M365017 - 五、新型說明： 、 【新型所屬之技術領域】 本創作係關於一種D類放大器，特別是關於一種以無 濾波器方式推動雙端負載的D類放大器。 【先前技術】 鲁， 相較於能提供低失真但耗電量極高的A類放大器， 以及耗電里低但有父越失真(cr〇ss〇ver出伽出〇11)問題的b 類放大器，AB類放大器及D類放大器都屬於較能兼顧耗 電及音質要求的放大器類型，因此目前被廣泛應用於消費 性音響及視聽設備中。這兩類放大器的主要差別在於， AB類放大器係利用功率電晶體的線性工作區間特性來放 大#就’ D類放大器則是利用脈寬調變（pulse width Modulation，PWM)的技術來放大信號。
φ 請參閱圖一以及圖二，圖一繪示先前技術中半橋式D 類放大器1的示意圖。圖二繪示D類放大器丨中積分信 . 號V^、三角波信號Vtri、脈寬調變信號VpWM的波形以 ^脈寬調變之信號取樣範例。此D類放大器丨包含積分 • 器12、比較器14、驅動放大電路（其包含前置驅動級 16、功率放大級17)及濾波器18。如圖一所示，積分器 12之輸入端係用以接收類比信號Vin，另一輸入端則是透 過電阻R連接至功率放大級17的輸出節點。 類比信號Vin經過積分器1〇2之後產生的積分結果為 積刀佗旒vf。此積分結果和三角波信號Vtri會被輸入比 4 M365017 杈态^04加以比較。三角波信號Vtri可被視為用以取樣 積5㈣Vf的參考信號。因此，三角波信號VTRI的頻率 通常必須遠高於類比信號vin的最高_，以達到良 取樣效果。 v 當積分信號Vf的電壓高於三角波信號vTRI，比較器 =4的輸出結果為即為高準位(H)的脈寬調變信號vpwM ; 當積分信號vf的電壓低於三角波信號Vtri，比較器1〇4 的輪出端則產生低準位(L)的脈寬調變信號Vpwm。積分器 102和比較器1〇4通常被合稱為一脈寬調變電路。原本的 類比彳§號會被這個電路轉換為數位形式的脈寬調變信號； 原類比彳§旒的振幅大小正比於此數位信號中高準位部份 脈寬。 比較器104產生的脈寬調變信號vPWM接著會被前置 驅動級106放大，並用以驅動後續之功率放大級17，亦 即控制功率電晶體Ml、M2導通或關閉。功率放大級17 肩負了放大信號功率的責任。連接於功率放大級17輸出 端的濾波器18由電感L和電容C組成，其功用在於將脈 寬調變信號Vpwm中的載波濾除，還原類比信號的波形。 經還原後的類比信號即為此D類放大器丨提供給負載(揚 聲器2)的驅動信號。 如圖二所示，積分信號Vf穩定於基準電壓時(通常代 表無工作訊號輸入時）’脈寬調變信號Vpwm的電壓準位 為50-50的分佈，50%位於高準位50%位於低準位。此時 因揚聲器2為單端輸入，另一端接地，為了避免揚聲器2 5 M365017 在運作時承受大直流電流流過，故需要有濾波 信號Vpwm中的直流部分。騎使在無工作 波二醜亦在一半的週期峨
^於負載2前設置濾波器雖可協助濾除送往負截 ==，，，真正保留所需的有效訊號，但濾波ΐ 、又、，面提尚了製造成本、增加了電路空間，同時亦 使D類放大器1的靜態電力消耗提高。 、明參閱圖二以及圖四，圖三繪示先前技術中全橋式β 類放大器3電路。圖四繪示D類放大器3中一組積分信 ，(:。正向之積分信號vf+、負向之積分信號Vf_)、三角波 信號VtRI、一組脈寬調變信號（正向之脈寬調變信號 VPWM+、負向之脈寬調變信號VpwM_)的波形以及脈寬調 i:之佗號取樣範例。於此範例中，積分器32接收一組正 向的類比信號Vin+和負向的vin-之後將其積分結果(Vf+ 與Vf-)分別傳遞至比較器34A和比較器34B。此處之這 兩個比較器的輸出信號經過前置驅動級(36A、36B)、功率 放大級(37A、37B)以及濾波器（38A、38B)之後，即成為 可用以驅動揚聲器4的驅動信號。此電路中的積分器32 和比較器34A、34B也被視為一脈寬調變電路。 如圖四所示，積分信號(Vf+、Vf_)穩定於基準電壓時 (通常代表無工作訊號輸入時），脈寬調變信號(VpWM+、 VPWM-)的電壓準位為50-50的分佈，50%位於高準位50 %位於低準位且彼此反向’耦接至負載4形成雙端輸入， ‘ M365017 i制為=聲态4夂脈寬調變信號(Vpwm+、Vpwm_)的差動 以I & d而彼此反相位的脈寬調變信號(VpWM+、VpWM_) 亦^方式驅動揚聲11 4時亦帶來較大的直流信號，通常 定合濾、波器使用。此外，在積分信號(vf+、vf_)穩 於匕電壓時，脈寬調變信號(VpwM+、ν—間亦產 差^咸，造成對遽波器電容充放電的電力消耗。
脈办提出—種D類放大器，其採用同相位的差動 二” k信號調變’可彻無濾、波器方獅士 負载，以解決上述問題。 【新型内容】 一種D類放大器，其用以根 本創作之一範疇在於提供 據—組類比信號推動雙端負載 料根據—具體實施例’ D類放大11包含脈寬調變電路、信 =理電H鶴放大電路。脈寬觀t路接收該組類^ j亚轉換為—_相位之脈寬調變信號。信號處理電路盘 ^寬調變電路電性連接。信號處理電路接收該組脈寬調變信 二且k號處理電路產生一組脈衝信號以分別附加於該组脈 見調變信號。鶴放大耦接於信餘㈣路以及雙端負 ^之間，驅動放大電路接收並放大經處理之該組脈寬調變信 就’並以無濾波器方式驅動該雙端負載。 " 士口其中當該組脈寬調變信號間形成差動有效信號狀態時， k號處理電路產生的脈衝信號可用崎長絲脈寬調& 之差動有效信號狀態。 7 M365017 相較於先鈿技術中的D類放大器利用反相位的脈寬調變 信號以差動方式推動雙端負載，本創作的D類放大器將輸 入的類比信號轉換為一組同相位的脈寬調變信號，並採用無 濾波器方式推動雙端負載，以減低D類放大器的靜態電力 消耗。此外，D類放大益具備信號處理電路用以延長脈寬調 變信號之間的差動有效信號狀態，藉此，可進一步避免脈寬 調變信號的有效信號在經驅動放大電路處理時發生交越失 真。 關於本創作之優點與精神可以藉由以下的創作詳述及 所附圖式得到進一步的瞭解。 【實施方式】 請參閱圖五以及圖六。圖五繪示根據本創作之一具體 實施例中D類放大器5的示意圖。圖六繪示圖五中d類 放大器5的内部電路結構示意圖。於實際應用中，d類放 大器5用以根據一組類比信號vin+、Vin-(例如一組差動 輸入的音訊訊號)推動雙端負載56(例如揚聲器）。如圖五 所示，D類放大器5係採用無濾波器方式推動雙端負载 56。於此實施例中’ D類放大器5包含脈寬調變電路 50、信號處理電路52以及驅動放大電路54。 脈寬調變電路50接收類比信號Vin+、Vin-，並透過 脈寬調變電路50内部電路將其轉換為一組同相位之脈寬 調變信號(如圖五中第一脈寬調變信號Vpwmi以及第二脈寬 調變信號Vpwm2)。於此實施例中，脈寬調變電路50可包 含運算放大器模組500、積分器模組502、第一比較器模組 8 M365017 脸以及第二比較器模組獅。運算放大器模组5〇〇可接收 該組類比錢並先將其處理放大關後續脈_變程序。積 分器模組502根據運算放大器模組5〇〇處理後之類比訊號產 生第-積分信號以及ϋ分信號。該組積分信號(第一積 分信，以及-第二積分信號)分別傳送至第—味器模組5〇4a ^及第二比較器模組5〇4b。第一比較器模組施將第一積 分信號與三角波信號比較，以產生第一脈寬調變俨號 VP麵。第三比較器獅將第二積分信號與三角雜號 比車父，以產生第二脈寬調變信號VPWM2。 ^ =別說明的S，此處的第—脈寬調變信號以及第二脈 =调變#號為-組同相位的脈寬調變信號，於實際應用中， 设计者可透過調整兩個比較獅輯邏減是調整兩個比較 ，所使用^二角波信號，例如將其中—個三角波信號反向或 是將比較器的兩輪人端點互換連接，藉此使第—脈寬調變信 #u VPWM1與第二脈寬調變信號VpwM2具有相同相位。 上口月併參閱圖七，圖七繪示D類放大器5中一組積分 正向之積分信號Vf+、負向之積分信號Vf-)、三角 VTRI、脈寬調變之信號取樣範例、一組脈寬調變 仏號（第脈寬調變信號VPWM1、第二脈寬調變信號 VPWM2)的波形以及兩脈寬調變信號間之差動關係的示意 圖。 % '如圖七所示，於此實施例中，D類放大器5的脈寬調 變電路50可將類比信號Vin+、Vin-經過積分後進行脈寬 调變產生同相位的第一脈寬調變信號Vpwmi與第二脈寬調 M365017 變信號VPWM2。 如圖五所示，D類放大器5的脈寬調變電路5〇產生 的第一脈寬調變信號VpwM1與第二脈寬調變信號VpwM2隨 後經過信號處理電路52以及驅動放大電路54之後可用以 驅動雙端負載56。雙端負載56兩端分別對應祕至第„ 脈寬調變健VP侧鄉二脈_變雜Μ·可根據兩 信號之間的差動部分而運作(例如播放音樂）。 其中，信號處理電路52包含第一邏輯電路單元52〇a 以及第二邏輯電路單it 52Gb ’分別減於職調變電路 50及驅動放大電路54之間。第一邏輯電路單元驗接 收第-脈寬調變信號VP则且包含第一脈衝信號(ρ— signal)產生器52〇Oa。第二邏輯電路單元52%接收第二脈 寬調變信號VpwM2且包含第二脈衝信號產生器5雇。 …如圖五所示，驅動放大電路54可包含第一驅動放大 單元54Ga以及第二驅動放大單元5·，兩組驅動放大單 元分別與前述兩組邏輯電路單元電性連接。 另一方面，第一驅動放大單元54〇a以及第二驅動放 大單元540b分別耦接至雙端負載％之兩端，驅動放大電 路54透過第一驅動放大單元54〇a以及第二驅動放大單元 540b放大兩組脈寬調變信號並以差動方式驅動雙端負載 56。 於此實施例中，如圖六所示，D類放大器5進一步包 含信號回授線路，信號回授線路將驅動放大電路54之輸 10 M365017 出級耦接至積分器模組502之輸入級
如圖七所示’本創作所述同相位的第一脈寬調變信號 Vpwmi與第二脈寬調變信號VpwM2在無輸入信號時(如圖 七之區間A) ’也就是說，當積分信號vf+、vf_穩定於基 f電位，D類放大器5產生的第一脈寬調變信號Vpwmi與 第—脈寬調變信號Vpwm2為同相位且電壓準位50-50八 如圖七的區間A所示，於此實施例中，同相位的第 了脈寬調變信號VpWM1與第二脈寬調變信號VpwM2兩者信 =波形相同，其間不具有差動部位。也就是說，在無輪入 ^旒，，以差動部位為零的第一脈寬調變信號Vpwmi與第 一脈寬調變信號VpwM2不具有電位差，不會產生電流， 可降低靜態電力消耗。 舉例來說，當輸入類比信號的積分結果為高準位時 (向之積分號Vf+大於基準電位時，以圖七中區間b 為例）’、第-脈寬調變信號VpwMi與第二脈寬調變 P:M2為同相位。此外’第—脈寬調變信號VpwMi的高準“ 位口卩刀延長且第二脈寬調變信號的高準位八 短。藉此第-脈寬調變信號VPWM1與第二脈變^ v觸2之間的差值形成差動部位(如圖七的 b . ^ :分），用以進—步推動雙端負載56。第 = 為兩者之_差動有效信號狀態。 動心即可視 r正方面，#輸人類比信號的積分結果為高準位時 (向之積分信號vf+小於基準電位時，以圖七中區間c M365017 為例），第-脈寬調變錢VPWM1的高準位部分縮短 脈寬調變錢VPWM2的高雜部分縣。藉此第—脈 變信號VPWM1與第二脈寬調變信號VPWM2之間亦可形成電 壓差方向相反之差動部位(如圖七的區間c情線部分广 用以進-步推動雙端負载56。此時，第一脈寬調變 vPWM1與第二脈寬調變錢VPWM2之間的差動部分亦可視 為兩者之間的差動有效信號狀態。 相較先前技術中，相反相位的兩脈寬調變信號在無信 號輸入時，仍具有電位差而造成電力消耗。本創作之& 類放大器5，利用同相位的第一脈寬調變信號VpwMi與第 二脈寬調變信號VPWM2傳遞資訊，僅在兩者之間短暫的差 動部分造成電力消耗，可降低D類放大器5的整體電力 消耗。另一方面，此創作之電路架構於實際應用中可進一 步選擇省去設置於負載前的濾波器，以無濾波器方式直接 推動雙端負載，帶來降低電力消耗以及節省製造成本與晶 片佔用空間等優點。 、ΒΘ 另一方面，於實際應用中，每一驅動放大單元的内部 電路可進一步包含前置驅動級(5400a、5400b)以及功率放 大級(5402a、5402b)。一般來說，前置驅動級以及功率放 大級在信號切換時(通常為信號切換經過〇電壓時），若輸 入箣置驅動級以及功率放大級的脈寬調變信號其電壓狀態 的持續時間過短，將發生失真情形，即為所謂之交越失真 (crossover distortion)。 於本創作之D類放大器5可避免交越失真問題的發 12 M365017 生，在信號處理電路52的兩個邏輯電路單元(52〇a、520b) ' 中，第一脈衝信號產生器5200a可包含第一電阻電容振盪 器以及第一放大器。第一放大器與第一電阻電容振盪器電 性連接。第一電阻電容振盪器用以產生第一振盪信號，第 一放大态用以將第一振盡信號放大以產生第一脈衝信號。 另一方面，第二脈衝信號產生器52〇〇b亦可包含第二電阻 - 電容振盪器以及第二放大器，用以產生第二脈衝信號。 # 於此實施例中，該等脈衝信號產生器（5200a、5200b) 產生第一脈衝信號以及第二脈衝信號的時間點，可分別對 應位於該組脈寬調變信號(VPWM1、Vpwm2)的正緣(positive edge)以及負緣(negative edge)。 第一脈衝信號產生器產生之第一脈衝信號可附加於第 一脈寬調變信號VPWM1。第二脈衝信號產生器產生之第 二脈衝信號附加於第二脈寬調變信號VPWM2。並且，藉 由“號處理電路52中兩個邏輯電路單元(52〇a、52〇b)， 鲁 當该組脈寬調變信號之間形成差動有效信號狀態時(如圖 七所不）’第一脈衝信號以及第二脈衝信號可對應延長該 • 組脈寬調變信號之間的差動有效信號狀態，藉此可避免脈 • 寬調變信號之間的差動有效信號狀態因持續區間過短而發 生父越失真。也就是說，D類放大器5的信號處理電路 52可進一步確保脈寬調變信號精確地推動雙端負載允。 相較於先前技術中的D類放大器利用反相位的脈寬調變 信號以差動方式推動雙端負載，本創作的D類放大器將輪 入的類比信號轉換為一組同相位的脈寬調變信號，並採用無 13 if器方式推動雙端貞載，以減低D類放大11的靜態電力 鏺此外，D類放大器具備信號處理電路用以延長脈寬調 ί it _差動有效信號狀態，藉此，可進—步避免脈寬 °周薆仏唬的有效信號在經驅動放大電路處理時發生交越失 真。 藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚 描述本創作之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具 體實施例來對本創作之範疇加以限制。相反地，其目的是 希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本創作所欲申請 之專利範圍的範疇内。
M365017 14 'M365017 【圖式簡單說明】 圖一繪示先前技術中半橋式D類放大器的示意圖。 圖二繪示D類放大器中積分信號、三角波信號、脈 寬調變信號的波形以及脈寬調變之信號取樣範例。 - 圖三繪示先前技術中全橋式D類放大器電路。 φ' 圖四繪示D類放大器中一組積分信號、三角波信 號、一組脈寬調變信號波形以及脈寬調變之信號取樣範 .例。 圖五繪示根據本創作之一具體實施例中D類放大器 的示意圖。 圖六繪示圖五中D類放大器的内部電路結構示意 圖。 • 圖七繪示圖五中D類放大器中一組積分信號、三角 波信號、脈寬調變之信號取樣範例、一組脈寬調變信號的 - 波形以及兩脈寬調變信號間之差動關係的示意圖。 ' 【主要元件符號說明】 1、3、5 : D類放大器 2、38 :揚聲器 12、32 :積分器 14、33Α、33Β :比較器 16、34Α、34Β、5400a、5400b :前置驅動級 15 M.365017 - 17、35A、35B、5402a、5402b :功率放大級 _ 18、36A、36B :濾波器 50 :脈寬調變電路 502 :積分器模組 500 :運算放大器模組 - 504a:第一比較器模組 | 52:信號處理電路 504b :第二比較器模組 520a :第一邏輯電路單元 5200a :第一脈衝信號產生器 5200b :第二脈衝信號產生器 520b :第二邏輯電路單元 54 :驅動放大電路 56 :雙端負載 540a :第一驅動放大單元 540b :第二驅動放大單元 Vf、Vf+、Vf-:積分信號 VTRI :三角波信號
Vpwm、Vpwm+、Vpwm-:脈寬調變信號 Vpwmi :第一脈寬調變信號 VPWM2 :第二脈寬調變信號 Vin、Vin+、Vin-:類比信號 16