專利名稱：三電平半橋脈寬調(diào)制放大器及其驅(qū)動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及一種放大器，具體來說，涉及一種半橋脈寬調(diào)制(PWM)放大器。
背景技術(shù)：
PWM是一種根據(jù)輸入信號幅度來改變脈寬的技術(shù)。PWM具有高效、高分解力以及低 功耗等優(yōu)點。所以，PWM通常用于如D類放大器這樣的放大器以及音頻系統(tǒng)。因而，PWM放 大器被稱為D類放大器。使用PWM的音頻系統(tǒng)在傳輸音頻信號時，通常將音頻信號嵌入到 一個頻率相對于音頻信號的采樣率更高的PWM信號中。PWM放大器將音頻信號變換成數(shù)字 PWM信號，放大該PWM信號以及將其輸出到揚聲器或聽筒，例如耳機或耳塞。通常使用全橋PWM放大器來驅(qū)動揚聲器。半橋PWM放大器則通常用來驅(qū)動頭戴式 耳機等裝置，基于零電壓或地電平將輸入信號施加到這些裝置。由于PWM信號通常為二電 平信號，因而在二電平PWM驅(qū)動方法中根據(jù)PWM信號來切換一個預(yù)定的正(+)電壓和地電 平或一個正電壓和一個負電壓。在二電平PWM驅(qū)動方法中，即使當輸入信號為零時，輸出端還是保持50 50的 PWM占空比和執(zhí)行切換。結(jié)果是，除了音頻信號消耗動態(tài)電流外，靜態(tài)電流也一直在作不必 要的消耗，從而降低了輸出效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明構(gòu)思的示范性實施例提供一種通過減少靜態(tài)電流消耗來提高效率的三電 平半橋脈寬調(diào)制PWM放大器及其驅(qū)動方法。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示范性實施例的一個方面，提供一種包含有PWM發(fā)生器以及輸 出級的三電平半橋PWM放大器。PWM發(fā)生器被配置為根據(jù)輸入信號的幅度來改變第一電平 和第二電平處的脈寬，以及輸出具有第一電平、第二電平和參考電平的三電平PWM輸出信 號。輸出級被配置為基于三電平PWM輸出信號，將連接于負載的一端的輸出節(jié)點驅(qū)動至第 一電源電壓、第二電源電壓或第三電源電壓中的一個電壓。在一個示范性實施例中，PWM發(fā)生器可以通過將第一 PWM信號和第二 PWM信號相 加來輸出三電平PWM輸出信號，第一PWM信號是通過根據(jù)大于輸入信號的參考電平的、輸入 信號的第一輸入信號的幅度來改變第一電平處的脈寬而獲得的，第二 PWM信號是通過根據(jù) 小于輸入信號的參考電平的、輸入信號的第二輸入信號的幅度來改變第二電平處的脈寬而 獲得的。在一個示范性實施例中，參考電平可以是地電平，第一輸入信號可以是正輸入信 號，第二輸入信號可以是負輸入信號。在另一個示范性實施例中，PWM發(fā)生器可以包括第一比較器和第二比較器，第一比較器被配置為將正輸入信號和第一鋸齒波信號進行比較以及 產(chǎn)生第一 PWM信號，該第一鋸齒波信號在第一電平和參考電平之間擺動，第二比較器被配 置為將負輸入信號和第二鋸齒波信號進行比較以及產(chǎn)生第二 PWM信號，該第二鋸齒波信號 在參考電平和第二電平之間擺動。第二鋸齒波信號可以是比第一鋸齒波信號的電平下降一 個擺動寬度并且具有與第一鋸齒波信號相同波形的信號。在另一個實施例中，第三電源電 壓具有地電平，第一電源電壓具有比第三電源電壓高的正電壓，第二電源電壓具有比第三 電源電壓低的負電壓。在一個示范性實施例中，輸出級可以包括上拉單元、下拉單元和轉(zhuǎn)換單元，上拉單元被配置為響應(yīng)于第一使能信號，驅(qū)動輸出節(jié)點至第一電源電壓，下拉單元被配置為響應(yīng) 于第二使能信號，驅(qū)動輸出節(jié)點至第二電源電壓，轉(zhuǎn)換單元被配置為響應(yīng)于第三使能信號， 驅(qū)動輸出節(jié)點至第三電源電壓。在另一個示范性實施例中，上拉單元包含連接于輸出節(jié)點 和第一電源電壓之間并響應(yīng)于第一使能信號導通的上拉晶體管，下拉單元包含連接于輸出 節(jié)點和第二電源之間并響應(yīng)于第二使能信號導通的下拉晶體管，轉(zhuǎn)換單元包括至少一個連 接于輸出節(jié)點和第三電源之間并響應(yīng)于第三使能信號導通的開關(guān)。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示范性實施例的另一個方面，一種音頻系統(tǒng)包括三電平半橋 PMW放大器。三電平半橋PWM放大器包括PWM發(fā)生器和輸出級。PWM發(fā)生器被配置為根據(jù) 輸入信號的幅度改變第一電平或第二電平處的脈寬，并輸出具有第一電平、第二電平和參 考電平的三電平PWM輸出信號。輸出級被配置為基于三電平PWM輸出信號，將連接于負載 的一端的輸出節(jié)點驅(qū)動至第一電源電壓、第二電源電壓或第三電源電壓。在一個實施例中，PWM發(fā)生器可以通過將第一 PWM信號和第二信號相加來輸出三 電平PWM輸出信號，第一 PWM信號是通過根據(jù)大于輸入信號的參考電平的、輸入信號的第一 輸入信號的幅度來改變第一電平處的脈寬而獲得，第二 PWM信號是通過根據(jù)小于輸入信號 的參考電平的、輸入信號的第二輸入信號的幅度來改變第二電平處的脈寬而獲得。在一個實施例中，參考電平可以是地電平，第一輸入信號可以正輸入信號，第二輸 入信號可以負輸入信號。在另一個示范性實施例中，PWM發(fā)生器可以包括第一比較器和第二 比較器，第一比較器被配置為將正輸入信號和第一鋸齒波信號進行比較并產(chǎn)生第一 PWM信 號，該第一鋸齒波信號在第一電平和參考電平之間擺動，第二比較器被配置為將負輸入信 號和第二鋸齒波信號進行比較并產(chǎn)生第二 PWM信號，該第二鋸齒波信號在參考電平和第二 電平之間擺動。第二鋸齒波信號可以是比第一鋸齒波信號的電平下降一個擺動寬度并具有 與第一鋸齒信號相同波形的信號。在另一個實施例中，第三電源電壓具有地電平，第一電源 電壓具有比第三電源電壓高的正電壓，第二電源電壓具有比第三電源電壓低的負電壓。在一個實施例中，輸出級可以包括上拉單元、下拉單元和轉(zhuǎn)換單元，上拉單元被配 置為響應(yīng)于第一使能信號，驅(qū)動輸出節(jié)點至第一電源電壓，下拉單元被配置為響應(yīng)于第二 使能信號，驅(qū)動輸出節(jié)點至第二電源電壓，轉(zhuǎn)換單元被配置為響應(yīng)于第三使能信號，驅(qū)動輸 出節(jié)點至第三電源電壓。在另一個示范性實施例中，上拉單元包含連接于輸出節(jié)點和第一 電源電壓之間并響應(yīng)于第一使能信號導通的上拉晶體管，下拉單元包含連接于輸出節(jié)點和 第二電源電壓之間并響應(yīng)于第二使能信號導通的下拉晶體管，轉(zhuǎn)換單元包括至少一個連接 于輸出節(jié)點和第三電源電壓之間并響應(yīng)于第三使能信號導通的開關(guān)。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思示范性實施例的另一個方面，本發(fā)明提供一種驅(qū)動三電平半橋PWM放大器的方法。該方法包括產(chǎn)生三電平PWM輸出信號，其具有第一電平、第二電平和參 考電平并且根據(jù)輸入信號的幅度而在第一電平或第二電平處改變的脈寬，以及基于三電平 PWM輸出信號將連接于負載的一端的輸出節(jié)點驅(qū)動至第一電源電壓、第二電源電壓或第三 電源電壓。在一個實施例中，產(chǎn)生三電平輸出信號包括通過根據(jù)大于輸入信號的參考電平的、輸入信號的第一輸入信號的幅度改變第一電平處的脈寬產(chǎn)生第一 PWM信號，通過根據(jù) 小于輸入信號的參考電平的、輸入信號的第二輸入信號的幅度改變第二電平處的脈寬產(chǎn)生 第二 PWM信號，并通過將第一 PWM信號和第二 PWM信號相加來輸出三電平PWM輸出信號。在 另一個實施例中，參考電平是地電平，第一輸入信號是正輸入信號，第二輸入信號是負輸入 信號。產(chǎn)生第一 PWM信號包括將正輸入信號和第一鋸齒波信號進行比較，第一鋸齒波信號 在第一電平和參考電平之間擺動，產(chǎn)生第二 PWM信號包括將負輸入信號和第二鋸齒波信 號進行比較，第二鋸齒波信號在參考電平和第二電平之間擺動。第二鋸齒波信號是比第一 鋸齒波信號的電平下降一個擺動寬度并與第一鋸齒信號具有相同的波形的信號。在另一個實施例中，當輸入第一輸入信號時，第一電平處的脈寬根據(jù)第一輸入信 號的幅度發(fā)生改變，第二電平處的脈沖具有預(yù)定的最小寬度。當輸入第二輸入信號時，第 二電平處的脈寬根據(jù)第二輸入信號的幅度發(fā)生改變，第一電平處的脈沖具有預(yù)定的最小寬 度。在另一個實施例中，當輸入信號處于參考電平時，除了在第一電平處具有最小寬度的脈 沖和在第二電平處具有最小寬度的脈沖之外三電平PWM輸出信號處于參考電平。


如下圖所示，從如附圖中所示的本發(fā)明構(gòu)思優(yōu)選方面的更為具體的描述中，本發(fā) 明的前述及其它特征和優(yōu)點將變得明確，貫穿不同的視圖相似的參考符號指代相同的部 件。附圖的重點在于圖示本發(fā)明構(gòu)思的原理，而不必要按比例。附圖中，為了清楚起見，層 的厚度和區(qū)域有所放大。附圖中圖1是示范性放大器輸入信號的波形圖；圖2A-圖2C是傳統(tǒng)二電平脈寬調(diào)制(PWM)信號的示意圖，該信號是相對于圖1所 示的放大器輸入信號而產(chǎn)生；圖3是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個示范性實施例的半橋PWM放大器的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個示范性實施例的、圖3中所示的 Δ- Σ (delta-sigma)調(diào)制器的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個示范性實施例的、圖3中所示的三電平PWM發(fā)生器 的框圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個示范性實施例的、圖3中所示的輸出級的電路圖；圖7和圖8A和圖8B是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個示范性實施例的PWM放大器的 操作的波形圖；圖9A-9C是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個示范性實施例的，根據(jù)PWM輸出信號的不同電 平，圖6中所示的輸出級的操作的電路圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個示范性實施例的、表示圖3中映射器的表格；圖11是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個示范性實施例的、表示PWM輸出信號的不同電平的信號的圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一個示范性實施例的放大器輸入信號的波形圖；和圖13A-13H是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個示范性實施例的、針對圖12中所示的放大器 輸入信號的三電平PWM輸出信號的波形圖。
具體實施例方式下文將針對附圖對本發(fā)明構(gòu)思作更詳細的描述，附圖顯示了本發(fā)明構(gòu)思的實施 例。但是，本發(fā)明構(gòu)思可以通過多種形式實現(xiàn)并且不應(yīng)當理解為對本發(fā)明的限制。而是， 提供這些實施例以使本發(fā)明詳盡而完整，并把本發(fā)明構(gòu)思的整個范圍傳遞給本領(lǐng)域技術(shù)人 員。附圖中，為了清楚起見，層和區(qū)域的大小和相對大小有所放大。貫穿附圖，相似的標號 指代相似的元素。將理解的是，當一個元件被稱為“連接”或“耦接”到另一個元件時，可以認為是直 接連接或耦接至另一個元件，或是還有中間元件。反之，當一個元件被提到“直接連接”或 “直接耦接”至另一元件時，就沒有中間元件。通常，術(shù)語“和/或”包括一個或多個相關(guān)聯(lián) 所列項的任意一個和全部組合，并且可以簡化成“/”。應(yīng)當理解的是，盡管此處使用了第一、第二等術(shù)語用于描述多個元件，但是元件不 應(yīng)當被這些術(shù)語所限。這些術(shù)語只用于將元件互相區(qū)別開。例如，第一信號可以稱之為第 二信號，以及類似的，第二信號也可以稱之為第一信號，而不脫離本公開的教導。此處所使用的術(shù)語只用于描述特定的實施例，而不是用于對本發(fā)明的限定。如此 處所使用的單數(shù)形式“一”、“一個”、“所述”也可用于包括復數(shù)形式，除非上下文中清楚指 示。還應(yīng)理解的是，術(shù)語“包括”、和/或、“包含”和/ “含有”當在說明書中使用時指定特 征、區(qū)域、整體、步驟、操作、元件和/或元件的存在，但是不排除其中存在的或附加的一個 或多個特征、區(qū)域、整體、步驟、操作、元件、元件和/或組群。除非有別的定義，否則此處所用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學術(shù)語)與具有 本發(fā)明所屬領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)中的所通常理解含義的相同。還應(yīng)理解的是，像那些在詞典中 所通常定義的術(shù)語應(yīng)當理解為具有與在本發(fā)明和/或相關(guān)技術(shù)的上下文中的含義一致，并 且除非此處特別進行了定義，否則不會理解為理想化或過于正式的含義。圖1是示范性放大器輸入信號的波形圖。圖2是傳統(tǒng)二電平脈寬調(diào)制(PWM)信號 的示意圖，該信號是相對于圖1所示的放大器輸入信號而產(chǎn)生。參見圖1，假設(shè)放大器輸入信號在正峰值電壓MAX和負峰值電壓MIN之間擺動。PWM 輸出信號通常是一個具有兩個電平VDD和VSS的脈沖信號。參見圖2A-圖2C，當放大器輸 入信號具有正峰值電壓MAX時，如圖2A所示，PWM輸出信號具有最長的“高”時間段，也即， PWM信號處于電平VDD的時間段，以及，當放大器輸入信號具有負峰值電壓MIN時，如圖2C 所示，具有最長的“低”時間段，也即，PWM信號處于電平VSS的時間段。也就是說，當放大 器輸入信號增加至正峰值電壓MAX時，PWM輸出信號逐漸為“高”的時間段，在此時間段PWM 輸出信號處于VDD電平。當放大器輸入信號降至負峰值電壓MIN時，PWM輸出信號逐漸為 “低”的時間段，在此時間段PWM輸出信號處于VSS電平。當放大器輸入信號為零電壓時， PWM輸出信號具有等于“低”時間段的“高”時間段，這樣就具有50 50的占空比，如圖2B 所示。
盡管PWM放大器，例如D類放大器，具有比A類放大器、B類放大器、AB類放大器更 高的效率，但是PWM放大器在電平VDD和電平VSS (或地電平)之間轉(zhuǎn)換時無謂地持續(xù)消耗 靜態(tài)電流。為了進一步提高PWM放大器的效率，有必要減少此類靜態(tài)電流消耗。圖3是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示范性實施例的半橋PWM放大器10的示意圖。參見圖 3，半橋PWM放大器10包括A- E (delta-sigma)調(diào)制器110、三電平PWM發(fā)生器120、映射 器130和輸出級140。A - E調(diào)制器110將輸入信號IM量化為較小的比特數(shù)，該比特為脈沖碼調(diào)制 (PCM)數(shù)據(jù)。A-E調(diào)制是一種結(jié)合了過采樣的調(diào)制機制，以減少PCM數(shù)據(jù)量化噪聲和用較 小比特數(shù)提供高分解力。當半橋PWM放大器10是音頻系統(tǒng)的音頻放大器時，例如，過采樣 音頻輸入信號分解力太高而不能直接變換為PWM信號。在這種情況下，必須降低音頻輸入 信號的分解力到一個合適的等級，以便使用A- E調(diào)制器110來將其變換為PWM信號。圖4是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個示范性實施例的、圖3中所示的A- E調(diào)制器110 的示意圖。參見圖4，A - E調(diào)制器110包括加法器111、環(huán)路濾波器112和M比特的編碼器 113。因而，A-E調(diào)制器110的輸出信號0M是M比特的量化信號。在該示范性實施例中， M遠小于PCM數(shù)據(jù)也就是輸入信號IM的比特數(shù)。例如，當PCM數(shù)據(jù)的長度為16或20比特 時，A-E調(diào)制器110的輸出信號的長度為4或5比特。圖5是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個示范性實施例的、圖3中所示的三電平PWM發(fā)生器 120的框圖。參見圖5，三電平PWM發(fā)生器120根據(jù)輸入到其的輸出信號0M的幅度(或電 平)來改變脈沖的寬度，由此產(chǎn)生PWM輸出信號PWM_0ut。三電平PWM發(fā)生器120可以是模 擬PWM發(fā)生器。三電平PWM發(fā)生器120包括斜坡發(fā)生器122、第一比較器121a、第二比較器 121b以及加法器123。斜坡發(fā)生器122產(chǎn)生第一鋸齒波信號SA1和第二鋸齒波信號SA2。如圖7所示，第 一鋸齒波信號SA1可以在第一電平和參考電平之間周期性地上升或下降，第一電平例如是 預(yù)定的正電壓，參考電平例如是地電平，第二鋸齒波信號SA2可以具有與第一鋸齒波信號 SA1相同的波形，但是周期性地在參考電平和第二電平之間上升或下降，第二電平例如是預(yù) 定的負電壓。第一鋸齒波信號SA1在第一電平和參考電平之間擺動，第二鋸齒波信號SA2 在參考電平和第二電壓之間擺動。第二鋸齒波信號SA2可以是比第一鋸齒波信號SA1的電 平下降一個擺動寬度并且可以具有與第一鋸齒波信號SA1相同波形的信號。在本發(fā)明構(gòu)思 的實施例中，第一電平是VDD電平，參考電平是地電平，第二電平是VSS電平；然而，本發(fā)明 構(gòu)思并不局限于這些實施例。第一比較器121a將第一鋸齒波信號SA1和第一輸入信號0M1進行比較，并輸出第 一 PWM信號PWM_01。第二比較器121b將第二鋸齒波信號SA2和第二輸入信號0M2比較，并 輸出第二 PWM信號PWM_02。加法器123將第一比較器121a的第一 PWM信號PWM_01和第二 比較器121b的第二 P麗信號PWM_02相加，輸出PWM輸出信號PWM_0ut。第一輸入信號可以是A-E調(diào)制器110的輸出信號0M中電平比參考電平高或等 于參考電平的信號，參考電平為地電平“0”，第二輸入信號可以是A- E調(diào)制器110的輸出 信號0M中電平比“0”低或等于“0”的信號。當?shù)谝惠斎胄盘?M1大于第一鋸齒波信號SA1 時，第一比較器121a在第一電平、也就是VDD電平處輸出第一 PWM信號PWM_01，以及當?shù)?一輸入信號0M1小于第一鋸齒波信號SA1時，第一比較器121a在參考電平、也就是地電平處輸出第一 PWM信號PWM_01。當?shù)诙斎胄盘?M2大于第二鋸齒波信號SA2，第二比較器121b輸出第二 PWM信號PWM_02在參考電平，也就是地電平，以及當?shù)诙斎胄盘?M2小于 第二鋸齒波信號SA2，第二比較器121b輸出第二 PWM信號PWM_02在第二電平，也就是VSS 電平。因而，三電平PWM發(fā)生器120輸出具有三個電平的PWM輸出信號PWM_0ut，即第一 電平、第二電平和參考電平。可替換地，三電平PWM發(fā)生器120可以根據(jù)輸入信號0M的電 平通過計數(shù)數(shù)字時鐘產(chǎn)生PWM輸出信號PWM_0ut。圖6是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個示范性實施例的、圖3中所示的輸出級140的電路 圖。輸出級140基于三電平PWM輸出信號PWM_0ut驅(qū)動輸出節(jié)點NO至第一電源電壓VDD、 第二電源電壓VSS或第三電源電壓GND。參見圖6，輸出級140包括上拉晶體管(pull-up transistor) PUT，下拉晶體管(pull-down transistor) PDT 和轉(zhuǎn)換單元 SW。上拉晶體管PUT連接在第一電源電壓VDD和輸出節(jié)點NO之間，根據(jù)第一使能信號 VDD_EN驅(qū)動輸出節(jié)點N0至第一電源電壓。圖3的半橋PWM放大器可以用于音頻系統(tǒng)。圖6 示出音頻系統(tǒng)中輸出級140。輸出節(jié)點N0連接至音頻系統(tǒng)的負載141的一端，例如，耳機、 耳塞或頭戴設(shè)備。負載141的另一端連接到地。下拉晶體管PDT連接于輸出節(jié)點N0和第 二電源電壓VSS之間，并且響應(yīng)于第二使能信號VSS_EN驅(qū)動輸出節(jié)點N0至第二電源電壓 VSS。轉(zhuǎn)換單元SW連接于輸出節(jié)點N0和第三電源電壓GND之間，并且響應(yīng)于第三使能 信號GND_EN來導通和關(guān)斷。當轉(zhuǎn)換單元SW導通時，輸出節(jié)點N0連接至第三電源電壓GND， 也就是接地，輸出節(jié)點N0處的電壓變成地電平。轉(zhuǎn)換單元SW可以包括至少一個開關(guān)，該開 關(guān)可以用例如晶體管或傳輸門來實現(xiàn)。再回到圖3，映射器130根據(jù)PWM輸出信號PWM_0ut來產(chǎn)生第一至第三使能信號 VDD_EN、VSS_EN和GND_EN，這些將在下文進行詳細描述。圖7以及圖8A和圖8B是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個示范性實施例的半橋PWM放大器 10的操作的波形圖。圖7是輸入到三電平PWM發(fā)生器120的信號0M1、0M2、SA1和SA2的 波形圖。圖8A和圖8B是PWM輸出信號PWM_0ut的波形圖。半橋PWM放大器10的操作將參照圖3至圖8B來進行描述。在大于零輸入信號(也即輸出信號0M)的正輸入信號(也即第一輸入信號0M1)被 輸入的時間段里，第一比較器121a將第一鋸齒波信號SA1和第一輸入信號0M1進行比較， 當?shù)谝惠斎胄盘?M1大于第一鋸齒波信號SA1時輸出第一電源電壓VDD，并且當?shù)谝惠斎胄?號0M1小于第一鋸齒波信號SA1時輸出第三電源電壓GND，如圖8A和8B所示。在此期間， 如圖8B所示，第二比較器121b輸出最小脈沖信號，該最小脈沖信號具有預(yù)定的最小脈寬并 且在第二鋸齒波信號SA2的每個周期都具有第二電源電壓VSS，例如，每次第二鋸齒波信號 SA2為零時。PWM輸出信號PWM_0ut的脈寬可以從預(yù)定的最小值變化到預(yù)定的最大值。最小 脈沖是在PWM輸出信號PWM_0ut的脈沖中具有最小寬度的脈沖，并且可以稱為回零脈沖 (return-zero pulse)0在小于零輸入信號的負輸入信號(也即第二輸入信號0M2)被輸入的時間段里，第 二比較器121b將第二鋸齒波信號SA2和第二輸入信號0M2進行比較，當?shù)诙斎胄盘?M2大于第二鋸齒波信號SA2時，輸出第三電源電壓GND，并且當?shù)诙斎胄盘?M2小于第二鋸齒波信號SA2時輸出第二電源電壓VSS，如圖8A和圖8B所示。在此期間，如圖8B所示，第 一比較器121a輸出最小脈沖信號，該最小脈沖信號具有預(yù)定的最小脈寬并且在第一鋸齒 波信號SA1的每個周期具有第一電源電壓VDD，例如，每次第一鋸齒波信號SA1為零時。因此，通過將第一 P麗信號PWM_01和第二 P麗信號PWM_02總計而得到的P麗輸出 信號PWM_0UT可以是一個具有第一電源電壓VDD、第二電源電壓VSS和第三電源電壓GND的 三電平脈沖信號，其中PWM_01由第一比較器121a輸出，PWM_02由第二比較器121b輸出，， 如圖8A所示。如果第一比較器121a和第二比較器121b輸出最小脈沖，即回零脈沖，PWM輸 出信號PWM_0ut可以包括脈沖，如圖8B所示。為了簡便起見，輸入信號0M1和0M2在圖7中示為模擬正弦信號；然而，與鋸齒波 信號SA1和SA2相比較的信號可以是A - E調(diào)制信號并由此具有與圖7中所示的輸入信號 0M1和0M2不同的波形。另外，為了描述的清楚起見，在圖5中所示的實施例中第一比較器121a和第二比 較器121b是分開提供的；然而本發(fā)明構(gòu)思不局限于這些實施例。例如，第一比較器121a和 第二比較器121b可以組合成一個比較器，該比較器在接收正的輸入信號期間將大于零的 正輸入信號(即第一輸入信號0M1)與第一鋸齒波信號SA1進行比較并輸出PWM輸出信號 PWM_0ut，以及在接收負輸入信號期間，將小于零的負的輸入信號(即第二輸入信號0M2)與 第二鋸齒波信號SA2進行比較并輸出PWM輸出信號PWM_0ut。圖9A-9C是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個示范性實施例的、根據(jù)PWM輸出信號PWM_0ut 的不同電平在圖6示出的輸出級140的操作的電路圖。圖10是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個示 范性實施例的、表示圖3中所示的映射器130的表格。圖11是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個示范 性實施例的、表示PWM輸出信號PWM_0ut的不同電平的信號的示意圖。參見圖9A-9C、圖10和圖11，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個示范性實施例的PWM發(fā)生器 的輸出信號，也就是，PWM輸出信號PWM_0ut具有三個電平，例如高電平VDD、零電平GND以 及低電平VSS，如圖11所示。因而，輸出級140根據(jù)PWM輸出信號PWM_0ut的電平在三個模 式下工作，如圖9A-9C所示。如圖10所示，為了圖9A-9C中所示的輸出級140的運行，映射 器130根據(jù)PWM輸出信號PWM_0ut選擇性地激活使能信號VDD_EN、VSS_EN以及GND_EN。如圖9A所示，當PWM輸出信號PWM_0ut位于高電平VDD時，只有第一使能信號VDD_ EN激活至“0”，其它使能信號VSS_EN和GND_EN抑制為“0”，以使得輸出級140驅(qū)動輸出 節(jié)點NO至第一電源電壓VDD。如圖9C所示，當PWM輸出信號PWM_0ut位于低電平VSS時， 只有第二使能信號VSS_EN激活至“ 1 ”，其它使能信號VSS_EN和GND_EN分別抑制為“ 1 ”和 “0”，以使得輸出級140驅(qū)動輸出節(jié)點NO至第二電源電壓VSS。如圖9B所示，當PWM輸出信 號PWM_0ut位于零電平GND時，只有第三使能信號GND_EN激活至“ 1 ”，其它使能信號VDD_ EN和VSS_EN分別抑制為“ 1 ”和“0”，以使得輸出級140驅(qū)動輸出節(jié)點NO至第三電源電壓 GND。圖12是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一個示范性實施例的放大器輸入信號IM的波形圖。 圖13A-13H是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個示范性實施例的、針對圖12所示的放大器輸入信號IM 的三電平PWM輸出信號PWM_0ut的波形圖。如圖12所示，放大器輸入信號IM在正峰值電 壓MAX和負峰值電壓MIN之間擺動。對于圖12中放大器輸入信號IM的八個不同階段(1)到(8)，P麗輸出信號PWM_0ut轉(zhuǎn)換為三個電平VDD、GND和VSS中的一個，如圖13A-13H所不。對于在圖12中輸入信號IM從零電壓向正峰值電壓MAX增長的階段(1)，PWM輸出 信號PWM_0ut在電平VDD上具有增加的脈寬，如圖13A的波形(1)所示。此時，在PWM輸出 信號PWM_0ut每個周期可以輸出具有VSS電平的最小脈沖。除了具有在VDD電平處增加的 脈寬的脈沖之外，PWM輸出信號PWM_0ut以地電平GND輸出，從而避免了不必要的靜態(tài)電流 的發(fā)生。當圖12中在階段(2)輸入信號IM到達正的峰值電壓MAX時，PWM輸出電壓在電平 VDD處具有最大的脈寬，如圖13B的波形(2)所示。當圖12中在階段(3)輸入信號IM從 正的峰值電壓MAX向零電壓下降時，PWM輸出信號PWM_0ut在電平VDD上具有減少的脈寬， 如圖13C的波形(3)所示。當圖12中階段⑷輸入信號IM為“0”時，PWM輸出信號PWM_ Out輸出最長時間的地電平GND，如圖13D的波形⑷所示。如圖1和2所示，當輸入信號為零，典型的二電平PWM輸出信號以占空比50 50 在VDD電平和VSS電平之間切換，而沒有地電平GND。結(jié)果是，靜態(tài)電流被消耗最大。相反， 當使用根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一個示范性實施例的三電平PWM放大器時，對于零電壓輸入幾乎 沒有任何靜態(tài)電壓消耗。對于圖12中輸入信號IM從零電平向負峰值電壓MIN下降的階段(5)，P麗輸出信 號PWM_0ut在電平VSS上具有增長的脈寬，如圖13E的波形(5)所示。此時，除了在VSS電 平具有增加的脈寬的脈沖之外，PWM輸出信號PWM_0ut在地電平GND輸出，由此避免了不必 要的靜態(tài)電流的發(fā)生。當在圖12中在階段(6)輸入信號IM到達負的峰值電壓MIN時，PWM輸出電壓在 電平VSS處具有最大的脈寬，如圖13F的波形(6)所示。當在圖12中的階段(7)輸入信號 IM從負的峰值電壓MIN向零電平上升時，PWM輸出信號PWM_0ut在電平VSS處具有減少的 脈寬，如圖13G的波形(7)所示。當在圖12中在階段⑶輸入信號IM為“0”時，麗輸出 信號PWM_0ut輸出最長時間的地電平GND，如圖13H的波形⑶所示。如上所述，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示范性實施例，在不需要輸出信號分量的時間段期 間，三電平P麗放大器在地電平上輸出PWM輸出信號，由此顯著的遏制靜態(tài)電流。當使用典 型的二電平PWM放大器時，由于電平VDD和電壓VSS之間失配導致的DC偏移會出現(xiàn)突發(fā)噪 聲(pop-up noise)。當使用一個根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示范性實施例的三電壓PWM放大器時， 因為大多數(shù)時間輸入信號為零，此時PWM輸出信號處于地電平，所以電壓失配造成的DC偏 移大多都被遏制了。因而，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示范性實施例的三電壓PWM放大器通過減少靜態(tài)電流來 提高效率，從而減少了系統(tǒng)的功耗并增加了工作時間。因而，本發(fā)明為系統(tǒng)設(shè)計提供了便利 性和可靠性。本發(fā)明構(gòu)思的示范性實施例可以具體實施在硬件、軟件、程序包或其組合中。本發(fā)明可以具體實施為計算機可讀介質(zhì)上的計算機可讀代碼。計算機可讀記錄 介質(zhì)是任意可以將數(shù)據(jù)存儲為程序的數(shù)據(jù)存儲裝置，這些程序之后可以通過計算機進行 讀取。計算機可讀記錄介質(zhì)的例子可以包括只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、 CD-ROM、磁帶、軟盤以及光學數(shù)據(jù)存儲設(shè)備。計算機可讀傳輸介質(zhì)可以傳輸載波或信號，例如通過因特網(wǎng)傳輸有線或無線數(shù)據(jù)。計算機可讀記錄介質(zhì)可以也分布于與計算機耦接的網(wǎng) 絡(luò)，這樣，計算機可讀記錄介質(zhì)就可以以分布式進行存儲和運行。而且，用于實現(xiàn)本發(fā)明的 功能程序、代碼和代碼段可以容易由本發(fā)明構(gòu)思所屬的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來解釋。
盡管參照本發(fā)明示范性實施例具體示出并描述了本發(fā)明構(gòu)思，但是本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員將理解的是，在不脫離如所附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明構(gòu)思的精神和范圍下，可 以在這里在形式和細節(jié)上進行各種變化。
權(quán)利要求
一種三電平半橋脈寬調(diào)制PWM放大器，包括PWM發(fā)生器，被配置為根據(jù)輸入信號的幅度來改變在第一電平或第二電平處的脈寬，并輸出具有第一電平、第二電平和參考電平的三電平PWM輸出信號；以及輸出級，被配置為基于所述三電平PWM輸出信號將連接至負載的一端的輸出節(jié)點驅(qū)動至第一電源電壓、第二電源電壓以及第三電源電壓中的一個電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的三電平半橋PWM放大器，其中，所述PWM發(fā)生器通過將第一PWM 信號和第二 PWM信號相加來輸出三電平PWM輸出信號，第一 PWM信號通過根據(jù)大于輸入信 號的參考電平的、輸入信號的第一輸入信號的幅度來改變第一電平處的脈寬來獲得，第二 PWM信號通過根據(jù)小于輸入信號的參考電平的、輸入信號的第二輸入信號的幅度來改變第 二電平處的脈寬來獲得。
3.如權(quán)利要求2所述的三電平半橋PWM放大器，其中，參考電平是地電平，第一輸入信 號是正輸入信號，第二輸入信號是負輸入信號。
4.如權(quán)利要求3所述的三電平半橋PWM放大器，其中，所述PWM發(fā)生器包括第一比較器，被配置為將正輸入信號與第一鋸齒波信號進行比較以及產(chǎn)生第一 PWM信 號，其中第一鋸齒波信號在第一電平和參考電平之間擺動；第二比較器，被配置為將負輸入信號與第二鋸齒波信號進行比較以及產(chǎn)生第二 PWM信 號，其中第二鋸齒波信號在第二電平和參考電平之間擺動；其中，第二鋸齒波信號是比第一鋸齒波信號的電平下降一個擺動寬度并與第一鋸齒波 信號具有相同的波形的信號。
5.如權(quán)利要求4所述的三電平半橋PWM放大器，其中第三電源電壓具有地電平，第一電 源電壓是比第三電源電壓高的正電壓，第二電源是比第三電源電壓低的負電壓。
6.如權(quán)利要求1所述的三電平半橋PWM放大器，其中，所述輸出級包括 上拉單元，被配置為響應(yīng)于第一使能信號，驅(qū)動輸出節(jié)點至第一電源電壓； 下拉單元，被配置為響應(yīng)于第二使能信號，驅(qū)動輸出節(jié)點至第二電源電壓； 轉(zhuǎn)換單元，被配置為響應(yīng)于第三使能信號，驅(qū)動輸出節(jié)點至第三電源電壓。
7.如權(quán)利要求6所述的三電平半橋PWM放大器，其中，所述上拉單元包括連接于輸出節(jié) 點和第一電源電壓之間并且響應(yīng)于第一使能信號而導通的上拉晶體管；所述下拉單元包括連接于輸出節(jié)點和第二電源電壓之間并且響應(yīng)于第二使能信號而 導通的下拉晶體管；所述轉(zhuǎn)換單元包括至少一個連接于輸出節(jié)點和第三電源電壓之間并且響應(yīng)于第三使 能信號而導通的開關(guān)。
8.如權(quán)利要求1所述的三電平半橋PWM放大器，其中，所述輸入信號為Δ-Σ調(diào)制信號。
9.如權(quán)利要求1所述的三電平半橋PWM放大器，其中，所述負載的另一端接地。
10.一種包括三電平半橋PWM放大器的音頻系統(tǒng)，其中，所述三電平半橋PWM放大器包括PWM發(fā)生器，被配置為根據(jù)輸入信號的幅度來改變第一電平或第二電平處的脈寬，并輸 出具有第一電平、第二電平和參考電平的三電平PWM輸出信號；以及輸出級，被配置為基于所述三電平PWM輸出信號將連接至負載的一端的輸出節(jié)點驅(qū)動至第一電源電壓，第二電源電壓以及第三電源電壓中的一個電壓 。
全文摘要
本發(fā)明提出一種三電平半橋PWM放大器，包括PWM發(fā)生器和輸出級。PWM發(fā)生器根據(jù)輸入信號的幅度來改變第一電平或第二電平處的脈寬并輸出具有第一電平、第二電平和參考電平的三電平PWM輸出信號。輸出級基于三電平PWM輸出信號將連接至負載的一端的輸出節(jié)點驅(qū)動至第一電源電壓、第二電源電壓或第三電源電壓。因此，減少了不必要的靜態(tài)電流消耗，由此提高了效率。
文檔編號H03G5/16GK101826846SQ20101017532
公開日2010年9月8日 申請日期2010年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月3日
發(fā)明者金奉柱 申請人:三星電子株式會社