用於增大開關放大器的採樣頻率的方法和系統的製作方法

2023-10-22 18:54:52

專利名稱：用於增大開關放大器的採樣頻率的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及開關放大器和方法，更具體而言，涉及一種用於降低開關 放大器中電磁幹擾的系統和方法。
背景技術：
開關放大器比非開關放大器具有顯著更好的效率，主要是因為用於為 負載切換電壓的電晶體在導通時，使得所述電晶體上的電壓比較小，所述 電晶體在關閉時，使得流過所述電晶體的電流比較小。由於所述電晶體上 的電壓小或者流過所述電晶體的電流小，所以所述電晶體的功耗就比較小。
採用單PWM流的開關放大器被廣泛應用。然而，這些開關放大器不能 以合理的成本準確的放大寬帶寬、高精度的信號。最近採用的一種方法是 採用能夠利用包括兩個或者更多PWM流的調製技術的開關放大器，例如多 基準(multi-reference)開關放大器。美國專利No. 6535058、發明名稱為 "Multi-reference, High Accuracy Switching Amplifier(多基準、高精 度開關放大器)"的專利中描述了一種多基準開關放大器，通過引用將其所 有內容併入到本發明。多基準開關放大器的一個實例包括兩個分離的 流，其中一個流是粗高壓PWM流，而另一個流是細低壓PWM流。
開關放大器有時會產生過多的電磁射頻(RF)幹擾，從而幹擾所述放 大器以及位於所述放大器附近的其它電子器件的工作。通過將由所述放大 器驅動的負載耦合到由電感器和/或電容器形成的低通濾波器上，在一定程 度上能夠對這種RF幹擾進行衰減。低通濾波器對超過特定頻率(通常被稱為截止頻率)的信號進行衰減。RF幹擾的頻率超過截止頻率越大，則更多 的RF幹擾得到衰減。然而，減小截止頻率以更好地衰減RF幹擾限制了開
關放大器的帶寬。相反地，增大採樣率以允許濾波器對RF幹擾提供更好的 衰減降低了輸出信號的可用動態範圍，例如最強信號與最小信號的比率。
因此，需要在不劣化輸出信號以及不損害輸出信號動態範圍的情況下 降低RF幹擾。

發明內容
本發明涉及一種系統和方法，所述系統和方法能夠在不損害輸出信號 動態範圍的情況下，降低開關放大器中的RF幹擾。根據本發明的一個方 面， 一種開關放大器包括可操作地耦合到第一電壓和可操作地耦合到第一 輸出濾波器的第一組開關器件，以及可操作地耦合到第二電壓和可操作地 耦合到第二輸出濾波器的第二組開關器件。所述開關放大器還包括調製 器，所述調製器用於以第一採樣率控制所述第一組開關器件，且以第二採 樣率控制所述第二組開關器件，以便根據輸入信號分別向所述第一和第二 輸出濾波器提供第一和第二電壓，所述第一採樣率大於所述第二採樣率。


圖1是典型多基準開關放大器的框圖2示出了根據現有技術在圖1的電路中觀察到的典型電壓波形； 圖3示出了根據本發明的一個實施例的圖1的電壓波形。
具體實施例方式
本發明實施例旨在提供一種在不劣化性能的情況下降低開關放大器中 的RF幹擾的系統和方法。下面闡明的某些細節用於提供對本發明的充分理 解。然而，本領域技術人員很清楚，可以在沒有這些特定的細節的情況下 實施本發明。
圖1是根據本發明的一個實施例的雙基準開關放大器的框圖。儘管圖1 是針對雙基準開關放大器，但是本領域普通技術人員應當意識到，本發明
適用於任何多基準幵關放大器。圖1的雙基準開關放大器有兩個基準正電源電壓V+和從所述V+通過調節器114而提供的電壓。正電源電壓V+通過 控制開關108、 111向負載119提供能量。所述調節器114通過開關109、 112向所述負載119提供能量。負載119通過開關器件110、 113接地。在 一些實施例中，由所述V+基準提供的電壓明顯大於由所述調節器114所提 供的電壓。例如，在一個實施例中，由所述正電源電壓V+基準所提供的電 壓近似為12V，而由所述調節器114所提供的電壓為47mV。
輸入數據流100作為輸入施加至脈寬調製器(PWM) 107，所述PWM107 輸出PWM控制信號101、 102、 103、 104、 105和106以分別控制開關器件 108、 109、 110、 111、 112和113。所述負載119以橋式結構連接在兩個獨 立的輸出節點之間。第一輸出節點A直達開關器件108、 109和110。第二 輸出節點B直達開關器件lll、 112和113。所述第一輸出節點A耦合到電 感器115，所述電感器115進一步耦合到電容器116。在將輸出施加到負載 119的第一端子之前，電感器115結合電容器116對開關器件108、 109和 110的輸出進行濾波。所述第二輸出節點B耦合到電感器117，所述電感器 117進一步耦合到電容器118。在將輸出施加到負載119的第二端子之前， 所述電感器117結合電容器118對開關器件111、 112和113的輸出進行濾 波。因此，開關器件108和111將所述正電源V+耦合到所述負載119，而 開關器件109和112將通過調節器114從所述V+提供的基準電壓耦合到所 述負載119，並且開關器件110和113將所述負載119接地。圖l的電路在 上述美國專利No. 6535058中有進一步的詳細描述。
圖1的電路在所述負載119的每一側導致兩個分離的PWM數據流。在 圖1所示的實施例中，通過開關器件108和111施加至所述負載119的PWM 數據流是粗高壓調製流。通過開關器件109、 112施加至所述負載119的PWM 數據流是細低壓調製流。然而，對本領域普通技術人員來說是顯然的，所 述粗和細電壓流的配置取決於哪些開關器件耦合到高壓源和低壓源。
圖2示出了根據現有技術在圖1所示放大器中觀察到的典型輸出電壓 和電流波形。跡線200示出了圖1中將被放大的數據流100的波形。電壓 跡線201、 202、 203、 204、 205和206分別反映了當圖1中所述負載119 的輸出極性改變時，圖1中控制信號101、 102、 103、 104、 105和106的 狀態。電壓跡線207示出了開關器件108、 109和110的共同輸出，該輸出作為第一輸入節點A處電感器115的輸入。電壓跡線208示出了開關器件
111、 112和113的共同輸出，該輸出作為第二輸入節點B處電感器117的 輸入。
正如上面引用的專利所教導的，注意到跡線207和208中由粗數據所 調製的高壓V+脈衝遵循跡線200中的相對符號，而跡線207和208中由細 數據所調製的基準電壓脈衝則遵循跡線200中V+脈衝的相反相對符號。電 壓跡線207和208表明，當由粗數據所調製的V+脈衝被施加到所述負載119 的一側時，由細數據所調製的所述基準電壓脈衝則被施加到所述負載119 的另一側。例如，當開關器件108向所述第一輸入節點A提供V+脈衝時， 開關器件112則向所述第二輸入節點B提供基準電壓脈衝。與現有技術常 用的做法一樣，為了在所述負載110的兩側保持同樣的電壓，跡線207和 208中所示的V+粗調製脈衝和基準電壓細調製脈衝以共同的固定輸出採樣 率出現。
根據本發明的一個實施例，圖1所示的開關放大器採用圖3所示的方 式工作。跡線300示出了圖1中將被放大的數據流100的波形。跡線301、 302、 303、 304、 305和306分別表示控制開關器件108、 109、 110、 111、
112、 113的信號101、 102、 103、 104、 105、 106。跡線307表示開關器件 108、 109和110的共同輸出，該輸出作為電感器115的輸入。跡線308表 示開關器件lll、 112和113的共同輸出，該輸出作為電感器117的輸入。 與圖2類似，跡線307和308中的所述V+粗調製脈衝和基準電壓細調製脈 衝遵循輸入波形300的相反符號。
與圖2的跡線207中的所述V+粗調製脈衝的採樣頻率相比，如跡線307 中所示的所述V+粗調製脈衝的採樣頻率增大了，由於進一步來自截止頻率 的操作的原因，增大所述V+粗調製脈衝的頻率提供更好的濾波衰減。特別 地，儘管粗高壓脈衝的頻率的增大與低頻操作相比將產生更大幅值的RF幹 擾，但是二階或更高階濾波器更加能夠以增大的頻率衰減該RF幹擾。更具 體而言，在頻率變為兩倍時，來自高壓脈寬調製的RF幹擾增大不超過6dB。 但是在頻率變為兩倍時，二階濾波器衰減的增大將高達12dB。因此，在不 劣化輸出信號以及不損害輸出信號動態範圍的情況下，輸出濾波器可以降 低RF幹擾。因而，降低RF幹擾不會損害性能。在一個實施例中，除了增大粗調製脈衝，脈衝的長度同樣減小。例如，
跡線307、 308表示的最終V+粗調製脈衝是圖2的跡線207、 208中的V+粗 調製脈衝長度的一半、頻率的兩倍。因此，跡線結果整體上與圖2中跡線 207、 208是等效的，但是發射的頻率變為兩倍。在另一實施例中，最終￥+ 粗調製脈沖的長度可以被降低其他的量，而脈衝的頻率可以增大不同的比 率。然而，在一個實施例中，所述粗調製信號的長度和頻率將表示所述負 載119的相同輸出信號。如跡線307、 308所示，所述基準電壓細調製脈衝 的輸出採樣頻率與圖2中示出的相同。本領域普通技術人員容易理解，為 了調整相對於所述基準電壓脈衝採樣率的所述V+脈衝的採樣率，圖1中的 所述調製器107將有可能會變得更複雜。
本領域普通技術人員應該理解，圖l所示的電壓配置可以是其它配置。 例如，在一個實施例中，所述V+電源可以接地，而圖l所示的地電位可以 是一個負電壓。然而在另一個實施例中，圖1中的V+可以作為一個負電壓。
通過對本文所述方法的描述可以看出，能夠在不影響輸出信號的動態 範圍的情況下實現降低多基準開關放大器中RF幹擾。
雖然上面結合所公開的實施例對本發明進行了描述，但是本領域技術 人員將意識到，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，可以在形式和細節 方面做出多種修改。所述修改完全落入本領域普通技術人員的技術常識內。 因而，本發明不受附加權利要求之外的其它內容的限制。
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權利要求
1、一種開關放大器，包括可操作地耦合到第一電壓和可操作地耦合到第一輸出濾波器的第一組開關器件；可操作地耦合到第二電壓和可操作地耦合到第二輸出濾波器的第二組開關器件；可操作地耦合到第三電壓的第三組開關器件；以及調製器，所述調製器具有用於接收輸入信號的輸入端子和耦合到每一個所述開關器件的相應輸出端子，所述調製器用於以第一採樣率控制所述第一組開關器件，並用於以第二採樣率控制所述第二組開關器件，從而根據所述輸入信號分別向所述第一和第二輸出濾波器提供第一和第二電壓，所述第一採樣率大於所述第二採樣率。
2、 根據權利要求1所述的開關放大器，其中，所述第一組開關器件向 所述第一輸出濾波器提供粗功率控制，所述第二組開關器件向所述第二輸 出提供細功率控制。
3、 根據權利要求1所述的開關放大器，
4. 其中，所述第一和第二輸出濾 波器是二階濾波器。
5、 根據權利要求1所述的開關放大器，其中，所述調製器用於以第一 採樣率來控制所述第一組開關器件，所述第一採樣率是所述第二組開關器 件的採樣率的兩倍。
6、 根據權利要求5所述的開關放大器，其中，每一個輸出濾波器包括 電感器和電容器。
7、 根據權利要求1所述的開關放大器，其中，所述第三組開關器件向 所述負載提供預設電壓狀態。
8、 一種開關放大器，包括 第一、第二和第三基準電壓；第一組控制開關，其中每一個控制開關耦合到所述基準電壓中的一個， 並且還耦合到第一輸出濾波器；第二組控制開關，其中每一個控制開關耦合到所述基準電壓中的一個， 並且還耦合到第二輸出濾波器；以及調製器，所述調製器具有用於接收輸入信號的輸入端子和耦合到所述 第一組控制開關中的相應的一個開關的第一多個輸出端子以及耦合到所述 第二組控制開關中的相應的一個開關的第二多個輸出端子，所述調製器可 操作地響應於所述輸入信號生成用於所述第一和第二組控制開關的多個控 制信號，所述多個控制信號可操作地激活所述控制開關，以向所述第一輸 出濾波器和第二輸出濾波器提供具有調製脈寬的基準電壓的脈衝，耦合到 所述第一基準電壓的控制開關以高於耦合到所述第二基準電壓的控制開關 的頻率來調製所述脈寬。
9、 根據權利要求8所述的開關放大器，其中，耦合到所述第一基準電 壓的控制開關向所述第一輸出濾波器和所述第二輸出濾波器提供粗功率控 制，耦合到所述第二基準電壓的控制開關向所述第一輸出濾波器和所述第 二輸出濾波器提供細功率控制。
10、 根據權利要求9所述的開關放大器，其中，所述第一輸出濾波器 和所述第二輸出濾波器是二階輸出濾波器。
11、 根據權利要求8所述的開關放大器，其中，在所述第一組控制開 關中的第一控制開關和第二控制開關耦合到所述第一輸出濾波器，而所述 第二組控制開關中的第一控制開關和第二控制開關耦合到所述第二輸出濾 波器。
12、 根據權利要求10所述的開關放大器，其中，所述第一和第二輸出濾波器分別包括電感器和電容器。
13、 根據權利要求8所述的開關放大器，其中，第一和第二輸出濾波 器包括三階輸出濾波器。
14、 一種操作開關放大器的方法，包括 向所述開關放大器的輸入端子施加輸入信號；在第一時間段期間，向所述開關放大器的第一濾波器施加多個第一脈 寬調製電壓脈衝；以及在所述第一時間段期間，向所述開關放大器的第二濾波器施加多個第 二脈寬調製電壓脈衝；所述第一脈寬調製電壓脈衝的電壓大於第二脈寬調 制電壓脈衝的電壓；所述第一脈寬調製電壓脈衝以比所述第二脈寬調製電 壓脈衝耦合到所述第二濾波器更高的頻率耦合到所述第一濾波器。
15、 根據權利要求14所述的方法，還包括在第二時間段期間，向所述 開關放大器的所述第一濾波器施加多個第三脈寬調製電壓脈衝，並且在所 述第二時間段期間，向所述開關放大器的所述第二濾波器施加多個第四脈 寬調製電壓脈衝，所述第四脈寬調製電壓脈衝的電壓高於第三脈寬調製電 壓脈衝的電壓；所述第四脈寬調製電壓脈衝以比所述第三脈寬調製電壓脈 衝耦合到所述第一濾波器更高的頻率耦合到所述第二濾波器。
16、 根據權利要求14所述的方法，其中，所述第一脈寬調製電壓脈衝 向所述第一濾波器提供粗功率傳輸控制，並且所述第二脈寬調製電壓脈衝 向所述第二濾波器提供細功率傳輸控制。
17、 根據權利要求14所述的方法，其中，第一和第二濾波器是二階濾 波器。
18、 根據權利要求14所述的方法，其中，所述第一輸出濾波器耦合到 負載的第一側，而所述第二輸出濾波器耦合到負載的第二側。
19、 根據權利要求14所述的方法，其中，所述負載是揚聲器。
20、 一種系統，包括 負載；以及開關放大器，所述開關放大器包括可操作地耦合到第一電壓且可操作地耦合到第一輸出濾波器的第一組開關器件； 可操作地耦合到第二電壓且可操作地耦合到第二輸出濾波器的第 二組開關器件；可操作地耦合到第三電壓的第三組開關器件；以及 調製器，所述調製器具有用於接收輸入信號的輸入端子和耦合到 每一個所述開關器件的相應輸出端子，所述調製器用於以第一採樣率控制 所述第一組開關器件，並用於以第二採樣率控制所述第二組開關器件，從 而根據所述輸入信號分別向所述第一和第二輸出濾波器提供第一和第二電 壓，所述第一採樣率大於所述第二採樣率。
21、 根據權利要求20所述的系統，其中，所述負載是揚聲器。
22、 根據權利要求20所述的系統，其中，所述第一和第二輸出濾波器 是二階濾波器。
23、 根據權利要求20所述的系統，其中，利用為由所述第二組開關器 件提供的脈寬的採樣兩倍的頻率對由所述第一組開關器件提供的脈寬進行 調製。
24、 根據權利要求20所述的系統，其中，所述輸出濾波器包括電感器 和電容器。
全文摘要
本發明旨在提供一種在不惡化性能的情況下降低開關放大器中的RF幹擾的系統和方法。在一個實施例中，相對於細低壓調製脈寬的採樣率而言，粗高壓調製脈寬的採樣率被增加了。粗高壓調製脈寬採樣率的增加導致電磁幹擾的降低。
文檔編號H03F3/217GK101647199SQ200880010672
公開日2010年2月10日 申請日期2008年2月1日 優先權日2007年2月1日
發明者L·基恩 申請人:Jm電子技術有限公司