明所屬之技術者通常所理解之含義相同的含義。應進一步理解，諸如常用字典中所定義之術語的術語應解譯為具有與其在相關技術及/或本申請案之內容中之含義一致的含義，且不應以理想化或過度正式的意義來解譯，除非本文中明確地如此定義。

圖1為一例示性放大器輸入信號之波形圖。圖2為關於圖1中所說明之放大器輸入信號所產生之習知二階脈波寬度調變(PWM)信號的圖。

參看圖1，假設放大器輸入信號在一正的峰值電壓MAX與一負的峰值電壓MIN之間擺動。PWM輸出信號按照慣例為具有兩個位準VDD及VSS之脈波信號。參看圖2A至圖2C，PWM輸出信號具有最長之「高」週期(即，如圖2A中所說明，當放大器輸入信號具有正的峰值電壓MAX時，PWM輸出信號處於位準VDD之週期)，且具有最長之「低」週期(即，如圖2C中所說明，當放大器輸入信號具有負的峰值電壓MIN時，PWM輸出信號處於位準VSS之週期)。亦即，當放大器輸入信號增大至正的峰值電壓MAX之位準時，PWM輸出信號逐步具有PWM輸出信號處於位準VDD之「高」週期。當放大器輸入信號減小至負的峰值電壓MIN之位準時，PWM輸出信號逐步具有PWM輸出信號處於位準VSS之「低」週期。如圖2B中所說明，當放大器輸入信號具有零電壓時，PWM輸出信號使「高」週期等於「低」週期且由此具有50:50之占空比。

儘管例如D類放大器之PWM放大器比A類、B類及AB類放大器具有高的效率，但PWM放大器於在位準VDD與位準VSS(或接地位準)之間切換的同時持續地不必要地消耗靜態電流。為了增大PWM放大器之效率，有必要減少此靜態電流消耗。

圖3為根據本發明性概念之一例示性實施例的半橋接PWM放大器10之示意方塊圖。參看圖3，半橋接PWM放大器10包括一Δ-Σ調變器110、一個三階PWM產生器120、一映射器130及一輸出級140。

Δ-Σ調變器110將輸入信號IM量化為較小數目個位元，該等位元為脈波-碼調變(PCM)資料。Δ-Σ調變為與過取樣組合以減小PCM資料之量化雜訊及藉由小數目個位元提供高解析度的調變方案。舉例而言，當半橋接PWM放大器10為音訊系統之音訊放大器時，經過取樣之音訊輸入信號具有過高之解析度而無法直接地轉換為PWM信號。在此情況下，有必要將音訊輸入信號之解析度減小至一適當位準用於使用Δ-Σ調變器110轉換為PWM信號。

圖4為根據本發明性概念之一例示性實施例的在圖3中所說明之Δ-Σ調變器110的示意方塊圖。參看圖4，Δ-Σ調變器110包括一加法器111、一迴路濾波器112及一M位元量化器113。因此，Δ-Σ調變器110之輸出信號OM為經M位元量化之信號。在此例示性實施例中，M遠小於PCM資料(即，輸入信號IM)之位元數目。舉例而言，當PCM資料之長度為十六個或二十個位元時，Δ-Σ調變器110之輸出信號OM的長度為四個或五個位元。

圖5為根據本發明性概念之一例示性實施例的在圖3中所說明之三階PWM產生器120的示意方塊圖。參看圖5，三階PWM產生器120根據輸入至三階PWM產生器120之輸出信號OM之振幅(或位準)改變脈波之寬度，藉此產生PWM輸出信號PWM_Out。三階PWM產生器120可為一類比PWM產生器。三階PWM產生器120包括一斜坡產生器122、一第一比較器121a、一第二比較器121b及一加法器123。

斜坡產生器122產生第一鋸齒波信號SA1及第二鋸齒波信號SA2。如圖7中所說明，第一鋸齒波信號SA1可週期性地在第一位準(例如，預定之正電壓)與參考位準(例如，接地位準)之間增大及減小，且第二鋸齒波信號SA2可具有與第一鋸齒波信號SA1相同之波形但週期性地在參考位準與第二位準(例如，預定之負電壓)之間增大及減小。第一鋸齒波信號SA1在第一位準與參考位準之間擺動，且第二鋸齒波信號SA2在參考位準與第二位準之間擺動。第二鋸齒波信號SA2可為以第一鋸齒波信號SA1之擺動寬度降低位準的信號且可具有與第一鋸齒波信號SA1相同的波形。在本發明性概念之實施例中，第一位準為位準VDD，參考位準為接地位準，且第二位準為位準VSS；然而，本發明性概念並不限於此等實施例。

第一比較器121a比較第一鋸齒波信號SA1與第一輸入信號OM1且輸出第一PWM信號PWM_01。第二比較器121b比較第二鋸齒波信號SA2與第二輸入信號OM2且輸出第二PWM信號PWM_02。加法器123加總來自第一比較器121a之第一PWM信號PWM_01與來自第二比較器121b之第二PWM信號PWM_02且輸出PWM輸出信號PWM_Out。

第一輸入信號OM1可為Δ-Σ調變器110之輸出信號OM中具有高於或等於參考位準(亦即，接地位準「0」)之位準的信號，且第二輸入信號OM2可為Δ-Σ調變器110之輸出信號OM中具有低於或等於「0」之位準的信號。第一比較器121a在第一輸入信號OM1大於第一鋸齒波信號SA1時輸出處於第一位準(亦即，位準VDD)之第一PWM信號PWM_01，且在第一輸入信號OM1小於第一鋸齒波信號SA1時輸出處於參考位準(亦即，接地位準)之第一PWM信號PWM_01。第二比較器121b在第二輸入信號OM2大於第二鋸齒波信號SA2時輸出處於參考位準(亦即，接地位準)之第二PWM信號PWM_02，且在第二輸入信號OM2小於第二鋸齒波信號SA2時輸出處於第二位準(亦即，位準VSS)之第二PWM信號PWM_02。

因此，三階PWM產生器120輸出具有三個位準(即，第一位準、第二位準及參考位準)之PWM輸出信號PWM_Out。或者，三階PWM產生器120可藉由計數根據輸入至三階PWM產生器120之信號OM之位準的數位時脈來產生PWM輸出信號PWM_Out。

圖6為根據本發明性概念之一例示性實施例的在圖3中所說明之輸出級140的電路圖。輸出級140基於三階PWM輸出信號PWM_Out將輸出節點NO驅動至第一電源供應電壓VDD、第二電源供應電壓VSS或第三電源供應電壓GND。參看圖6，輸出級140包括一上拉電晶體PUT、一下拉電晶體PDT及一切換單元SW。

上拉電晶體PUT連接於第一電源供應電壓VDD與輸出節點NO之間且回應於第一致能信號VDD_EN將輸出節點NO驅動至第一電源供應電壓VDD。圖3之半橋接PWM放大器可用於音訊系統中。圖6說明一音訊系統中之輸出級140。輸出節點NO連接至負載141(例如，音訊系統之頭戴式耳機、聽筒或耳機)之一端子。負載141之另一端子連接至接地。下拉電晶體PDT連接於輸出節點NO與第二電源供應電壓VSS之間且回應於第二致能信號VSS_EN將輸出節點NO驅動至第二電源供應電壓VSS。

切換單元SW連接於輸出節點NO與第三電源供應電壓GND之間且回應於第三致能信號GND_EN接通或斷開。當切換單元SW接通時，輸出節點NO連接至第三電源供應電壓GND(亦即，接地)且輸出節點NO處之電壓變成接地位準。切換單元SW可包括至少一開關，其可(例如)藉由電晶體或傳輸閘實施。

返回參看圖3，映射器130根據PWM輸出信號PWM_Out產生第一致能信號至第三致能信號VDD_EN、VSS_EN及GND_EN，其將在下文詳細描述。

圖7以及圖8A及8B為根據本發明性概念之一例示性實施例的用於解釋半橋接PWM放大器10之操作的波形圖。圖7為輸入至三階PWM產生器120之信號OM1、OM2、SA1及SA2的波形圖。圖8A及圖8B為PWM輸出信號PWM_Out之波形圖。

將參看圖3至圖8B描述半橋接PWM放大器10之操作。

如圖8A及圖8B中所說明，在正輸入一大於輸入信號(即，輸出信號OM)之零之正輸入信號(即，第一輸入信號OM1)的週期期間，第一比較器121a比較第一鋸齒波信號SA1與第一輸入信號OM1、在第一輸入信號OM1大於第一鋸齒波信號SA1時輸出第一電源供應電壓VDD，且在第一輸入信號OM1小於第一鋸齒波信號SA1時輸出第三電源供應電壓GND。在此週期期間，如圖8B中所說明，第二比較器121b輸出一最小脈波信號，該最小脈波信號具有一預定最小寬度且在第二鋸齒波信號SA2之每一循環處(例如，每當第二鋸齒波信號SA2為零時)具有第二電源供應電壓VSS。

PWM輸出信號PWM_Out之脈波之寬度可自一預定最小值改變為一預定最大值。最小脈波為PWM輸出信號PWM_Out之脈波當中具有最小寬度之脈波，且可指代一歸零脈波。

如圖8A及圖8B中所說明，在正輸入一小於輸入信號之零之負輸入信號(即，第二輸入信號OM2)的週期期間，第二比較器121b比較第二鋸齒波信號SA2與第二輸入信號OM2、在第二輸入信號OM2大於第二鋸齒波信號SA2時輸出第三電源供應電壓GND，且在第二輸入信號OM2小於第二鋸齒波信號SA2時輸出第二電源供應電壓VSS。在此週期期間，如圖8B中所說明，第一比較器121a輸出一最小脈波信號，該最小脈波信號具有一預定最小寬度且在第一鋸齒波信號SA1之每一循環處(例如，每當第一鋸齒波信號SA1為零時)具有第一電源供應電壓VDD。

因此，如圖8A中所說明，由加總自第一比較器121a輸出之第一PWM信號PWM_01與自第二比較器121b輸出之第二PWM信號PWM_02得到的PWM輸出信號PWM_Out可為一具有第一電源供應電壓VDD、第二電源供應電壓VSS及第三電源供應電壓GND之三階脈波信號。如圖8B中所說明，若第一比較器121a及第二比較器121b輸出最小脈波(亦即，歸零脈波)，則PWM輸出信號PWM_Out可包括脈波。

為便利起見，在圖7中將輸入信號OM1及OM2說明為類比正弦波信號；然而，與鋸齒波信號SA1及SA2比較之信號可為經Δ-Σ調變之信號且由此具有與圖7中所說明之輸入信號OM1及OM2不同之波形。

另外，為了描述的清楚起見，在圖5中所說明之實施例中，單獨地提供第一比較器121a及第二比較器121b；然而，本發明性概念並不限於此等實施例。舉例而言，可將第一比較器121a及第二比較器121b組合為一個比較器，其在接收一正輸入信號之週期期間比較該大於零之正輸入信號(即，第一輸入信號OM1)與第一鋸齒波信號SA1且輸出PWM輸出信號PWM_Out，且在接收一負輸入信號之週期期間比較該小於零之負輸入信號(即，第二輸入信號OM2)與第二鋸齒波信號SA2且輸出PWM輸出信號PWM_Out。

圖9A至圖9C為說明根據本發明性概念之一例示性實施例的在圖6中所說明之輸出級140根據PWM輸出信號PWM_Out之不同位準的操作之電路圖。圖10為表示根據本發明性概念之一例示性實施例的在圖3中所說明之映射器130的表。圖11為根據本發明性概念之一例示性實施例的表示PWM輸出信號PWM_Out之不同位準之信號的圖。

參看圖9A至圖9C、圖10及圖11，根據本發明性概念之一例示性實施例的PWM產生器之輸出信號(即，PWM輸出信號PWM_Out)具有三個位準(例如，高位準VDD、零位準GND及低位準VSS)，如圖11中所說明。因此，如圖9A至圖9C中所說明，輸出級140在根據PWM輸出信號PWM_Out之位準的三個模式下操作。對於圖9A至圖9C中所說明之輸出級140的操作而言，如圖10中所說明，映射器130根據PWM輸出信號PWM_Out選擇性地啟動致能信號VDD_EN、VSS_EN及GND_EN。

如圖9A中所說明，當PWM輸出信號PWM_Out處於高位準VDD時，僅將第一致能信號VDD_EN啟動至「0」且將其他致能信號VSS_EN及GND_EN撤銷至「0」，使得輸出級140將輸出節點NO驅動至第一電源供應電壓VDD。如圖9C中所說明，當PWM輸出信號PWM_Out處於低位準VSS時，僅將第二致能信號VSS_EN啟動至「1」且將其他致能信號VDD_EN及GND_EN分別撤銷至「1」及「0」，使得輸出級140將輸出節點NO驅動至第二電源供應電壓VSS。如圖9B中所說明，當PWM輸出信號PWM_Out處於零位準GND時，僅將第三致能信號GND_EN啟動至「1」且將其他致能信號VDD_EN及VSS_EN分別撤銷至「1」及「0」，使得輸出級140將輸出節點NO驅動至第三電源供應電壓GND。

圖12為根據本發明性概念之另一例示性實施例之放大器輸入信號IM的波形圖。圖13A至圖13H為根據本發明性概念之一例示性實施例的三階PWM輸出信號PWM_Out相對於圖12中所說明之放大器輸入信號IM的波形圖。如圖12中所說明，放大器輸入信號IM在正的峰值電壓MAX與負的峰值電壓MIN之間擺動。如圖13A至圖13H中所說明，關於圖12中所說明之放大器輸入信號IM之八個不同階段(1)至(8)中之每一者，PWM輸出信號PWM_Out切換至三個位準VDD、GND及VSS中之一者。

關於圖12中輸入信號IM自零電壓向正的峰值電壓MAX增大之階段(1)，如圖13A之波形(1)中所說明，PWM輸出信號PWM_Out具有處於位準VDD之脈波之不斷增大的寬度。此時，可在PWM輸出信號PWM_Out之每一循環處輸出具有位準VSS之最小脈波。除了處於位準VDD之具有不斷增大之寬度的脈波以外，以接地位準GND輸出PWM輸出信號PWM_Out，藉此防止不必要之靜態電流出現。

當輸入信號IM在圖12中之階段(2)處到達正的峰值電壓MAX時，如圖13B之波形(2)中所說明，PWM輸出信號PWM_Out具有處於位準VDD之脈波之最大寬度。當輸入信號IM在圖12中之階段(3)處自正的峰值電壓MAX向零電壓減小時，如圖13C之波形(3)中所說明，PWM輸出信號PWM_Out具有處於位準VDD之脈波之不斷減小的寬度。當輸入信號IM在圖12中之階段(4)處為「0」時，如圖13D之波形(4)中所說明，PWM輸出信號PWM_Out在大部分時間以接地位準GND輸出。

如圖1及圖2中所說明，當輸入信號為零時，典型之二階PWM輸出信號以50:50之占空比切換至位準VDD及位準VSS且不具有接地位準GND。結果，靜態電流被消耗至最大值。對比而言，當使用根據本發明性概念之例示性實施例的三階PWM放大器時，關於零電壓之輸入幾乎無任何靜態電流消耗。

關於圖12中輸入信號IM自零電壓向負的峰值電壓MIN減小之階段(5)，如圖13E之波形(5)中所說明，PWM輸出信號PWM_Out具有處於位準VSS之脈波之不斷增大的寬度。此時，除了處於位準VSS之具有不斷增大之寬度的脈波以外，以接地位準GND輸出PWM輸出信號PWM_Out，藉此防止不必要之靜態電流出現。

當輸入信號IM在圖12中之階段(6)處到達負的峰值電壓MIN時，如圖13F之波形(6)中所說明，PWM輸出信號PWM_Out具有處於位準VSS之脈波的最大寬度。當在圖12中之階段(7)處輸入信號IM自負的峰值電壓MIN向零電壓增大時，如圖13G之波形(7)中所說明，PWM輸出信號PWM_Out具有處於位準VSS之脈波之不斷減小的寬度。當輸入信號IM在圖12中之階段(8)處為「0」時，如圖13H之波形(8)中所說明，PWM輸出信號PWM_Out在大部分時間以接地位準GND輸出。

如上文所描述，根據本發明性概念之例示性實施例，三階PWM放大器在對於信號分量之輸出而言不必要的週期期間輸出處於接地位準之PWM輸出信號，藉此顯著地抑制靜態電流。當使用典型之二階PWM放大器時，爆出雜訊(pop-up noise)可能歸因於由電壓VDD與電壓VSS之間的失配所引起之DC偏移而出現。當使用根據本發明性概念之例示性實施例的三階PWM放大器時，歸因於電壓失配而發生之DC偏移大部分地得以抑制，因為PWM輸出信號在輸入信號為零之大部分時間處於接地位準。

因此，根據本發明性概念之例示性實施例的三階半橋接PWM放大器藉由減小靜態電流而增大效率，藉此減少系統之功率消耗且增加操作時間。因此，本發明性概念為系統設計提供便利及可靠性。

本發明性概念之例示性實施例可以硬體、軟體、韌體或其組合來具體化。

本發明性概念亦可具體化為電腦可讀媒體上之電腦可讀程式碼。電腦可讀記錄媒體為可將資料儲存為其後可由電腦系統讀取之程式之任何資料儲存裝置。電腦可讀記錄媒體之實例包括唯讀記憶體(ROM)、隨機存取記憶體(RAM)、CD-ROM、磁帶、軟性磁碟及光學資料儲存裝置。電腦可讀傳輸媒體可傳輸載波或信號(例如，經由網際網路之有線或無線資料傳輸)。電腦可讀記錄媒體亦可分散於網路耦接之電腦系統上，以使得電腦可讀程式碼以分散方式儲存且執行。又，用以實現本發明性概念的功能程式、程式碼及程式碼區段可由一般熟習本發明性概念所屬之技術者容易地解釋。

儘管已特定地展示本發明性概念並參考其例示性實施例進行描述，但一般熟習此項技術者應理解，在不脫離如由以下申請專利範圍所界定之本發明性概念的精神及範疇之情況下可在其中進行形式及細節上的各種改變。

10．．．半橋接PWM放大器

110．．．Δ-Σ調變器

111．．．加法器

112．．．迴路濾波器

113．．．M位元量化器

120．．．三階PWM產生器

121a．．．第一比較器

121b．．．第二比較器

122．．．斜坡產生器

123．．．加法器

130．．．映射器

140．．．輸出級

141．．．負載

GND．．．第三電源供應電壓

GND_EN．．．第三致能信號

IM．．．輸入信號

NO．．．輸出節點

OM．．．輸出信號

OM1．．．第一輸入信號

OM2．．．第二輸入信號

PDT．．．下拉電晶體

PUT．．．上拉電晶體

PWM_01．．．第一PWM信號

PWM_02．．．第二PWM信號

PWM_Out．．．PWM輸出信號

SA1．．．第一鋸齒波信號

SA2．．．第二鋸齒波信號

SW．．．切換單元

VDD．．．第一電源供應電壓

VDD_EN．．．第一致能信號

VSS．．．第二電源供應電壓

VSS_EN．．．第二致能信號

圖1為一例示性放大器輸入信號之波形圖；

圖2A至圖2C為關於圖1中所說明之放大器輸入信號所產生之習知二階脈波寬度調變(PWM)信號的圖；

圖3為根據本發明性概念之一例示性實施例的半橋接PWM放大器之示意方塊圖；

圖4為根據本發明性概念之一例示性實施例的在圖3中所說明之Δ-Σ調變器的示意方塊圖；

圖5為根據本發明性概念之一例示性實施例的在圖3中所說明之三階PWM產生器的示意方塊圖；

圖6為根據本發明性概念之一例示性實施例的在圖3中所說明之輸出級的電路圖；

圖7以及圖8A及圖8B為說明根據本發明性概念之一例示性實施例的PWM放大器之操作的波形圖；

圖9A至圖9C為展示根據本發明性概念之一例示性實施例的在圖6中所說明之輸出級根據PWM輸出信號之不同位準的操作之電路圖；

圖10為表示根據本發明性概念之一例示性實施例的在圖3中所說明之映射器的表；

圖11為根據本發明性概念之一例示性實施例的表示PWM輸出信號之不同位準之信號的圖；

圖12為根據本發明性概念之另一例示性實施例之放大器輸入信號的波形圖；及

圖13A至圖13H為根據本發明性概念之一例示性實施例的三階PWM輸出信號相對於圖12中所說明之放大器輸入信號的波形圖。

120．．．三階PWM產生器

121a．．．第一比較器

121b．．．第二比較器

122．．．斜坡產生器

123．．．加法器

OM1．．．第一輸入信號

OM2．．．第二輸入信號

PWM_01．．．第一PWM信號

PWM_02．．．第二PWM信號

PWM_Out．．．PWM輸出信號

SA1．．．第一鋸齒波信號

SA2．．．第二鋸齒波信號

Claims (10)

1. 一種三階半橋接脈波寬度調變(PWM)放大器，其包含：一PWM產生器，其經組態以根據一輸入信號之一振幅來改變一處於一第一位準或一第二位準之脈波的一寬度，且輸出一具有該第一位準、該第二位準及一參考位準的三階PWM輸出信號，其中該PWM產生器在該輸入信號是零時輸出具有該參考位準的三階PWM輸出信號；及一輸出級，其經組態以基於該三階PWM輸出信號將一連接至一負載之一端子的輸出節點驅動至一第一電源供應電壓、一第二電源供應電壓及一第三電源供應電壓當中的一電壓。
2. 如請求項1之三階半橋接PWM放大器，其中該PWM產生器藉由加總一第一PWM信號與一第二PWM信號來輸出該三階PWM輸出信號，該第一PWM信號係藉由根據該輸入信號之一第一輸入信號之一振幅大於該輸入信號之該參考位準來改變處於該第一位準之該脈波的該寬度而獲得，該第二PWM信號係藉由根據該輸入信號之一第二輸入信號之一振幅小於該輸入信號之該參考位準來改變處於該第二位準之該脈波的該寬度而獲得。
3. 如請求項2之三階半橋接PWM放大器，其中該參考位準為一接地位準，該第一輸入信號為一正的輸入信號，且該第二輸入信號為一負的輸入信號。
4. 如請求項3之三階半橋接PWM放大器，其中該PWM產生器包含： 一第一比較器，其經組態以比較該正的輸入信號與一在該第一位準與該參考位準之間擺動的第一鋸齒波信號且產生該第一PWM信號；及一第二比較器，其經組態以比較該負的輸入信號與一在該參考位準與該第二位準之間擺動的第二鋸齒波信號且產生該第二PWM信號，其中該第二鋸齒波信號為一藉由該第一鋸齒波信號之一擺動寬度降低位準的信號且具有與該第一鋸齒波信號相同的波形。
5. 如請求項4之三階半橋接PWM放大器，其中該第三電源供應電壓具有該接地位準，該第一電源供應電壓為一高於該第三電源供應電壓之正電壓，且該第二電源供應電壓為一低於該第三電源供應電壓之負電壓。
6. 如請求項1之三階半橋接PWM放大器，其中該輸出級包含：一上拉單元，其經組態以回應於一第一致能信號將該輸出節點驅動至該第一電源供應電壓；一下拉單元，其經組態以回應於一第二致能信號將該輸出節點驅動至該第二電源供應電壓；及一切換單元，其經組態以回應於一第三致能信號將該輸出節點驅動至該第三電源供應電壓。
7. 如請求項6之三階半橋接PWM放大器，其中該上拉單元包含一上拉電晶體，該上拉電晶體連接於該輸出節點與該第一電源供應電壓之間且回應於該第一致能信號而接 通；該下拉單元包含一下拉電晶體，該下拉電晶體連接於該輸出節點與該第二電源供應電壓之間且回應於該第二致能信號而接通；且該切換單元包含至少一開關，該至少一開關連接於該輸出節點與該第三電源供應電壓之間且回應於該第三致能信號而接通。
8. 如請求項1之三階半橋接PWM放大器，其中該輸入信號為一經Δ-Σ調變之信號。
9. 如請求項1之三階半橋接PWM放大器，其中該負載之另一端子連接至一接地。
10. 一種包含一個三階半橋接PWM放大器之音訊系統，其中該三階半橋接PWM放大器包含：一PWM產生器，其經組態以根據一輸入信號之振幅來改變一處於一第一位準或一第二位準之脈波的一寬度，且輸出一具有該第一位準、該第二位準及一參考位準的三階PWM輸出信號，其中該PWM產生器在該輸入信號是零時輸出具有該參考位準的三階PWM輸出信號；及一輸出級，其經組態以基於該三階PWM輸出信號將一連接至一負載之一端子的輸出節點驅動至一第一電源供應電壓、一第二電源供應電壓及一第三電源供應電壓當中的一電壓。