用於可變電源電壓的開關放大器的製造方法

2023-12-02 20:01:01

用於可變電源電壓的開關放大器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及用於將輸入信號放大到輸出信號的放大器，該放大器包括信號通路和負反饋連接部。信號通路包括接收輸入信號並響應於接收到的輸入信號生成開關信號的調製裝置。此外，信號通路包括與電源電壓連接的開關輸出級。開關輸出級包括根據由調製裝置生成的開關信號進行切換的切換裝置，並且生成輸出信號，輸出信號的振幅取決於電源電壓。負反饋連接部反饋開關輸出級的輸出信號以與輸入信號結合。信號通路和負反饋連接部形成具有環路增益的環路。該放大器的特徵在於，該放大器包括補償裝置，其中，該補償裝置接收開關輸出級的電源電壓或者源自電源電壓的信號，並且該補償裝置適合於至少部分地補償因電源電壓中的變化而產生的環路增益的改變。
【專利說明】用於可變電源電壓的開關放大器

【技術領域】
[0001] 本發明涉及音頻【技術領域】。具體地，本發明涉及適合於高能效操作的開關放大器 以及用於高能效地放大音頻信號的方法。

【背景技術】
[0002] 在音頻【技術領域】中採用電功率放大器以放大音頻信號。放大的音頻信號通過揚聲 器轉換成聲音信號，而聲音信號隨後可以被用戶感知。這種電功率放大器通常用於已知的 消費類電子裝置（諸如CD播放器和電視機）中。
[0003] 廣泛使用的放大器的類型是所謂的D類放大器，其包括調製器和開關輸出級。這 種D類放大器的特徵在於，開關輸出級包括開關，該開關僅呈現兩種不相關的切換狀態並 且（如與其他放大器中的情況那樣）不會被連續地驅動。因此，這些開關放大器具有相對 較高的效率。由於它們的高效率，開關放大器尤其使用在通常需要較高性能的專業領域中。 一個不例為例如用於在機場或購物中心以供揚聲器公告的電聲系統。
[0004] 開關輸出級的開關的控制經由開關信號來實現，其中，開關信號是通過調製器響 應於被放大的音頻信號提供的。用於這種D類放大器的調製處理通常是Σ-Λ調製，其中 開關信號生成自模擬輸入信號或數字輸入信號，並且開關信號可以是例如二元信號或三元 信號。
[0005] 在專利說明書US2008/0042746Al中描述了這種D類放大器的示例。該放大器 包括Σ-Λ調製器、開關輸出級和負反饋連接部，該負反饋連接部允許抑制信號通路中的 噪聲。開關輸出級的輸出信號基於開關輸出級中的切換操作來生成。開關輸出級中產生的 切換損失與施加在開關輸出級處的電源電壓的平方成正比。所施加的電壓的水平越高，切 換損失相對越高。這對於放大器的能效而言具有負面效果，尤其是在弱輸入信號的情況下。
[0006] 在專利說明書US2006/0091945Al中描述了D類放大器的另一示例。該D類放大 器根據誤差校正原理操作。在開關輸出級中基於電源電壓中的誤差所產生的誤差通過由數 字電源電壓值分割負反饋連接部之外的信號通路中的信號來最小化。


【發明內容】

[0007] 本發明的目的在於，提供能夠以比通常現有技術更高能效的方式工作的放大器。 此外，將提供允許音頻信號的高能效放大的方法。
[0008] 通過根據權利要求1的放大器和根據權利要求21的方法實現了上述目的。在從 屬權利要求中記載了有利的進一步發展。
[0009] 根據本發明的放大器用於將輸入信號放大到輸出信號，並且包括信號通路和負反 饋連接部。該信號通路包括：
[0010] -適合於接收輸入信號並且適合於響應於接收到的輸入信號生成開關信號的調製 裝置；以及
[0011] -與電源電壓連接的開關輸出級，其中，開關輸出級包括根據由調製裝置生成的開 關信號進行切換的切換裝置，其中，開關輸出級生成輸出信號，輸出信號的振幅取決於電源 電壓。
[0012] 負反饋連接部適合於反饋開關輸出級的輸出信號，以與輸入信號結合。信號通路 和負反饋連接部形成具有環路增益的環路。
[0013] 最終，放大器包括補償裝置，該補償裝置接收開關輸出級的電源電壓或者源自電 源電壓的信號，並且適合於至少部分地補償因電源電壓中的變化而產生的環路增益的改 變。
[0014] 包括開關輸出級、調製裝置和負反饋連接部的已知的放大器以恆定或基本恆定的 電源電壓操作。即使是對於輸入信號的小振幅，也會將總電源電壓施加到開關輸出級，開關 輸出級的切換裝置繼續以一定的切換頻率進行切換。輸出信號的平均振幅通過輸出信號中 的脈衝的序列和符號來確定。輸出信號中的脈衝的振幅基本上是恆定的並且與電源電壓 相關，但獨立於輸入信號的振幅。對於已知的放大器，因切換裝置的切換而產生、並且以電 源電壓的平方增加的切換損失基本上獨立於輸入信號的振幅。因此，即使是在閒置或者在 待機模式時，即，不存在輸入信號或者存在有振幅幾乎為零的輸入信號時，也會發生切換損 失，而該切換損失與在具有最大振幅的輸入信號的情況下發生的那些切換損失相當。因此， 對於輸入信號的小振幅，這些放大器的效率損失也是相對高的。
[0015] 對於包括負反饋連接部並且由此包括具有環路增益的環路的、已知的開關放大 器，當電源電壓發生變化時，總增益可以在某些情況下因負反饋連接部而保持基本恆定。雖 然無可否認的是，電源電壓中的變化也導致了根據放大器的操作狀態的、環路增益中的變 化，而這可能導致不穩定的後果。因此，已知的開關放大器僅可以在基本恆定的電源電壓下 穩定操作。
[0016] 與此相反，根據本發明的放大器適合於通過可變電源電壓進行操作，並且特別適 合於比通常現有技術更高能效的操作。根據本發明的放大器通過補償裝置的輔助解決上面 的問題，其中，補償裝置接收開關輸出級的電源電壓或者源自其的信號，並且適合於至少部 分地補償因電源電壓中的變化而產生的環路增益中的變化。
[0017] 在根據本發明的放大器中，即使電源電壓發生變化，環路增益也因補償裝置而保 持基本恆定。因此，放大器可以獨立於施加到開關輸出級的電源電壓、以具有高環路增益的 穩定的方式操作。
[0018] 根據本發明的放大器因此適合於與適配輸入信號的振幅的電源電壓一同使用。例 如，對於最大的輸入信號，最大的電源電壓可以施加到開關輸出級，而對於最小的輸入信號 或者是在待機模式時，可以施加最小的電源電壓或為零的電源電壓。此處，輸出信號的平均 振幅的適配並不是、或者並不專門由輸出信號中的脈衝的序列和/或符號的適配構成，而 主要是由輸出信號中的脈衝的振幅的適配構成。對於輸入信號中的小振幅，輸出信號中的 脈衝的振幅也是小的，反之亦然。因為切換損失與電源電壓的平方或者與輸出信號中的脈 衝的振幅的平方成比例，所以切換損失可以顯著地減小。對於輸入信號的小振幅的不必要 地高的效率損失也因此可以通過根據本發明的放大器的輔助來避免。
[0019] 然而，對於根據本發明的放大器的操作不必要的是將電源電壓適配到輸入信號的 振幅。相反，根據本發明的放大器能夠用電源電壓的寬譜操作、而無需進行額外的適配，因 為通過補償裝置確保了放大器的穩定操作。通過這種方式，本發明的放大器可以被廣泛使 用。
[0020] 放大器的有利的進一步發展包括用於根據輸入信號使電源電壓變化的裝置。變化 是以如下方式實現的，即，對於輸入信號的小振幅，減小電源電壓，而對於輸入信號的相對 較高的振幅，相應地增加電源電壓。
[0021] 優選地，補償裝置適合於根據電源電壓來放大或減小環路的信號通路段中的信 號，以通過這種方式抵消因電源電壓的變化引起的環路增益的變化。因為在環路中的信號 通路段上進行的信號放大相同程度地影響環路增益和正向增益兩者，所以總增益不會因這 種改變而變化、或者僅發生幾乎可以忽略不計的變化。
[0022] 原則上，存在有用於上述補償目的的、技術上實現信號通路中的放大的多種可能 性。在一個特別有利的實施方式中，放大器還包括調製器-負反饋連接部以將開關信號反 饋到調製裝置的輸入，並且將反饋信號與調製裝置的輸入處的信號結合。在這種情況下，調 制器-負反饋連接部上的信號可以根據電源電壓、通過補償裝置的輔助放大或減小，通過 這種方式抵消基於電源電壓中的變化引起的環路增益的改變。
[0023] 調製器-負反饋連接部上的信號的放大或減小優選地由與電源電壓相乘或者與 源自其的信號的相乘構成。調製器-負反饋連接部中的信號相乘功能上對應於信號通路的 正向方向上的信號分割。正向方向是信號從放大器輸入前進至放大器輸出、而不在負反饋 連接部上反饋的方向。相對於信號分割，信號相乘具有在技術上更容易實現的優點。
[0024] 優選地，補償裝置包括在調製器-負反饋連接部上用於信號相乘的乘法器。乘法 器具有用於開關信號的第一輸入和用於電源電壓或用於源自其的信號的第二輸入。乘法器 由反饋的開關信號控制，並且響應於開關信號生成輸出信號。例如，開關信號可以是包括第 一值和第二值的二元信號，其中，用於第一值的輸出信號對應於電源電壓的值或者對應於 源自電源電壓的值。對於開關信號的第二值，輸出信號對應於例如相對應的反值。
[0025] 開關信號也可以是三元信號。在這種情況下，乘法器的輸出信號包括三個值。例 如，乘法器的輸出信號包括電源電壓的值或者源自電源電壓的值、相對應的反值和零值。
[0026] 放大器的調製裝置優選地包括二階的Σ-Λ調製器。Σ-Λ調製器的階越高，則能 夠更好地抑制調製器中生成的噪聲。另一方面，由於升高的階，而更加難以使Σ-△調製器 穩定。對於比一階的Σ-Λ調製器更高階的Σ-Λ調製器，反饋的信號的相移以與Σ-Λ 調製器的階對應的因子增加。已發現，二階的Σ-Λ調製器表現出相移與噪聲抑制之間良 好的折中。
[0027] Σ-Λ調製器的環路濾波器可以例如包括積分器和/或共鳴器，並且其具有對於〇 至20kHz之間的音頻範圍中的、待被放大的頻率的高放大和對於該範圍以外的頻率的一或 更小的放大。例如，作為積分器的輸出信號，該環路濾波器的狀態變量包括與在調製器-負 反饋連接部上反饋的信號值相關的飽和行為。為了確保Σ-△調製器在所有操作狀態中均 保持穩定，環路濾波器的狀態變量必須包括定義的飽和行為。這優選地實現成狀態變量的 限制值或飽和值通過補償裝置的輔助、響應於電源電壓中的變化相對應地適配。環路濾波 器的狀態變量的數值對應於環路濾波器的階，該階與環路濾波器的積分器的數值匹配。
[0028] 優選地，Σ-Λ調製器是實現在硬體可編程部件上、特別是實現在FPGA(現場可編 程門陣列）上的數字Σ-Λ調製器。所描述的發明（特別是實現在FPGA上時）提供優點。 然而，本發明也能夠通過集成電路的輔助、特別是通過ASIC(應用專用集成電路）的輔助實 現。
[0029] 此外，數字環路濾波器優選地布置在位於根據本發明的放大器的Σ-Λ調製器的 上遊的信號通路中，其適於接收與從負反饋連接部反饋的信號結合的輸入信號。優選地，通 過與Σ-Λ調製器相同的方式，數字環路濾波器實現在硬體可編程部件上，特別是FPGA上。 數字環路濾波器導致對於被放大的頻率的高環路增益，以使得噪聲能夠通過負反饋的輔助 被有效地抑制。
[0030] 優選地，放大器的負反饋連接部還包括模擬環路濾波器和第一模數轉換器，特別 是二階的模數轉換器，其輸入與模擬環路濾波器的輸出連接。通過模數轉換器的輔助，模擬 環路濾波器的輸出信號被數位化並轉發到FPGA。
[0031] 另外，第一模數轉換器的輸出信號優選地經由數模負反饋連接部反饋，以與開關 輸出級的反饋的輸出信號結合。數模負反饋連接部具有布置在其中的數模轉換器，其適合 於在第一模數轉換器的反饋的輸出信號與經由負反饋連接部反饋的、開關輸出級的模擬輸 出信號結合前，將第一模數轉換器的反饋的輸出信號轉換成模擬信號。
[0032] 優選地，1比特轉換器用於第一模數轉換器並用於數模轉換器。由於在音頻範圍中 使用通常具有高環路增益的模擬環路濾波器，第一模數轉換器可以是簡單低價的1比特轉 換器。
[0033] 可選地，例如在較高品質要求的情況下，第一模數轉換器和數模轉換器可以是具 有大於1比特字寬的轉換器。在這種情況下，數字濾波器優選地布置在第一模數轉換器的 下遊，其輸出信號經由數模負反饋連接部反饋。數字濾波器可以有助於減少高頻率信號分 量。模擬環路濾波器、第一模數轉換器、數字濾波器、數模轉換器和數模負反饋連接部一同 形成用於開關輸出級的反饋的輸出信號的低價轉換器。
[0034]為了使開關輸出級的輸出信號平穩，放大器優選地包括在信號通路中以正向方向 布置在開關輸出級之後的濾波器。在開關輸出級的輸出之後且在濾波器的輸入之前，負反 饋連接部在輸出側與信號通路連接。可選地，在濾波器的輸出之後，負反饋連接部可以與信 號通路連接。負反饋連接部由此適合於在濾波器的上遊或下遊反饋開關輸出級的輸出信 號。
[0035] 優選地，放大器包括適合於將電源電壓轉換成數位訊號並且將轉換後的數位訊號 轉發到補償裝置的第二模數轉換器。由此，因電源電壓中的變化而產生的環路增益的改變 的至少部分補償可以數位化地實現在FPGA上。該信號為對於在開頭提及的、"源"自電源電 壓的信號的示例。
[0036] 優選地，放大器包括製成為通過網絡部件可用的、用於電源電壓的連接部，在本發 明的一個實施方式中連接部不是放大器的一部分。電源電壓設置在放大器之外，並且連接 至以這種目的提供的放大器的連接部。
[0037]放大器的開關輸出級優選地由H電橋形成。放大器的切換裝置優選地由通過開關 信號進行切換的功率MOSFET電晶體構成。
[0038]對於數位訊號處理和數位訊號生成，放大器優選地包括時鐘源。對於第一模數轉 換器的操作，該時鐘源優選地提供IOOkHz以上的採樣頻率，優選地提供IMHz以上的採樣頻 率，更優選地提供IOMHz以上的採樣頻率。不同的所需時鐘頻率可以直接通過時鐘源提供、 或者可以源自FPGA中的時鐘源。
[0039] 在根據本發明的放大器的可選實施方式中，補償裝置適合於根據電源電壓增加或 減小負反饋連接部上的信號，通過這種方式其抵消基於電源電壓中的變化引起的環路增益 的改變。當幹擾負反饋連接部時，該改變僅影響環路增益，而不影響正向增益。為了抵消總 增益中產生的改變，所述環路外側段中的信號通路上的信號通過補償裝置的輔助附加地適 當增加或減小，由此僅改變正向增益，而不改變環路增益。通過這種方式，能夠正確地補償 上述總增益中的改變。
[0040] 在可選實施方式中，負反饋連接部上的信號的增加或減小優選地通過補償裝置的 輔助經由與開關輸出級的電源電壓的、或者與源自電源電壓的信號的相乘來實現。
[0041] 在根據本發明的放大器的第二個可選實施方式中，補償裝置適合於通過開關輸出 級的電源電壓或者通過源自其的信號分割環路中的信號通路上的信號。環路中的信號通路 上的分割以相同的程度改變環路增益和正向增益，以使得總增益保持基本不變。
[0042] 此外，本發明涉及用於通過放大器的輔助將輸入信號放大到輸出信號的方法，其 中放大器包括信號通路和負反饋連接部，信號通路和負反饋連接部形成具有環路增益的環 路，其中該方法包括以下步驟：
[0043]-接收輸入信號；
[0044]-通過調製裝置的輔助生成開關信號；
[0045]-通過與電源電壓連接的開關輸出級的輔助生成輸出信號，其中，開關輸出級包括 切換裝置，切換裝置響應於由調製裝置生成的開關信號進行切換，其中，輸出信號的振幅取 決於電源電壓；
[0046]-通過負反饋連接部的輔助反饋開關輸出級的輸出信號；
[0047]-將反饋的輸出信號與輸入信號結合，
[0048]-通過使用補償裝置至少部分地補償因電源電壓中的變化而產生的環路增益的改 變，其中，補償裝置接收開關輸出級的電源電壓或者源自其的信號。
[0049] 優選地，該方法通過根據上面提及的實施方式中的一個的放大器執行。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0050] 在下文中參照附圖通過優選的示例性實施方式對本發明進行了詳細說明，通過這 樣的說明顯露了本發明的進一步的優點和特徵，在附圖中：
[0051] 圖1示出了根據本發明的具有數字環路濾波器和數字Σ-Λ調製器的放大器的電 路框圖；
[0052] 圖2示出了內部Σ-Λ調製器的電路框圖；以及
[0053] 圖3示出了具有合適的飽和度的數字積分器的電路框圖。

【具體實施方式】
[0054] 圖1示出了根據本發明的放大器8的示例性實施方式。放大器8包括信號通路10， 在信號通路10上以正向方向連續布置有數字環路濾波器12、數字Σ-Λ調製器14、開關輸 出級16和濾波器18。開關輸出級16由H電橋形成。此外，描繪了負反饋連接部20,該負 反饋連接部20在其輸入端與位於開關輸出級16與濾波器18之間的信號通路10連接、或 者可選地與濾波器18後的信號通路10連接。另外，在負反饋連接部20中，模擬環路濾波 器22、第一模數轉換器24和數字濾波器25連續地布置在信號方向上。數模負反饋連接部 26在其輸入端與數字濾波器25的輸出連接，並且在其輸出端與模擬環路濾波器22的輸入 連接。數模負反饋連接部26還包括數模轉換器28。放大器8通過電源電壓30運行，其中， 電源電壓30可以是可變的，並且可以與開關輸出級16連接以及經由第二模數轉換器32與 數字Σ-Λ調製器14連接。數字輸入34形成信號通路10的輸入，而信號通路10在經過 開關輸出級16後提供輸出信號36。數字環路濾波器12、Σ-Λ調製器14和數字濾波器25 在硬體可編程部件38上實現，其中硬體可編程部件38由FPGA構成並且與時鐘源40連接。 負反饋連接部20與信號通路10 -同形成環路42。
[0055] 開關輸出級16的模擬輸出信號36或者可選地輸出信號經由負反饋連接部20反 饋至濾波器18的下遊，以與輸入信號結合。結合通常是以如下方式進行的，S卩，將對輸入信 號相移180°的反饋信號添加到輸入信號。這對應於信號減法。通過負反饋的輔助來排除 或者至少抑制發生在環路42內的信號通路10上的噪聲影響。這種噪聲影響的一個示例為 開關輸出級16中的非線性特性，其會導致聲音失真。
[0056] 在反饋信號與輸入信號結合之前，通過模擬環路濾波器22的輔助使反饋信號放 大，隨後通過第一模數轉換器24的輔助使其數位化。此外，在經過第一模數轉換器24後， 通過數字濾波器25的輔助減少數位化的信號中的高頻信號部分。第一模數轉換器24優選 為二階的Σ-Λ模數轉換器，其中二階的Σ-Λ模數轉換器優選地以大於IOMHz的時鐘頻 率操作。
[0057] 對於所要求的頻率範圍，與反饋的輸出信號結合的輸入信號由數字環路濾波器 12放大，而對於比該頻率範圍更高的頻率，則結合的輸入信號不放大或衰減地轉發至數字 Σ-Λ調製器14。
[0058] 數字濾波器25的輸出信號通過數模負反饋連接部26的輔助進行反饋，以與開關 輸出級16的反饋的輸出信號36結合。在數字濾波器25的數字輸出信號進行結合前，通過 數模轉換器28的輔助將該數字輸出信號轉換成模擬信號。通過與第一模數轉換器24相同 的方式，數模轉換器28也以大於IOMHz的時鐘頻率操作。由於大於IOMHz的時鐘頻率的使 用，在數位訊號與模擬信號之間的轉換期間不會發生誤差或者僅會發生非常少的誤差，由 此不需要混疊濾波或者僅需要非常簡單的混疊濾波，其中，混疊濾波通常用於減少在數字 信號與模擬信號之間的轉換期間因時鐘頻率不足而引起的影響（所謂的混疊影響）。
[0059] 響應於數字環路濾波器12的輸出信號，Σ-Λ調製器14生成開關信號，而開關信 號是能夠呈現例如值"〇 "和值" 1"的數位訊號。
[0060] 開關信號由開關輸出級16接收，而開關輸出級16響應於開關信號生成輸出信號 36。開關輸出級16包括根據開關信號進行切換並且呈現兩個不相關的切換狀態中的一種 狀態的切換裝置。開關輸出級16的切換裝置可以例如採用功率-MOSFET-電晶體的形式。 考慮到相應的切換裝置，當控制切換裝置時，開關信號的信號值"〇"對應於"關閉的"切換 狀態，而開關信號的信號值"1"對應於"打開的"切換狀態，反之亦然。由此，開關輸出級 16的切換裝置響應於開關信號進行切換，並且響應於切換操作在輸出信號中生成單獨的脈 衝。輸出信號36中的脈衝的振幅和符號取決於所施加的電源電壓30的值和開關信號的值。 例如，對於與電源電壓30對應的開關信號的值" 1"，在輸出信號36中生成脈衝或脈衝貢獻。 對於開關信號的值"〇"，則在輸出信號36中生成例如對應地反轉的脈衝或脈衝貢獻。由此， 對應於開關信號的兩個信號值，輸出信號36還包括兩個不相關的值，而其量取決於施加到 開關輸出級16的電源電壓30。
[0061] 通過放大器8實現了將輸入信號放大到輸出信號36,以使得輸出信號36的平均 振幅基本上對應於以特定因子放大的輸入信號的平均振幅。如果在特定長度的時間段上的 輸出信號36僅包含正脈衝或者負脈衝，則在該時間段上的輸出信號36的平均振幅分別呈 現其對於所施加的電源電壓30的最大值或最小值。這分別被稱為100%正輸出耦合或者 100%負輸出耦合。如果在特定長度的時間段上的輸出信號36包含大致相同數量的正脈衝 和負脈衝，則在該時間段上的輸出信號36的平均振幅呈現零值。在這種情況下，輸出耦合 量為0%。輸出信號36的平均振幅由此通過輸出耦合的程度和所施加的電源電壓30來確 定。輸出耦合的程度通過開關信號來確定，其中開關信號響應於輸入信號、通過數字Σ-Λ 調製器14的輔助生成。
[0062] 應認識到，對於弱輸入信號，將存在相對較低的輸出f禹合，以生成與輸出信號36 相對應的、相對較低的平均振幅。然而，這意味著在這種情況下開關輸出級16的電源電壓 30高於實際需要。與此同時，因為開關輸出級16的切換損失以電源電壓30的平方增加/ 減小，所以用於弱輸入信號的高電源電壓36表現出有關能效的問題。
[0063] 本發明人已認識到，如果輸入信號上的電源電壓30(對於不變的總增益）可以適 配到能夠改善能效，則由此可以避免對於較弱的輸入信號的不必要的高電源電壓30。
[0064] 所示的結構有利於這種功能，即總增益由於負反饋連接部20而基本上獨立於電 源電壓30。不可否認的是，將在下文中進一步詳細說明的電源電壓30中的改變導致了環路 增益的改變，而環路增益的改變接著導致負反饋中的不穩定性。本發明因此提出了，通過適 當的方式補償因本發明中可能發生的電源電壓30中的改變而產生的環路增益中的變化， 從而確保了負反饋的穩定性。下文中將對其進行詳細說明。
[0065] 供輸入信號放大到輸出信號的總增益Ae基於下式、由正向增益Av和環路增益^得 出：
[0066] Aq= -- ~~ I -f-As
[0067] 環路增益As為供信號在經過環路42的單次往返中放大的增益，正向增益Av為供 輸入信號在沒有輸出信號36的負反饋情況下放大的增益。對於0至IOkHz的音頻範圍，根 據本發明的放大器優選地包括30dB以上的環路增益，優選地包括40dB以上的環路增益，並 且特別優選地包括50dB以上的環路增益。
[0068] 由於負反饋，沒有與正向增益Av對應的負反饋的總增益Ae以因子（1+4Γ1減小， 從而使放大行為以總增益Ae的代價線性化和穩定化。
[0069] 因為開關輸出級16位於環路42內的信號通路10中，所以環路增益As和正向增 SAv兩者均與所施加的電源電壓成正比。艮P，
[0070]As =Ku ·Asu 和Av =Ku ·Avu,
[0071] 其中，Ku為與電源電壓30相關的比例因子，並且，Asu或Avu為環路增益或正向增益 的百分比，其不隨電源電壓30而變化。
[0072] 因為用於被放大的輸入信號的正向增益Av和環路增益As兩者均基本上大於 I((Av，As) >>1)，所以總增益Ae大致對應於正向增益Av與環路增益As的商數g，並且獨立於 所施加的電源電壓30 :

【權利要求】
1. 一種用於將輸入信號放大到輸出信號（36)的放大器（8)，其中，所述放大器（8)包 括信號通路（10)和負反饋連接部（20)， 其中，所述信號通路（10)包括： -調製裝置（14)，適合於接收所述輸入信號並且適合於響應於接收到的所述輸入信號 生成開關信號；以及 -開關輸出級（16)，與電源電壓（30)連接，其中，所述開關輸出級（16)包括根據由所 述調製裝置（14)生成的開關信號進行切換的切換裝置，並且所述開關輸出級（16)生成輸 出信號（36)，其中，所述輸出信號（36)的振幅取決於所述電源電壓（30)，以及 其中，所述負反饋連接部（20)適合於反饋所述開關輸出級（16)的所述輸出信號（36) 以與所述輸入信號結合， 其中，所述信號通路（10)和所述負反饋連接部（20)形成具有環路增益的環路（42)， 其特徵在於， 所述放大器包括補償裝置（52)，所述補償裝置接收所述開關輸出級（16)的所述電源 電壓（30)或者源自所述電源電壓的信號，並且所述補償裝置適合於至少部分地補償因所 述電源電壓（30)中的變化而產生的所述環路增益的改變。
2. 根據權利要求1所述的放大器（8)，還包括：用於根據所述輸入信號來改變所述電源 電壓（30)的裝置。
3. 根據權利要求1或2所述的放大器（8)，其中，所述補償裝置（52)適合於根據所述 電源電壓（30)來放大或減小所述環路（42)的信號通路段中的信號，以通過這種方式抵消 基於所述電源電壓（30)中的變化而產生的環路增益的改變。
4. 根據權利要求3所述的放大器（8)，還包括：調製器-負反饋連接部（50)，其適合於 將所述開關信號反饋到所述調製裝置（14)的輸入，以在所述調製裝置（14)的輸入處與信 號結合， 其中，所述補償裝置（52)適合於根據所述電源電壓（30)來放大或減小所述調製 器-負反饋連接部（50)上的信號，以通過這種方式抵消基於所述電源電壓（30)中的變化 而產生的環路增益的改變。
5. 根據權利要求4所述的放大器（8)，其中，所述補償裝置（52)適合於將所述開關輸 出級（16)的所述電源電壓（30)或者源自所述電源電壓的信號與所述調製器-負反饋連接 部（50)上的信號相乘。
6. 根據權利要求5所述的放大器（8)，其中，所述補償裝置（52)包括乘法器（52)，並且 其中，所述開關輸出級（16)的所述電源電壓（30)或者源自所述電源電壓的信號通過所述 乘法器（52)與所述開關信號相乘以形成至少大致具有所述電源電壓（30)的值或反值、或 者至少大致具有源自所述電源電壓（30)的信號的值或反值的信號。
7. 根據權利要求6所述的放大器（8)，其中，所述調製裝置包括2-A調製器（14)，其 中，所述2-△調製器（14)優選地包括具有兩個或更多積分器的環路濾波器（44、46)。
8. 根據權利要求7所述的放大器（8)，其中，所述環路濾波器（44、46)能夠呈現受至少 一個狀態變量影響的狀態，對於所述至少一個狀態變量，所述環路濾波器（44、46)包括限 制值（62)，其中，所述補償裝置適合於響應於所述電源電壓（30)中的變化相應地適配所述 限制值（62)。
9. 根據權利要求7或8所述的放大器（8)，其中，所述I：-A調製器（14)在硬體可編 程部件（38)上、特別是FPGA上實現。
10. 根據權利要求9所述的放大器（8)，還包括： 數字環路濾波器（12)，布置在所述信號通路（10)中所述2-A調製器（14)的上遊，並 且適合於在所述輸入信號與通過所述負反饋連接部（20)反饋的所述輸出信號（36)結合後 接收並放大該輸入信號，其中，所述數字環路濾波器（12)在所述硬體可編程部件（38)上、 特別是所述FPGA上實現。
11. 根據權利要求9或10所述的放大器（8)，其中，所述負反饋連接部還包括： -模擬環路濾波器（22);以及 -二階的第一模數轉換器（24)，其輸入與所述模擬環路濾波器（22)的輸出連接。
12. 根據權利要求11所述的放大器（8)，還包括： -數模負反饋連接部（26)，其適合於反饋所述第一模數轉換器（24)的輸出信號，以與 所述開關輸出級（16)的反饋的輸出信號（36)結合；以及 -數模轉換器（28)，其適合於將所述第一模數轉換器（24)的反饋輸出信號轉換成模擬 信號。
13. 根據權利要求12所述的放大器（8)，還包括： 數字濾波器（25)，其輸入與所述第一模數轉換器（24)的輸出連接，其中，所述數模負 反饋連接部（26)適合於反饋所述數字濾波器（25)的輸出信號，以與所述開關輸出級（16) 的反饋的輸出信號（36)結合。
14. 根據前述權利要求中的一項所述的放大器（8)，還包括： 濾波器（18)，其輸入與所述開關輸出級（16)的輸出連接，其中，所述負反饋連接部 (20)適合於反饋位於所述濾波器（18)的上遊或下遊的所述開關輸出級（16)的輸出信號 (36)。
15. 根據權利要求9至14中的一項所述的放大器（8)，還包括： 第二模數轉換器（32)，其適合於將所述電源電壓（30)轉換成數位訊號並且適合於將 所轉換的數位訊號轉發到所述補償裝置（52)。
16. 根據前述權利要求中的一項所述的放大器（8)，其被布置成通過外部連接的電源 電壓（30)操作。
17. 根據前述權利要求中的一項所述的放大器（8)，其中，所述開關輸出級（16)由H電 橋形成，和/或所述切換裝置由功率MOSFET電晶體形成。
18. 根據權利要求11至17中任一項所述的放大器（8)，還包括： 時鐘源（40)，用於數位訊號處理和/或用於數位訊號生成，其中，所述第一模數轉換器 (24)被布置成以100kHz以上的採樣頻率操作，優選地以1MHz以上的採樣頻率操作，特別優 選地以10MHz以上的採樣頻率操作。
19. 根據權利要求1或2所述的放大器（8)，其中，所述輸入信號通過總增益被放大到 所述輸出信號（36)，並且其中， -所述補償裝置適合於根據所述電源電壓（30)來放大或減小所述負反饋連接部（20) 上的信號，以抵消基於所述電源電壓（30)中的變化產生的環路增益的改變，並且 -適合於通過適當地放大或減小所述環路（42)之外的一段中的信號，對因放大或減小 所述負反饋連接部（20)上的信號而產生的所述放大器的所述總增益中的改變進行補償。
20. 根據權利要求1、2或19中的一項所述的放大器，其中，所述補償裝置適合於將所述 開關輸出級（16)的所述電源電壓（30)或者源自所述電源電壓的信號與所述負反饋連接部 (20)上的所述信號相乘。
21. 根據權利要求3所述的放大器，其中，所述補償裝置適合於通過所述開關輸出級 (16)的所述電源電壓（30)或者源自所述電源電壓的信號分割所述信號通路（10)上的信 號。
22. -種通過放大器（8)的輔助將輸入信號放大到輸出信號（36)的方法，其中，所述放 大器⑶包括信號通路（10)和負反饋連接部（20)，所述信號通路（10)和所述負反饋連接 部（20)形成具有環路增益的環路（42)，其中所述方法包括以下步驟： _接收所述輸入信號； -通過調製裝置（14)的輔助生成開關信號； -通過與電源電壓（30)連接的開關輸出級（16)的輔助生成輸出信號（36)，其中，所述 開關輸出級（16)包括切換裝置，所述切換裝置根據由所述調製裝置（14)生成的所述開關 信號進行切換，其中，所述輸出信號（36)的振幅取決於所述電源電壓（30); -通過所述負反饋連接部（20)的輔助反饋所述開關輸出級（16)的輸出信號（36); -將反饋的所述輸出信號（36)與所述輸入信號結合，其特徵在於，所述方法包括以下 步驟： -通過使用補償裝置（52)至少部分地補償因所述電源電壓（30)中的變化而產生的所 述環路增益的改變，其中，所述補償裝置（52)接收所述開關輸出級（16)的所述電源電壓或 者源自所述電源電壓的信號。
23. 根據權利要求21所述的方法，其使用根據權利要求1至21中任一項所述的放大器 ⑶。
【文檔編號】H03F3/217GK104365018SQ201380027035
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2013年5月3日 優先權日:2012年5月24日
【發明者】約瑟夫·科路克鮑爾-赫利梅爾 申請人:慕尼黑應用技術大學