專利名稱：開關(guān)放大器閉合回路雙比較器調(diào)制技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)D類音頻放大器，特別是涉及全電橋雙比較器音頻D類放大器。
許多D類放大器具有帶電感器的輸出濾波器。電感器是昂貴的而通過去掉輸出濾波器和昂貴的電感器可以降低D類放大器的造價。盡管大家知道的單比較器脈沖寬度調(diào)制器(PWM)結(jié)構(gòu)要求輸出濾波，盡管雙比較器脈沖寬度調(diào)制器(PWM)結(jié)構(gòu)要求輸出濾波而雙比較器結(jié)構(gòu)不要求輸出濾波。輸出濾波器的去除是雙比較器優(yōu)于單比較器的較大的改進(jìn)。雙比較器降低無功功率損耗和省去電感器/電容器輸出濾波網(wǎng)絡(luò)。遺憾的是，雙比較器有復(fù)雜的閉合回路。結(jié)果，對于高質(zhì)量的音頻應(yīng)用，雙比較器不足以精確地跟蹤電橋電路的輸出，在那里百分之一或二的偏差是不容許的。


圖1A表示大家知道的單比較器PWM放大器。把音頻輸入送到積分放大器11。把積分器11的輸出送入單比較器12。比較器12的另一輸入是調(diào)制鋸齒波。比較器12的輸出是脈沖寬度調(diào)制信號，代表想要的輸出。在全電橋系統(tǒng)中，PWM輸出用于驅(qū)動在H電橋20一側(cè)上的一對MOS場效應(yīng)晶體管。通過使比較器12的PWM輸出反相，形成互補(bǔ)PWM信號?；パa(bǔ)PWM信號用于驅(qū)動在全電橋24另一側(cè)上的另外一對MOS場效應(yīng)晶體管。通過使差分電橋輸出轉(zhuǎn)換到參照與輸入積分器11同樣的接地的單端信號的反相差分放大器19，把系統(tǒng)中的反饋直接加于電橋二端上的輸出端20、22。放大器19的輸出是對積分器11的第二個輸入。積分器11積分出音頻輸入和反相輸入的總和，迫使這二個信號之間的差為零，并迫使電橋的輸出精確地跟隨音頻輸入。
圖2A表示與單比較器PWM結(jié)構(gòu)有關(guān)的波形。從來自圖1A中的比較器12的單端PWM信號輸出得出對H電橋的所有四個門驅(qū)動信號。這種結(jié)構(gòu)只有確定跨接在終端20和22的負(fù)載的二個輸出狀態(tài)，分別為+VBUS和-VBUS。在沒有音頻輸入時話筒上的輸出必須是零。為了在話筒上達(dá)到零輸出，H電橋必須產(chǎn)生在+BUS和-BUS之間開關(guān)的占空度為50％的方波。輸出濾波器70中和方波以在話筒上產(chǎn)生零輸出。如果從這種電路中去除輸出濾波器70，則話筒自身必須進(jìn)行電橋輸出的中和。由于話筒的電阻性質(zhì)，所以在開關(guān)頻率上的RMS功率就會在話筒內(nèi)耗散。這是不能接受的而圖2A中的雙比較器結(jié)構(gòu)能克服這種缺陷。
圖1B表示現(xiàn)有技術(shù)的雙比較器PWM放大器，象這樣的雙比較器PWM放大器不需要濾波器。在那里把音頻輸入輸送到第一比較器12。音頻輸入還被輸送到反相放大器14并從那里輸送到第二比較器16。每個比較器還接收一個調(diào)制鋸齒波信號。各個比較器12、16輸出驅(qū)動在全電橋50中功率MOS場效應(yīng)晶體管的一串脈沖VA、VB。與PWM比較器12、16的輸出連接的反相器36、38產(chǎn)生互補(bǔ)脈沖。這樣，門驅(qū)動電路18接收輸入脈沖AHI、ALI、BHI和BLI。門驅(qū)動電路18可以包括產(chǎn)生輸出門驅(qū)動信號AHO、BHO、ALO和BLO的DMOS(雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體)或半豎式DMOS功率晶體管。把這些輸出信號施加于全H電橋24中的功率MOS場效應(yīng)晶體管52、54、56和58的柵極。使電橋輸出終端20、22連接在話筒二端上。輸出終端20、22經(jīng)由放大器30、32還與電橋驅(qū)動電路18的相應(yīng)的輸入A和B耦合并向信號AHI、ALI、BHI和BLI提供反饋信號。
圖2B中的開關(guān)程序表示由圖1B所示的電路實(shí)施的雙比較器開關(guān)技術(shù)。為了確定H電橋的所有四個門電壓，圖2B需要相當(dāng)于二個PWM比較器輸出12、16的二個脈沖串VA、VB。在話筒二端的H電橋輸出電壓有三種輸出狀態(tài)+BUS、-VBUS和OV。OV輸出狀態(tài)的增加排除了對電橋輸出濾波器的要求。這在輕負(fù)載時是特別理想的，在這場合下當(dāng)小的+VBUS和-VBUS脈沖被中和而產(chǎn)生低幅度正負(fù)號波輸出的波峰時，在大部分音頻周期內(nèi)電橋24的輸出為零。實(shí)際上，話筒自身充當(dāng)濾波器，把脈沖轉(zhuǎn)回到模擬自動信號。
雙比較器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是有二個控制信號，一邊(AHO)的一個控制信號和另一邊(BHO)的一個控制信號。當(dāng)然，為了控制電橋中另外的晶體管，各個控制信號具有互補(bǔ)信號(分別是ALO、BLO)。然而，由于有二個控制電橋相對二側(cè)的反饋信號，所以那些精通技術(shù)的人為了分別控制分開的驅(qū)動信號就使用二個反饋通路。如圖2A所示，使電橋的輸出通過相應(yīng)的反相器30、32送回到門驅(qū)動電路18的相應(yīng)的輸入端，以致輸出20就會校正電橋的A側(cè)而輸出22就會校正電橋的B側(cè)。
圖1B中的結(jié)構(gòu)不能使H電橋的輸出與音頻輸入精確地匹配。這是由于有二條反饋通路，每個控制信號有一條反饋通路所造成。閉合反饋通路以使電橋24的每一側(cè)被迫跟蹤來自二個脈沖寬度調(diào)制器中的一個脈沖寬度調(diào)制器的輸出中的方波。一條反饋通路是從輸出端20經(jīng)由反相器30到門驅(qū)動電路18的AHI和ALI輸入端而另一條反饋通路是從輸出端22經(jīng)由反相器32到門驅(qū)動電路18的BHI和BLI輸入端。閉合通路以使電橋24的相對二側(cè)被迫跟蹤來自脈沖寬度調(diào)制器12、16的方波輸入VA和VB中的一個方波輸入。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是不跟蹤H電橋24的差分輸出電壓和僅提供有限的反饋范圍。盡管門驅(qū)動電路18的輸出電壓數(shù)量級約為5伏而電橋輸出電壓數(shù)量級為60-80伏。來自H電橋的反饋必須從60-80伏降低到5伏左右而象這樣的降低有害地影響反饋精確度。雙反饋通路方案導(dǎo)致不良的電源障礙和增大諧波失真。
本發(fā)明的目的是提供一種達(dá)到降低圖1B中的雙比較器電路的輸出濾波要求而且獲得象單比較器PWM放大器一樣地跟蹤的精確的輸入和輸出的電路。
本發(fā)明包括由第一和第二比較器組成的開關(guān)音頻放大器，每個比較器接收調(diào)制的基準(zhǔn)信號和接收第一與第二互補(bǔ)比較器控制信號中的一個互補(bǔ)比較器控制信號而且產(chǎn)生相應(yīng)的第一和第二控制信號、用作控制全電橋和為了產(chǎn)生第一和第二對互補(bǔ)輸出門驅(qū)動信號而與第一和第二控制信號耦合的門驅(qū)動電路、由在電橋一側(cè)上和為了驅(qū)動第一對晶體管的柵極而與第一對互補(bǔ)輸出門驅(qū)動信號耦合的第一對功率晶體管和在電橋另一側(cè)上為了驅(qū)動第二對晶體管的柵極與第二對互補(bǔ)輸出門驅(qū)動信號耦合的第二對功率晶體管組成的全輸出電橋、具有與全電橋一側(cè)耦合的一個輸入和與全電橋另一側(cè)耦合的另一個輸入以及能夠反映出在電橋輸出二端上電壓特征的輸出反饋信號的差分放大器、用作接收和積分音頻輸入和輸出反饋信號并產(chǎn)生第一和第二互補(bǔ)比較器控制信號的積分錯誤放大器電路。
簡便地說，本發(fā)明提供一種采用反饋技術(shù)的雙比較器脈沖寬度調(diào)制開關(guān)音頻D類放大器。在本發(fā)明的情況中，差分放大器把H電橋的輸出轉(zhuǎn)換成單端反饋信號。反饋信號和音頻信號相加并求積分，得出一個比較器的控制電壓。通過使第一比較器的控制電壓反相形成另一個比較器的控制電壓。二個比較器的第二輸入是鋸齒波。使二個比較器的輸出、PWM信號施加于門驅(qū)動電路而門驅(qū)動電路驅(qū)動構(gòu)成H電橋的四個MOS場效應(yīng)晶體管的柵極。在不需要任何濾波的情況下使負(fù)載或話筒直接與H電橋的輸出端并聯(lián)。反饋通路和輸入積分器平滑修正并約略計算H電橋的輸出脈沖，于是電路更精確地跟蹤輸入信號。
現(xiàn)在就通過實(shí)例、參閱附圖描述本發(fā)明，在附圖中圖1表示現(xiàn)有技術(shù)的單比較器PWM放大器；圖1B表示現(xiàn)有技術(shù)的雙比較器PWM放大器；圖2A表示圖1的單PWM放大器的工作波形；圖2B表示圖1B的雙PWM、雙反饋回路放大器的工作波形；圖3表示帶有差分單端的和積分的反饋回路的閉合回路雙比較器PWM放大器。
圖3表示本發(fā)明的雙比較器信號反饋回路PWM放大器。圖3中與圖1A和2A中相同的標(biāo)號指的是同樣的元件，使在終端20、22上的H電橋輸出送入到產(chǎn)生單端輸出信號的差分放大器40。每個輸入通過由電容器60和電阻器62組成的低通濾波器到差分放大器40。為了減小失真，低通濾波器限制差分放大器輸入的轉(zhuǎn)換速率，使差分放大器輸入的轉(zhuǎn)換速率低于放大器40的轉(zhuǎn)換速率。40的輸出是在話筒二端上電壓的反相表示而在正負(fù)號上也是與音頻輸入相反。電阻器RF1和RF2確定放大器40輸出的電壓數(shù)值與音頻輸入的電壓數(shù)值的比例。
使來自40的反饋信號施加于求和節(jié)點(diǎn)41。音頻輸入也施加于求和節(jié)點(diǎn)41。在求和節(jié)點(diǎn)41上的電壓相當(dāng)于音頻輸入和放大器輸出之差而一般被當(dāng)作錯誤信號。把錯誤信號加于帶有反饋電容器43的積分器42。積分放大器42的輸出是用作H電橋24一側(cè)、也就是用作AHO和ALO的控制信號CTL+。為了產(chǎn)生控制H電橋的另一側(cè)，也就是BHO和BLO的第二控制信號CTL-，使信號CTL+與反相放大器14耦合。
使互補(bǔ)控制信號CTL+和CTL-分別輸入PWM比較器12和16。調(diào)制鋸齒波基準(zhǔn)信號也被輸入到二個比較器12、16。比較器12、16和反相器36、38產(chǎn)生包括第一對互補(bǔ)輸入低電壓門驅(qū)動信號AHI、ALI和第二對互補(bǔ)門驅(qū)動信號BHI、BLI的門驅(qū)動輸入信號。門驅(qū)動電路18產(chǎn)生驅(qū)動H電橋的大電流晶體管(MOS場效應(yīng)晶體管)的柵極需要的輸出高電壓驅(qū)動信號AHO、ALO、BHO、BLO。使輸出門驅(qū)動信號施加于在全電橋24中MOS場效應(yīng)晶體管的柵極和使話筒并聯(lián)在終端20和22之間的電橋上。
在運(yùn)行中，在H電橋的輸出終端20、22上的驅(qū)動信號是與圖2B所示的H電橋輸出脈沖一樣的方波脈沖并且用來驅(qū)動話筒26。輸出端20、22還與濾波器60、差分放大器40的62連接。使濾波過的輸出信號輸入放大器40。放大器40的單端輸出是相當(dāng)于D類放大器的輸出反饋信號。為了形成錯誤信號，使反饋信號與在節(jié)點(diǎn)41上的音頻輸入相加。積分器42接收錯誤信號并產(chǎn)生輸出信號CTL+。與輸出CTL+耦合的反相器14產(chǎn)生互補(bǔ)控制信號CTL-。積分器42執(zhí)行二個功能。第一個功能，積分器42求在節(jié)點(diǎn)41上錯誤信號的積分。使用的積分器42用這樣的方法調(diào)整門驅(qū)動控制信號CTL+和CTL-直到錯誤信號不得不為零而輸出正好等于音頻輸入為止。第二個功能，積分器42提供重新構(gòu)成濾波的功能。由于從40輸出的反饋信號仍是脈動狀的，所以積分器42會平滑修正PWM比較器12、16使用的控制信號CTL+和CTL-。使調(diào)制的基準(zhǔn)鋸齒波信號與二個比較器12、16耦合。然后反相器36、38產(chǎn)生互補(bǔ)門驅(qū)動信號AHI、ALI、BHI、BLI。
為了形成對比較器12、16更精確的反饋控制，雙比較器PWM音頻放大器帶有與積分放大器耦合的差分一到一單端的反饋放大器。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)音頻放大器包括第一和第二比較器，每個比較器接收調(diào)制基準(zhǔn)信號和接收第一和第二互補(bǔ)比較器控制信號之一并且產(chǎn)生相應(yīng)的第一和第二控制信號；門驅(qū)動電路控制全電橋并與產(chǎn)生第一和第二對互補(bǔ)輸出門驅(qū)動信號的第一和第二控制信號耦合；全輸出電橋，包括在電橋一側(cè)上并與驅(qū)動第一對晶體管的柵極的第一對互補(bǔ)輸出門驅(qū)動信號耦合的第一對功率晶體管和在電橋另一側(cè)上并與驅(qū)動第二對晶體管的柵極的第二對互補(bǔ)輸出門驅(qū)動信號耦合的第二對功率晶體管；差分放大器具有與全電橋一側(cè)耦合的一個輸入和與全電橋另一側(cè)耦合的另一個輸入以及代表在電橋輸出二端上的電壓特征的輸出反饋信號；誤差積分放大器電路用作接收并相加音頻輸入和輸出反饋信號產(chǎn)生第一和第二互補(bǔ)比較器控制信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中要求的音頻放大器，其中誤差放大器包括產(chǎn)生互補(bǔ)比較器控制信號的反相器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中要求的音頻放大器，其中電橋包括四個功率MOS場效應(yīng)晶體管(mosfet)器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3中的音頻放大器，其中功率MOS場效應(yīng)晶體管(mosfet)器件包括半豎式DMOS晶體管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4的任一權(quán)利要求中要求的音頻放大器，其中誤差放大器是一種積分器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任一權(quán)利要求中要求的音頻放大器，其中輸出電橋直接與負(fù)載連接，不帶有中介濾波器。
7.雙比較器閉環(huán)音頻放大器包括用作接收相加積分音頻輸入信號和誤差信號而產(chǎn)生互補(bǔ)輸出控制信號的輸入放大器；一對比較器，其中之一將調(diào)制基準(zhǔn)電壓與互補(bǔ)控制信號中之一做比較，另一個將調(diào)制基準(zhǔn)電壓與另一個互補(bǔ)控制信號做比較，每個比較器產(chǎn)生脈沖寬度與基準(zhǔn)電壓和互補(bǔ)控制電壓之差成正比的脈沖寬度調(diào)制輸出信號；響應(yīng)互補(bǔ)控制電壓產(chǎn)生一對與輸入音頻信號成正比例的驅(qū)動負(fù)載的輸出的輸出電橋；差分放大器與產(chǎn)生誤差信號的橋的輸出端相耦合，該誤差信號與電橋兩端的負(fù)載成正比。
全文摘要
為了向比較器12、16提供更精確的反饋控制,雙比較PWM音頻放大器帶有與積分放大器42耦合的差分一到一單端的反饋放大器40。
文檔編號H03F3/217GK1179032SQ97119668
公開日1998年4月15日 申請日期1997年9月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月26日
發(fā)明者約漢·K·佛格 申請人:哈里公司