專利名稱：D級數(shù)字放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及數(shù)字放大器。
參照資料除在本說明書中參考的專利外，詳細參考[1]“Pulse Edge Delay Error Correction(PEDEC)-A Novel PowerStage Error Correction Principle for Power Digital-Analog Conversion(脈沖沿誤差校正(PEDEC)-一種用于數(shù)模轉換的新穎功率級誤差原理)”by Karsten Nielsen，Proceedings of the 103rd Convention of the AudioEngineeering Society(聲頻工程協(xié)會的第103次會議會刊)，1997年9月?！癆 Review and Comparison of Pulse Width Modulation(PWM)Mehtods for Analog and Digital Input Switching Power Amplifiers(用于模數(shù)輸入切換功率放大器的脈沖寬度調制(PWM)方法的回顧和比較)”byKarsten Nielsen，Proceedings of the 102ndConvention of the AudioEngineeering Society(聲頻工程協(xié)會的第102次會議會刊)，1997年3月?！癆ll Digital Power Amplifier Based on Pulse Width Modulation(基于脈沖寬度調制的全數(shù)字功率放大器)”by Karsten Nielsen，Proceedings of the 96thConvention of the Audio Engineeering Society(聲頻工程協(xié)會的第96次會議會刊)，1994年2月。
D級放大器使用脈沖寬度調制(PWM)技術數(shù)字地處理模擬信號，因而導致增大的效率。PWM信號施加到一個提供高輸出電流能力的功率DMOS H橋。
恒定振幅但變化寬度的高頻方波從調制器輸出。當用來放大聲頻時，這些變寬度脈沖包含聲頻信息。輸出信號必須低通濾波以把聲頻信息與高頻信號相隔離。適當?shù)臑V波保證由系統(tǒng)產生的聲音的質量。


圖1是方塊圖，按功能表示一般描繪為10的D級放大器的主要元件。聲頻信號供給到一個輸入級11，輸入級11的輸出由一個PWM調制器12調制，PWM調制器12把模擬輸入信號變成一個恒頻率、變工作循環(huán)的PWM信號。這似乎復雜的操作借助于一個設置到一個固定頻率例如250kHz的斜坡發(fā)生器和比較器實現(xiàn)。斜坡發(fā)生器一般產生一種三角波形，這種波形與模擬輸入信號一起連接到一個比較器。比較器的輸出每次交叉切換模擬輸入信號和三角波形。來自比較器的生成輸出是一個包含模擬輸入信號信息的250kHz PWM波形。
生成數(shù)字信號供給到一個在一種H橋配置中使用有力和有效DMOS晶體管的PWM增益單元13。DMOS晶體管把功率從電源傳遞到一個使用“能量包”、由調制器12產生的PWM信號控制的低通濾波器14。在D級放大器中的晶體管工作在截止或飽和區(qū)域中，類似于開關模式電源的操作。以這種方式操作DMOS晶體管使普通與線性功率放大器中的晶體管有關的功率損失最小。然而，與切換狀態(tài)和rDS(ON)-這在它處于ON狀態(tài)時是DMOS的內部電阻-有關的可忽略損失，是不可避免的。當前，最小化這些損失的程度是高度設計依賴的，并且反映在放大器的整體成本中。如果效率的大部分增益不損失在濾波階段，則包括一個電感器和一個電容器的低通濾波器14要求認真設計。
盡管與常規(guī)模擬功率放大器相比改進了D級放大器的效率，但因為如下幾個原因這些電路布局的使用在專業(yè)聲頻領域不象期望的那樣廣泛1.切換系統(tǒng)的性能對系統(tǒng)的抽樣頻率的直接依賴。這需要不容易得到的元件，強迫選擇投入實用復雜的具體解決方案。
2.重新建造放大聲頻信號的低通濾波器的性能差。
3.在制造可靠高性能(低失真)系統(tǒng)時涉及的困難。
4.在控制系統(tǒng)的傳導和輻射發(fā)射以避免對系統(tǒng)元件的有害影響和對其他設備的干擾時涉及的困難。
5.與其線性等效物相比，系統(tǒng)成本(從設計和制造的觀點看毫無疑問更復雜)僅對于中/高功率裝置有競爭力。
圖2是方塊圖，按功能表示根據(jù)誤差校正使用從低通濾波器的輸出至脈沖調制器的輸入的反饋改進性能的常規(guī)方法。因而，這里表示一般描繪為20的一個數(shù)字聲頻放大器，包括一個脈沖調制器21、一個功率開關22及一個解調濾波器23。一個誤差校正電路24提供在解調濾波器23與脈沖調制器21之間的反饋環(huán)路。這樣的技術公開在科學和專利文獻中。
例如，美國專利No.5,410,592(Wagner等)公開了一種具有狀態(tài)變量反饋控制的D級聲頻揚聲器放大器電路。一個聲頻放大器提供為驅動一個或多個尋呼揚聲器的電話源聲頻信號提供功率增大。狀態(tài)變量反饋網絡監(jiān)視對其聯(lián)接尋呼揚聲器的一個聲頻輸出濾波器的電壓和電流值，以便調節(jié)放大器電路的操作，如必需的那樣，補償聲頻輸出濾波器的揚聲器負載的變化。D級放大器包括一個脈沖寬度調制器，該脈沖寬度調制器控制一個功率H-橋配置切換電路的切換。切換電路相對尋呼揚聲器負載放出和吸收電流。功率橋切換電路的輸出是一個高能量方波型信號，該信號在一個下游聲頻濾波器中濾波以除去切換瞬態(tài)，并且為對于尋呼揚聲器的用途保持希望的聲音尋呼信號。狀態(tài)變量反饋網絡監(jiān)視在聲頻濾波器電路的多個電路位置處的電流流動和電壓的變化，并且求和監(jiān)視的變化以產生一個誤差信號，該誤差信號反饋回聲音尋呼放大器電路的輸入并且與聲頻輸入信號相結合。
美國專利4,178,556(Attwood；Brian E.)公開了一種包括一個脈沖寬度調制器的D級放大器系統(tǒng)，該脈沖寬度調制器借助于一個聲頻信號用來脈沖寬度調制具有一個比該聲頻信號高的頻率的載波信號。一個輸出切換放大器連接到該調制器上，而一個低通濾波器連接到輸出放大器上，以把一個解調聲頻信號供給到一個負載。一個以載波信號頻率諧振的陷波電路提供在低通濾波器中，以允許來自陷波電路的一個輸出信號的、免于載波信號分量的部分負反饋回脈沖寬度調制器。
授予索尼公司的美國專利4,059,807(Hamada)公開了一種脈沖寬度調制放大器。一個脈沖寬度調制電路包括一個用來把一個輸入聲頻信號與一個反饋信號相結合和用來產生一個供給到一個積分電路的差值信號的混頻器。積分電路聯(lián)接到一個脈沖寬度調制器上，該調制器具有一個用來調制輸入聲頻信號的鋸齒載波輸入。生成脈沖調制信號然后供給到一個脈沖放大器和一個低通濾波器，并且最后到一個負載。低通濾波器的輸出聯(lián)接回混頻器。
也授予索尼公司的美國專利4,021,745(Suzuki等)公開了一種脈沖寬度調制放大器，該放大器帶有一個第一輸入終端，供有一個矩形波信號作為載波；和一個第二輸出終端，供有一個調制信號，如聲頻信號。矩形波信號和調制信號都供給到一個積分器，積分器的輸出供給到一個高增益放大器。一個聯(lián)接到高增益放大器上的低通濾波器產生一個與調制信號相對應并且供給到一個輸出終端的解調信號。一個負反饋電路連接在高增益放大器的輸出與積分器的輸入之間。
矩形波信號由積分器積分，以便產生一個相對于該矩形波信號移相90°的鋸齒信號。同樣，因為調制信號也經積分器供給到高增益放大器，所以它也移相90°。因而，就供給到高增益放大器的兩個信號而論，他們等效于與調制信號一起供給一個正規(guī)鋸齒信號，如在先有技術中更普通地進行的那樣。然而，因為他們在積分器中移相90°，所以當把從高增益放大器導出的脈沖寬度調制信號負反饋到積分器的輸入時，有效相位移動是180°，因而理論上保證負反饋是穩(wěn)定的并且高增益放大器不會振蕩。
在實際中，在模擬由Suzuki等公開的電路時，遠不清楚其中公開的配置實現(xiàn)改進穩(wěn)定性的目的。當然，從電路布局考慮，顯然Suzuki等把其反饋施加到積分器輸入上，即在電路中他們想穩(wěn)定的確切點。結果，電路容易出現(xiàn)必須由外部電路校正的不穩(wěn)定性問題，因而增加了放大器的復雜性和成本。
美國專利4,472,687(Kashiwagi等)公開了一種聲頻功率放大器，用來通過電源電壓的切換把電力供給到負載。為此目的，直流電源經一個切換元件、一個平滑電路、及一個輸出放大元件聯(lián)接到一個負載上。該元件接收要放大的一個輸入信號電壓。提供一個電壓檢測電路，該電路把與平滑電路的一個輸出電壓成比例的一個反饋電壓與切換切換元件的輸入信號電壓相比較，由此按照輸入信號電壓改變輸出放大元件的電源電壓、和負載輸出電壓。由于把平滑電路的輸出電壓與輸入信號電壓相比較，所以能減小輸出放大元件的電源電壓變化相對于負載輸出電壓的延遲，并且能抑制失真的產生和效率的降低。
在D級放大器中使用的技術的多種在作者為Karsten Nielsen并且提交給聲頻工程協(xié)會(Audio Engineeering Society)的一系列論文[1]、[2]和[3]中詳細描述。具體地說，參考資料[1]詳細說明了在常規(guī)D級放大器中的失真源。在這方面，我們記得，D級放大器的核心技術決不是新的。以上參考專利都試圖改進與已知D級放大器有關的失真，并且如由Nielsen[1]解釋的那樣，盡管進行了認真努力，但先有技術解決方案不完全成功。由Nielsen[1]提出的解決方案基于具有一個復雜傳遞函數(shù)并且連接在數(shù)字調制器與解調器之間的一個PEDEC控制器，如該論文的圖8、9和28中表示的那樣，為了詳細回顧應該對其進行參考。
如進一步由Nielsen[3]提出的那樣，使用各種形狀的調制信號的多種不同PWM技術是已知的。具體地說，參考在該論文中表示PWM的不同例子的圖6。在相同論文中的圖6表明，理論上D級放大器的效率是100％，盡管在實際中由于以上提到的原因它稍小。
將注意到，在先有技術電路布局中典型實現(xiàn)反饋的方式依賴于從本身供給到PWM調制器的倒相輸入的輸入模擬信號減去反饋信號。而且，先有技術布局通常要求，把反饋連接應用于在濾波器輸出處產生的解調輸出信號。就是說，反饋控制通常基于表示實際放大聲頻輸出的濾波信號。
Tripath Technology Inc.主張，反饋技術獨立地不會提供失真的完全減小。在其網頁http//www.tripath.com/中，他們敘述了基于快速操作MOSFET的輸出晶體管永遠不能完美地匹配。結果，在一個晶體管斷開與其成對接通之間有不可避免的延遲，導致某些失真。他們進一步主張，輸出晶體管的切換引起其本身引入噪聲的“地回波”，并且低通濾波器不能獨立地完全除去PWM波形。
Tripath Technology Inc.通過采用信號處理技術解決了這些問題，其中數(shù)字算法用來實現(xiàn)切換輸出晶體管所必需的調制。
因此本發(fā)明的一個目的在于，提供一種通過硬件電路或軟件處理解決至今提出的電路缺陷而不需要復雜校正的數(shù)字放大器。
根據(jù)本發(fā)明的一個第一方面，提供有一種數(shù)字放大器，包括一個PWM調制器，用來借助于一個調制信號調制一個模擬輸入信號，以便在其一個輸出處產生一個脈沖寬度調制信號，一個大功率開關，相應地聯(lián)接到PWM調制器的輸出上，用來按照脈沖寬度調制信號的一個邏輯電平在高電平直流正與負電壓之間切換，以便產生一個大功率調制切換信號，一個低通濾波器，聯(lián)接到大功率開關的一個輸出上，用來濾除信號的高頻分量；其特征在于從大功率開關至模擬輸入信號提供一個反饋控制環(huán)路，并且調制信號一般具有三角形狀。
這樣一種電路布局在特征化特征的具體組合方面不同于先有技術。因而，美國專利4,021,745講授了從大功率開關的輸出至模擬輸入信號的負反饋的應用。然而，實際上與模擬輸入信號混合的調制信號在積分之前，是一個方波信號。只有在兩個信號一起積分時，才是產生的熟悉鋸齒波形。
同樣，Nielsen[3]公開了來自大功率開關的輸出的負反饋的應用。然而，顯然該輸出反饋到調制器的輸出，而在本發(fā)明中，它反饋到調制之前的模擬輸入信號。
根據(jù)本發(fā)明的一個第二方面，提供有一種數(shù)字放大器，包括一個PWM調制器，用來借助于一個一般三角形的調制信號調制一個模擬輸入信號，以便在其一個輸出處產生一個脈沖寬度調制信號，一個大功率開關，相應地聯(lián)接到PWM調制器的輸出上，用來按照脈沖寬度調制信號的一個邏輯電平在高電平直流正與負電壓之間切換，以便產生一個大功率調制切換信號，一個低通濾波器，聯(lián)接到大功率開關的一個輸出上，用來濾除信號的高頻分量；其特征在于PWM調制器包括一個放大器鏈路，該鏈路包括以串級連接的至少兩個快速、低增益放大器。
這樣一種電路布局特別是在一個放大器鏈路的提供方面不同于先有技術，該鏈路包括以串級連接的至少兩個快速、低增益放大器。已經發(fā)現(xiàn)，這除去或至少減小器件的振動，該振動的源對于放大器的本質是固有的。這同樣產生由PWM調制器輸出的數(shù)字脈沖的時間移動，并且這產生放大信號的誤差。
當一個數(shù)字放大器包括本發(fā)明的兩個特征，即串級放大器以及從大功率開關至模擬輸入信號的一個反饋控制環(huán)路時，放大器輸出的改進是顯著的。
為了理解本發(fā)明和明白在實際中如何實現(xiàn)它，現(xiàn)在參照附圖通過僅非限制的例子描述一個最佳實施例，在附圖中圖1是方塊圖，按功能表示一個先有技術D級放大器的主要元件；圖2是方塊圖，按功能表示一種改進圖1中所示的電路的性能的常規(guī)反饋方法；圖3是示意圖，按功能表示根據(jù)本發(fā)明的一種數(shù)字放大器；及圖4和5表示示意表示在圖3中的D級放大器中的關鍵點的電壓波形。
圖3按功能表示一般描繪為30的一種D級數(shù)字放大器，其中一個聲頻輸入信號31經一個帶有一個倒相輸入33和一個接地非倒相輸入34的積分器32供給，并且經一個加法器35加到一個鋸齒調制信號上。添加的輸出經一個PWM調制器36供給，PWM調制器36由包括串級連接的至少兩個快速、低增益放大器38、38′、38″的一個放大器鏈路37組成。在一個實際實施例中，在PWM調制器36中使用三個低增益放大器級，每個具有一個高速度。PWM調制器36的輸出供給到分別連接到正和負直流供電軌道40和41上的一個大功率開關39。大功率開關39的輸出連接到一個跨過其輸出連接一個負載43的低通濾波器42上。
大功率開關39的輸出反饋到積分器32的倒相輸入33，以便在通過鋸齒調制信號的調制之前作用在聲頻輸入信號31上。這顯著與在美國專利4,021,745(Suzuki等)中進行的不同，在該專利中反饋信號供給到已經調制的輸入信號。
圖4和5表示由電路的計算機模擬導出的在圖3中所示電路中的各種關鍵接合處的波形。因而，波形50與出現(xiàn)在大功率開關39的輸出處的數(shù)字輸出電壓相對應。要明白，數(shù)字輸出電壓是具有在±31伏特之間的振幅并且具有約240KHz的頻率的方波脈沖。波形51代表聲頻輸入信號31(沒有反饋)，表示為一個具有在±10伏特之間的振幅并且具有約4KHz頻率的正弦周期信號。波形52代表出現(xiàn)在低通濾波器42的輸出處的聲頻輸出信號，作為一個具有在±1伏特之間的振幅并且具有約4KHz頻率的正弦周期信號。
以輪廓表示的波形53代表具有反饋的聲頻輸入信號31，表示為由以輪廓表示為波形54的鋸齒調制信號調制的一個正弦周期信號。也以輪廓表示的波形55代表對于PWM調制器36的調制輸入，這在形狀上類似于帶有由波形54代表的反饋的聲頻輸入信號31。
權利要求
1.一種數(shù)字放大器，包括一個PWM調制器，用來借助于一個調制信號調制一個模擬輸入信號，以便在其一個輸出處產生一個脈沖寬度調制信號，一個大功率開關，相應地聯(lián)接到PWM調制器的輸出上，用來按照脈沖寬度調制信號的一個邏輯電平在高電平直流正與負電壓之間切換，以便產生一個大功率調制切換信號，一個低通濾波器，聯(lián)接到大功率開關的一個輸出上，用來濾除信號的高頻分量；其特征在于從大功率開關至模擬輸入信號提供一個反饋控制環(huán)路，并且調制信號一般具有三角形狀。
2.一種數(shù)字放大器，包括一個PWM調制器，用來借助于一個一般三角形的調制信號調制一個模擬輸入信號，以便在其一個輸出處產生一個脈沖寬度調制信號，一個大功率開關，相應地聯(lián)接到PWM調制器的輸出上，用來按照脈沖寬度調制信號的一個邏輯電平在高電平直流正與負電壓之間切換，以便產生一個大功率調制切換信號，一個低通濾波器，聯(lián)接到大功率開關的一個輸出上，用來濾除信號的高頻分量；其特征在于PWM調制器包括一個放大器鏈路，該鏈路包括以串級連接的至少兩個快速、低增益放大器。
3.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字放大器，包括一個積分器，用來積分模擬輸入信號和產生一個積分模擬信號，和一個加法器，聯(lián)接到到積分器的一個輸出上，用來把調制信號添加到積分模擬信號上。
4.根據(jù)權利要求2所述的數(shù)字放大器，包括一個積分器，用來積分模擬輸入信號和產生一個積分模擬信號，和一個加法器，聯(lián)接到到積分器的一個輸出上，用來把調制信號添加到積分模擬信號上。
5.根據(jù)權利要求2所述的數(shù)字放大器，進一步包括一個從大功率開關的輸出至模擬輸入信號的一個反饋控制環(huán)路。
6.根據(jù)權利要求5所述的數(shù)字放大器，包括一個積分器，用來積分模擬輸入信號和產生一個積分模擬信號，和一個加法器，聯(lián)接到積分器的一個輸出上，用來把調制信號添加到積分模擬信號上。
7.根據(jù)權利要求3或6所述的數(shù)字放大器，其中反饋控制環(huán)路應用于積分器的一個負輸入上。
全文摘要
一種數(shù)字放大器,帶有一個PWM調制器,用來借助于一個調制信號調制一個模擬輸入信號,以便在其一個輸出處產生一個脈沖寬度調制信號。一個大功率開關相應地聯(lián)接到PWM調制器的輸出上,用來按照脈沖寬度調制信號的一個邏輯電平在高電平直流正與負電壓之間切換,以便產生一個大功率調制切換信號,并且一個低通濾波器聯(lián)接到大功率開關的一個輸出上,用來濾除信號的高頻分量。從大功率開關的輸出至模擬輸入信號提供一個反饋控制環(huán)路,并且調制信號一般是三角形的。
文檔編號H03F1/32GK1347589SQ00805890
公開日2002年5月1日 申請日期2000年3月27日 優(yōu)先權日1999年3月30日
發(fā)明者普羅斯伯·達漢, 隆·卡路斯 申請人:數(shù)字動力系統(tǒng)股份公司