單電源d類放大器的製作方法
2023-07-30 23:49:21
專利名稱：單電源d類放大器的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及D類放大器，並更特別涉及使用信號供給的D類放大器。
背景技術：
當前，德州儀器公司(TI)供應包括DIRECTPATH 架構的多種音頻放大器。該架構的一些特徵是不需要輸出直流或DC阻塞電容器，而且具有負供電軌。一個示例是TI的TPA6140A2，其是G類放大器，該G類放大器使用電荷泵使電壓(源自正電源)反向，以產生負電源電壓，從而耳機放大器輸出可以在不需要DC阻塞電容器的情況下集中在0V。然而，存在與此架構關聯的一些折衷，即，供應負電源電壓需要若干外部組件，並且它降低了效率。另外，這些類型的裝置可能也需要具有分離的功率管理電路(即，降壓變換器)。因此，需要提供相似優點但沒有所述缺點的方法或設備。·一些其它常規電路在美國專利6，320, 460 ;6，753，729 ;7，330, 069 ;以及7，400，191 中描述。
發明內容
本發明的示例性實施例提供一種設備，其包括接收輸入信號的積分器；耦合到積分器的脈寬調製器(PWM);耦合到PWM的邏輯電路；以及輸出級，該輸出級具有第一節點；第二節點；第三節點；耦合到地的第四節點；在第一和第二節點之間耦合的電容器；以及耦合到第一節點、第二節點、第三節點、第四節點和供電軌的開關網絡，其中該開關網絡由邏輯電路控制，以便在第一模式、第二模式和第三模式中操作，並且其中在第一模式中，電壓源將電容器充電並且第三節點接地，並且其中在第二模式中，電容器向第三節點提供正電源電壓，並且其中在第三模式中，電容器提供第三模式中的負電源電壓。根據本發明的示例性實施例，所述開關網絡進一步包含在供電軌和第一節點之間耦合的第一開關，其中該第一開關在第一模式中閉合；在第一節點和第四節點之間耦合的第二開關，其中該第二開關在第三模式中閉合；在第一節點和第三節點之間耦合的第三開關，其中該第三開關在第二模式中閉合；在第二節點和第四節點之間耦合的第四開關，其中該第四開關在第一模式和第二模式中閉合；在第二節點和第四節點之間耦合的第五開關，其中該第五開關在第三模式中閉合；以及在第三節點和第四節點之間耦合的第六開關，其中該第六開關在第一模式中閉合。根據本發明的示例性實施例，輸入信號是差分的。根據本發明的示例性實施例，積分器進一步包含具有第一輸入端子、第二輸入端子、第一輸出端子和第二輸出端子的放大器；以及在第一輸入端子和第一輸出端子之間耦合的第一反饋電容器；以及在第二輸入端子和第二輸出端子之間耦合的第二反饋電容器。根據本發明的示例性實施例，PWM進一步包含具有第一輸入端子、第二輸入端子和輸出端子的第一比較器，其中該第一比較器的第一輸入端子耦合到積分器，並且其中該第一比較器的輸出端子耦合到邏輯電路；具有第一輸入端子、第二輸入端子和輸出端子的第二比較器，其中該第二比較器的第一輸入端子耦合到積分器，並且其中該第二比較器的輸出端子耦合到邏輯電路；以及耦合到第一比較器的第二輸入端子和第二比較器的第二輸入端子的斜坡發生器。根據本發明的示例性實施例，提供一種設備。該設備包含生成音頻信號的音源；D類放大器，該D類放大器具有耦合到音源以便接收音頻信號的第一電容器；耦合到第一電容器的積分器；稱合到積分器的脈寬調製器(PWM);耦合到PWM的邏輯電路；以及輸出級，該輸出級具有第一節點；第二節點；第三節點；耦合到地的第四節點；在第一和第二節點之間耦合的電容器；以及耦合到第一節點、第二節點、第三節點、第四節點和供電軌的開關網絡，其中該開關網絡由邏輯電路控制，以便在第一模式、第二模式和第三模式中操作，並且其中在第一模式中，電壓源將電容器充電並且第三節點接地，並且其中在第二模式中，電容器向第三節點提供正電源電壓，並且其中在第三模式中，電容器提供第三模式中的負電源電壓；以及耦合到第三節點的揚聲器。
根據本發明的示例性實施例，提供一種設備。該設備包含供電軌；第一節點；第二節點；第三節點；耦合到地的第四節點；接收輸入信號的第一部分的第一直流(DC)阻塞電容器；接收輸入信號的第二部分的第二 DC阻塞電容器；具有第一輸入端子、第二輸入端子、第一輸出端子和第二輸出端子的放大器，其中放大器的第一輸入端子I禹合到第一 DC阻塞電容器，並且其中放大器的第二輸入端子耦合到第二 DC阻塞電容器；在第一輸入端子和第一輸出端子之間I禹合的第一反饋電容器；在第二輸入端子和第二輸出端子之間I禹合的第二反饋電容器；具有第一輸入端子、第二輸入端子和輸出端子的第一比較器，其中該第一比較器的第一輸入端子稱合到放大器的第一輸出端子；具有第一輸入端子、第二輸入端子和輸出端子的第二比較器，其中該第二比較器的第一輸入端子耦合到放大器的第二輸出端子；耦合到第一比較器的第二輸入端子和第二比較器的第二輸入端子的斜坡發生器；耦合到第一和第二比較器的輸出端子的邏輯電路；在第一和第二節點之間I禹合的輸出電容器；在供電軌和第一節點之間耦合的第一開關，其中該第一開關在第一模式中由邏輯電路閉合；在第一節點和第四節點之間耦合的第二開關，其中該第二開關在第二模式中由邏輯電路閉合；在第一節點和第三節點之間耦合的第三開關，其中該第三開關在第三模式中由邏輯電路閉合；在第二節點和第四節點之間耦合的第四開關，其中該第四開關在第一模式和第三模式中由邏輯電路閉合；在第二節點和第四節點之間耦合的第五開關，其中該第五開關在第二模式中由邏輯電路閉合；以及在第三節點和第四節點之間耦合的第六開關，其中該第六開關在第一模式中由邏輯電路閉合。根據本發明的示例性實施例，所述設備進一步包含耦合到第一和第二 DC阻塞電容器以便提供輸入信號的音源。根據本發明的示例性實施例，所述設備進一步包含耦合到第三節點的揚聲器。
參考附圖對示例性實施例進行描述，其中圖I是根據本發明的示例性實施例的D類放大器的示例的電路圖；以及圖2是採用圖I的D類放大器的系統。
具體實施例方式在圖I中，參考標記100總體指示根據本發明的示例性實施例的D類放大器的示例。放大器100 —般包含直流(DC)阻塞電容器Cl和C2、輸入電阻器R2和R3、積分器102、脈寬調製器(PWM) 104、邏輯電路106以及輸出級108。積分器102 —般包含放大器110、反饋電容器C3和C4，以及電阻器Rl和R4。PWM 104 一般包含比較器112和114以及斜坡發生器116,並且輸出級108 —般包含輸出電容器C5 (其可以是信號電容器或多聯電容器)和開關SI到S6。另外，供電軌VDD通常耦合到電池組、電池或另一電源。在操作中，放大器100接收模擬輸入信號IN,並生成輸出信號OUT(其一般具有「O」或接地，「-I」或負電源電壓，以及「+I」或正電源電壓值)。為實現這種情況，向電容器Cl和C2與電阻器R2和R3提供輸入信號IN (—般是差分的，但也可以是單端的)，其中電容器Cl和C2操作以從輸入信號IN基本移除DC分量。另外，電容器Cl和C2是放大器100操作不必需的任選組件。積分器102然後將源自電容器Cl和C2與電阻器R2和R3的信號積分。比較器112和114中的每個都從積分器102接收(差分)積分信號的一部分，並將它的部分 與源自斜坡發生器116的斜坡信號比較。源自比較器112和114的比較結果可以由邏輯電路106使用，從而為開關SI到S6生成控制信號。特別地，存在操作的三個模式。在第一模式中，邏輯電路106閉合開關SI、S4和S6，這將輸出節點N4和節點N2耦合到節點N3 (其耦合到地)，並將節點NI耦合到供電軌VDD。因此，輸出電容器C5可以充電到供電軌VDD上的電壓，同時「O」從節點N4輸出。在第二模式中，邏輯電路106閉合開關S3和S4，從而在節點N4提供正電源電壓或「+1」，因為電容器C5的正極板(充電到供電軌VDD上的電壓的板)耦合到節點N4，而相對的電容器C5的負極板耦合到地。可替換地，對於第二模式，開關SI和S3可以閉合，從而在節點N4直接提供來自供電軌VDD的正電源電壓或「+I」。在第三模式中，因為電容器C5的正極板耦合到地，所以邏輯電路106閉合開關S2和S5，從而向輸出節點N4提供負電源電壓或「_1」，而電容器C5的負極板耦合到節點N4。可替換地，五個開關可以用來實現基本相同的結果。由於該配置，可以消除用於常規電路從而生成負軌電壓的大型外部電容器(約I μ F到約47 μ F的數量級)。另外，具有DC功率損耗的減少，並具有比常規放大器提高的效率。特別地，仿真結果示出在16 Ω輸送ImW時，比TI的ΤΡΑ6140提高40_50%。另外，仿真結果還示出在軌VDD上3. 6V的電源電壓，以及約32 Ω負載電阻的情況下以IkHz輸送的約Imff的約O. 2%的總諧波失真THD。然而，對該放大器100具有一些限制。因為電容器C5具有相對短的放電時間，所以電容器C5不是真實電壓源(相似於電池組或電源)。該短的放電時間限制通過節點Ν4的輸出脈寬，但如果在邏輯電路106內的控制環充分快，並且電容器C5充分大，那麼電容器C5的迅速放電時間不應顯著影響性能。例如，使用約IMHz的內部時鐘頻率與約I μ F的電容一般是充分的。另外，因為邏輯電路106 —般將簡單差分PWM調製轉換為SE三元PWM調製，所以輸出佔空比一般限於約50%。現在轉到圖2，可見採用放大器100的系統200的示例。一般，系統200是從音源202生成音頻信號的便攜媒體裝置(即MP3播放器)。放大器100從音源202接收該音頻信號，並通過輸出Ν4向揚聲器204 (即耳機)提供放大信號。音頻裝置202和放大器100中的每個都由機載電池206 (即電池組)供電。
因此意圖覆蓋具有在示例性實施例的背景下描述的特徵或步驟的一個或更多的不同組合的實施例，所述示例性實施例具有這些特徵或步驟中的全部或僅一些。本領域技術人員將意識到許多其它實施例和變型也可能在要求保護的本發明的範 圍內。
權利要求
1.一種設備，包括 接收輸入信號的積分器； 耦合到所述積分器的脈寬調製器PWM ； 耦合到所述脈寬調製器的邏輯電路；以及 輸出級，所述輸出級具有 第一節點； 第二節點； 第三節點； 耦合到地的第四節點； 在所述第一和第二節點之間耦合的電容器；以及 耦合到所述第一節點、所述第二節點、所述第三節點、所述第四節點和供電軌的開關網絡； 其中所述開關網絡由所述邏輯電路控制，以便在第一模式、第二模式和第三模式中操作； 其中，在所述第一模式中，所述電壓源將所述電容器充電並且所述第三節點接地； 其中，在所述第二模式中，所述電容器向所述第三節點提供正電源電壓；以及 其中，在所述第三模式中，所述電容器提供所述第三模式中的負電源電壓。
2.根據權利要求I所述的設備，其中所述開關網絡進一步包含 在所述供電軌和所述第一節點之間耦合的第一開關，其中所述第一開關在所述第一模式中閉合； 在所述第一節點和所述第四節點之間耦合的第二開關，其中所述第二開關在所述第三模式中閉合； 在所述第一節點和所述第三節點之間耦合的第三開關，其中所述第三開關在所述第二模式中閉合； 在所述第二節點和所述第四節點之間耦合的第四開關，其中所述第四開關在所述第一模式和所述第二模式中閉合； 在所述第二節點和所述第四節點之間耦合的第五開關，其中所述第五開關在所述第三模式中閉合；以及 在所述第三節點和所述第四節點之間耦合的第六開關，其中所述第六開關在所述第一模式中閉合。
3.根據權利要求I所述的設備，其中所述輸入信號是差分的。
4.根據權利要求3所述的設備，其中所述積分器進一步包含 具有第一輸入端子、第二輸入端子、第一輸出端子和第二輸出端子的放大器； 在所述第一輸入端子和所述第一輸出端子之間耦合的第一反饋電容器；以及 在所述第二輸入端子和所述第二輸出端子之間耦合的第二反饋電容器。
5.根據權利要求I所述的設備，其中所述脈寬調製器進一步包含 具有第一輸入端子、第二輸入端子和輸出端子的第一比較器，其中所述第一比較器的所述第一輸入端子耦合到所述積分器，並且其中所述第一比較器的所述輸出端子耦合到所述邏輯電路；具有第一輸入端子、第二輸入端子和輸出端子的第二比較器，其中所述第二比較器的所述第一輸入端子耦合到所述積分器，並且其中所述第二比較器的所述輸出端子耦合到所述邏輯電路；以及 耦合到所述第一比較器的所述第二輸入端子和所述第二比較器的所述第二輸入端子的斜坡發生器。
6.根據權利要求I所述的設備，進一步包含生成音頻信號的音源；耦合到所述音源以便接收所述音頻信號的第二電容器；以及耦合到所述第三節點的揚聲器；並且其中所述積分器耦合到所述第二電容器；以及所述第二電容器、積分器、脈寬調製器、邏輯電路和輸出級提供D類放大器。
7.根據權利要求6所述的設備，其中所述開關網絡進一步包括 在所述供電軌和所述第一節點之間耦合的第一開關，其中所述第一開關在所述第一模式中閉合； 在所述第一節點和所述第四節點之間耦合的第二開關，其中所述第二開關在所述第三模式中閉合； 在所述第一節點和所述第三節點之間耦合的第三開關，其中所述第三開關在所述第二模式中閉合； 在所述第二節點和所述第四節點之間耦合的第四開關，其中所述第四開關在所述第一模式和所述第二模式中閉合； 在所述第二節點和所述第四節點之間耦合的第五開關，其中所述第五開關在所述第三模式中閉合；以及 在所述第三節點和所述第四節點之間耦合的第六開關，其中所述第六開關在所述第一模式中閉合。
8.根據權利要求7所述的設備，其中所述積分器進一步包含 具有第一輸入端子、第二輸入端子、第一輸出端子和第二輸出端子的放大器；以及 在所述第一輸入端子和所述第一輸出端子之間耦合的第一反饋電容器；以及 在所述第二輸入端子和所述第二輸出端子之間耦合的第二反饋電容器。
9.根據權利要求8所述的設備，其中所述脈寬調製器進一步包括 具有第一輸入端子、第二輸入端子和輸出端子的第一比較器，其中所述第一比較器的所述第一輸入端子耦合到所述積分器，並且其中所述第一比較器的所述輸出端子耦合到所述邏輯電路； 具有第一輸入端子、第二輸入端子和輸出端子的第二比較器，其中所述第二比較器的所述第一輸入端子耦合到所述積分器，並且其中所述第二比較器的所述輸出端子耦合到所述邏輯電路；以及 耦合到所述第一比較器的所述第二輸入端子和所述第二比較器的所述第二輸入端子的斜坡發生器。
全文摘要
一種D類放大器，該D類放大器具有提供負電源電壓、正電源電壓和接地的輸出級。在描述的放大器100中，向電容器(C1，C2)和電阻器(R2，R3)提供模擬輸入信號(IN)，從而基本移除DC分量，並之後由積分器(102)積分。比較器(112、114)接收(差分)積分信號的部分，以便與源自斜坡發生器116的斜坡信號比較。比較結果由邏輯電路(106)使用，從而為輸出級(108)的開關(S1到S6)生成控制信號。
文檔編號H03F3/217GK102844982SQ201080065931
公開日2012年12月26日 申請日期2010年12月21日 優先權日2010年3月30日
發明者B·E·富瑞特, D·J·白德文 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司