专利名称：具有二阶噪声滤除电路的d类放大器的制作方法
技术领域：
本发明关于一种D类放大器，尤指一种具有二阶噪声滤除电路的D类放大器。
背景技术：
一般来说，输出级的放大电路概包含有A类、B类、AB类及D类等放大器，早期较常 见的为AB类放大器，但随着半导体制程的成熟，具有较低消耗功率的D类放大器渐为常见。D类放大器与AB类放大器最大差异即是输出脉宽调变信号推动电感性负载，而并 非以线性信号推动；其中该脉宽调变信号包含有声音信号以及脉宽调变开关信号和谐波信 号。由于D类放大器输出脉宽调变信号，使得输出级开关电路的各开关自高阻抗切换至极 低阻抗，且导通时间短，使得导通电流流经导通电阻时间相对缩短，而较AB类放大器更有 效率，且消耗功率更小。请参阅图5所示，为一种现有开回路的D类放大器70，该D类放大器70包含有一 增益放大器71、一 PWM调变器72、一内部振荡器73及一 H型桥式开关电路74 ；其中该增益 放大器71输入端接收外部模拟声音信号(Vi+，Vi-)，并将该外部模拟声音信号予以放大 后，由该PWM调变器72依据内部振荡器73输出的振荡信号输出脉宽调变信号，并将该脉宽 调变信号输出至H桥式开关电路74，以控制该H桥式开关电路74各开关的导通时间及导通 回路。由于上述D类放大器70属于开回路的差分电路，加上该增益放大器71包含有一 差分放大器701，而该差分放大器701本身包含有噪声基准(Noise Floor)，其中该噪声基 准属于动态噪声的一种，因此当声音信号输入至该增益放大器71时，该动态噪声会并入放 大后的声音信号中，造成电感性负载还原的声音信号失真，相对具有较差的信号失真噪声 比(SDNR)。因此，请参阅图7所示，为一种闭反馈回路的D类放大器70a的电路方块图，其包
含有—增益调整电路711，其包含有一组模拟输入端(Vi+，Vi-)，供连接声音信号；一第一差分放大器712，其输入端分别连接至该增益调整电路711的模拟输入端 (Vi+, Vi-)，通过增益调整电路711调整该第一差分放大器712的增益值；一阶积分电路75，包含有一第二差分放大器751及二组RC电路，其中二组RC电 路分别连接于D类放大器的二差分输出端(D0+，D0_)及该第二差分放大器751的同相输入 端(+，“)之间，将D类放大器70a输出的差分输出信号与第一差分放大器712输出放大声 音信号予以合并后再予以输出；二比较器76，各比较器76的其中一输入端连接至对应该一阶积分电路75的第二 差分放大器751的差分输出端，又二比较器76的各另一输入端则共同连接至一三角波产生 器77，因此各比较器76将一阶积分电路75的输出信号与三角波信号进行比对，如图8所 示，由于一阶积分电路75输出为弦波信号(Vi+，Vi-)，经与三角波信号S2比对后，即输出 脉宽调变信号；及
一逻辑电路78，其输入端连接至该二比较器76的输出端，依据二组脉宽调变信号 决定二组驱动信号；及一 H型桥式开关电路74，包含有二半桥开关电路741构成，二半桥开关电路741的 二串接节点供一电感性负载60连接，而该二半桥开关电路741的控制端连接至该逻辑电路 78的输出端，以受该逻辑电路78输出的二组驱动信号而启闭。在上述D类放大器70a架构中，因为第二差分放大器751与二组RC电路构成一 阶反馈回路，故输入至比较器76的信号是由第二差分放大器751产生的误差信号(error signal)合并第一差分放大器712所放大输入声音信号与真实输出信号(高压方波)而得， 而第一差分放大器712所放大的输入声音信号包含有一些非线性项(non-linear terms), 如差分放大器的频率限制、放大器噪声、参考电压噪声、增益/频宽乘积限制，以及含有三 角波发生器的非线性值的反馈输出信号等。而该些非线性元件通过一阶反馈回路加以消 除。然而，上述一阶反馈回路仅由单一的第二差分放大器将声音信号予以合成后作差 分放大，因此整体的开回路增益相当有限。
发明内容
有鉴上述问题，本发明的主要目的为提供一种具有二阶噪声滤除电路的D类放大 器，能提高整体开回路增益及提供较佳的噪声失真信号比。欲达上述目的所使用的主要技术手段令该D类放大器包含有一增益调整电路、二 阶积分器、二比较器、一逻辑电路及一 H型桥式开关电路；其中该二阶积分器包含有一第一差分放大器，包含有一正向输入端、一反向输入端、一反向差分输出端及一 正向差分输出端，其中该正向输入端连接至该增益调整电路，以调整该第一差分放大器的 增益；二第一 RC电路，分别连接于D类放大器差分输出端与该第一差分放大器的正向及 反向输入端之间，构成二组第一阶积分电路；一第二差分放大器，包含有一正向输入端、一反向输入端，其中该正向输入端连接 至该第一差分放大器的正向差分输出端，而该反向输入端则连接至该第一差分放大器的反 向差分输出端；及二第二 RC电路，分别连接于D类放大器差分输出端与该第二差分放大器的正向及 反向输入端之间，构成二组第二阶积分电路；由上述说明可知，本发明D类放大器的有益效果在于，二差分输出端分别与第一 及第二差分放大器构成二阶反馈回路，因此提供更高的高频衰减值，有效令第一及第二差 分放大器本身的噪声等非线性元件能更快速衰减，提高整体的噪声失真噪声比；再者，本发 明对差分输出端的输出信号中所包含失真的成分(Distortion)，以第一及第二差分放大器 分别以予合成后二次差分放大，有效提高整体回路增益，构成一高增益系统，而本发明D类 放大器差分输出信号经过二级增益处理后可以得更精细的修正。再者，第二差分放大器产生的误差信号(error signal-是合并第一级放大器的输 出信号与反馈信号(高压方波)，而此回路中包含一些非线性项(non-linear terms)，包含 放大器频率限制、放大噪声、参考电压噪声、增益频乘积限制，以及含三角波生器的非线性
4成分，经由负反馈可将这些非线性元件消除；同理，本发明也将第一级差分放大器也纳入反 馈系统中以构成二阶反馈回路，即令整个D类放大器全线性化，而相对得到更好的总谐波 失真加噪声比(THD+N)效能。本发明次一目的提供一种可大幅降低电磁干扰的D类放大器，意即上述H型桥式 开关电路包含有二半桥电路，各半桥电路由多个高侧开关组及多个低侧开关组串接而成， 其中各半桥电路将高侧开关组与低侧开关组分成二组子半桥开关电路，其中第一子半桥开 关组的高/低侧开关数量多于第二子半桥开关组的高/低侧开关数量，令上述逻辑电路输 出四组脉宽调变信号至本发明的H型桥式开关电路，其中该逻辑电路的逻辑运算式为X-= (Y-)-(Y+) ；X+= (Y+)-(Y-)，该X-及X+为控制二组半桥电路的第一子半桥开关电路， Y-及Y+为控制二组半桥开关电路的第二子半桥开关电路，由此一逻辑运算式可知，当D类 放大器的差分输出端无输出时，该逻辑电路输出至Y-及Y+的脉宽调变调宽度比例(Duty Cycle-分别为50%，而X-及X+分别为Y-及Y+的差值，故输出至X-及X+的脉宽调变调宽 度比例(Duty Cycle-分别为0%，故二半桥电路中的第一子半桥开关电路在D类放大器无 信号输出时完全不须要切换；而在D类放大器有信号输出时，二组第一子半桥也仅其中一 组有动作；因此，能有效降低半桥电路的切换损失及输出切换回转率(output switch slew rate)，可降低整体D类放大器的EMI值。
图1为本发明第一较佳实施例的电路方块图；图2为本发明第二较佳实施例的电路方块图；图3A为图2在D类放大器无信号输出时的波形图；图3B为图2在D类放大器有信号输出时的波形图；图4为二阶及单阶反馈回路下的放大声音信号的频域图；图5为一种开回路的D类放大器电路方块图；图6为图5输出放大声音信号的频域图；图7为一种闭回路的D类放大器电路方块图；图8为图7的波形图。附图标记说明IOUOa-D类放大器；11_增益调整电路；20-第一差分放大器；21-第一 RC电路； 22-第二差分放大器；23-第二 RC电路；30-比较器；31-比较器；40、40a_逻辑电路；50、 50a-H型桥式开关电路；51-半桥电路；511-第一子半桥开关电路；512-第二子半桥开关 电路；52-半桥电路；521-第一子半桥开关电路；522-第二子半桥开关电路；60-电感性负 载；70、70a-D类放大器；701-差分放大器；71-增益放大器；711-增益调整电路；712-第一 差分放大器；72-PWM调变器；73-内部振荡器；74-H型桥式开关电路；741-半桥开关电路； 75-—阶积分器；751-第二差分放大器；76-比较器；77-三角波信号；78-逻辑电路；80-低 通滤波器。
具体实施例方式请参阅图1所示，为本发明具有二阶噪声滤除电路的D类放大器10 —较佳实施例的电路方块图，其包含有一增益调整电路11、二阶积分器、二比较器30，31、一逻辑电路40 及一 H型桥式开关电路50，其中该H型桥式开关电路50包含有二半桥电路51，52，各半桥 电路51，52的控制端分别连接至该逻辑电路的输出端，而其串接节点即为D类放大器10的 差分输出端(D0+，D0-)。其中该二阶积分器包含有一第一差分放大器20，包含有一正向输入端、一反向输入端、一反向差分输出端及 一正向差分输出端，其中该正向输入端连接至该增益调整电路11，以调整该第一差分放大 器20的增益；二第一 RC电路21，分别连接于D类放大器差分输出端(DO+，D0-)与该第一差分 放大器20的正向及反向输入端之间，构成二组第一阶积分电路；一第二差分放大器22，包含有一正向输入端、一反向输入端，其中该正向输入端连 接至该第一差分放大器20的正向差分输出端，而该反向输入端则连接至该第一差分放大 器20的反向差分输出端；及二第二 RC电路23，分别连接于D类放大器差分输出端(DO+，D0-)与该第二差分 放大器22的正向及反向输入端之间，构成二组第二阶积分电路。由上述说明可知，本发明D类放大器10的二差分输出端(D0+，D0_)分别与第一及 第二差分放大器20，22构成二阶反馈回路，因此提供更高的高频衰减值(_40dB)，有效令第 一及第二差分放大器20，22本身的噪声等非线性元件能更快速衰减，提高整体的噪声失真 噪声比；再者，本发明对差分输出端的输出信号中所包含失真的成分(Distortion)，以第 一及第二差分放大器20，22分别以予合成后二次差分放大，有效提高整体回路增益，构成 一高增益系统，而本发明D类放大器10差分输出信号经过二级增益处理后可以得更精细的 修正。再者，第二差分放大器22产生的误差信号(error signal)为合并第一级放大器20 的输出信号与反馈信号(高压方波)，而此回路中包含一些非线性项(non-linearterms)， 包含放大器频率限制、放大噪声、参考电压噪声、增益频乘积限制，以及含三角波发生器的 非线性成分，由于第二差分放大器22与第二 RC电路23与二差分输出端(D0+，D0_)构成负 反馈回路，可将这些非线性元件消除；同理，本发明也将第一级差分放大器也纳入反馈系统 中以构成二阶反馈回路，即令整个D类放大器全线性化，而相对得到更好的总谐波失真加 噪声比(THD+N)效能。请参阅图2所示，为本发明D类放大器IOa第二较佳实施例，其与第一较佳实施例 电路结构大致相同，但是由于各半桥电路51，52由多个高侧开关组及多个低侧开关组串接 而成，故本实施例进一步令各半桥电路的高侧开关组与低侧开关组分成二组子半桥电路， 即包含有一第一子半桥开关电路511，521及第二子半桥开关电路512，522，其中该第一子 半桥开关电路511，521的高/低侧开关数量多于第二子半桥开关电路512，522的高/低侧 开关数量(约3-5倍)。请配合本实施例H型桥式开关电路设计，本发明的逻辑电路40a包含有四组脉宽 调变信号输出端X+，Y-, γ+，X-，以分别连接至该二半桥电路51，52的第一子半桥开关电 路511，521及第二子半桥开关电路512，522。其中该逻辑电路40a的逻辑运算式为X-= (Y-)-(Y+) ；X+= (Υ+)-(Υ_)，该X-及X+为控制二组半桥电路51，52的第一子半桥开关电 路511，512，Y-及Y+为控制第二子半桥开关电路521，522。请配合参阅图3Α所示，当D类放大器IOa的差分输出端(DO+，D0-)无输出时，该逻辑电路40a输出至Y-及Y+的脉宽调变调宽度比例(Duty Cycle)分别为50%，依据上述 逻辑运算式，该χ-及X+分别为Y-及Y+的差值，故输出至χ-及X+的脉宽调变调宽度比例 (Duty Cycle)分别为0%，故二半桥电路51，52中的第一子半桥开关电路511，521在D类 放大器IOa无信号输出时完全不须要切换。再请参阅图3B所示，当在D类放大器IOa有信 号输出时，二组第一子半桥511，521也仅其中一组有动作；因此，能有效降低半桥电路的切 换损失及输出切换回转率(output switch slew rate)，可降低整体D类放大器IOa的EMI 值。 以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要 求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的 保护范围内。
权利要求
一种具有二阶噪声滤除电路的D类放大器，包含有一增益调整电路、二阶积分器、二比较器、一逻辑电路及一H型桥式开关电路，其中该H型桥式开关电路包含有二半桥电路，各半桥电路的控制端分别连接至该逻辑电路的输出端，而其串接节点即为D类放大器的差分输出端；其特征在于，该二阶积分器包含有一第一差分放大器，包含有一正向输入端、一反向输入端、一反向差分输出端及一正向差分输出端，其中该正向输入端连接至该增益调整电路，以调整该第一差分放大器的增益；二第一RC电路，分别连接于D类放大器差分输出端与该第一差分放大器的正向及反向输入端之间，构成二组第一阶积分电路；一第二差分放大器，包含有一正向输入端、一反向输入端，其中该正向输入端连接至该第一差分放大器的正向差分输出端，而该反向输入端则连接至该第一差分放大器的反向差分输出端；及二第二RC电路，分别连接于D类放大器差分输出端与该第二差分放大器的正向及反向输入端之间，构成二组第二阶积分电路。
2.如权利要求1所述的具有二阶噪声滤除电路的D类放大器，其特征在于，所述各半桥 电路由多个高侧开关组及多个低侧开关组串接而成，所述各半桥电路进一步将所述高侧开 关组与所述低侧开关组分成第一子半桥开关组及第二子半桥开关组，该第一子半桥开关组 的高/低侧开关数量多于第二子半桥开关组的高/低侧开关数量；该逻辑电路包含有四组脉宽调变信号输出端，以分别连接至该二半桥电路的第一子半 桥开关电路及第二子半桥开关电路，其中该逻辑电路的逻辑运算式为χ- = (Υ-)-(Y+) ；X+ =(Υ+)-(Υ-)，该X-及X+为控制所述二组半桥电路的第一子半桥开关电路，Y-及Y+为控 制所述二组半桥电路的第二子半桥开关电路。
3.如权利要求2所述的具有二阶噪声滤除电路的D类放大器，其特征在于，该第一子半 桥开关组的高/低侧开关数量为第二子半桥开关组的高/低侧开关数量的3至5倍。
全文摘要
本发明关于一种具有二阶噪声滤除电路的D类放大器，令二差分输出端分别与第一及第二差分放大器构成二阶反馈回路，因此提供更高的高频衰减值，有效令第一及第二差分放大器本身的噪声等非线性元件能更快速衰减，提高整体的噪声失真噪声比；再者，本发明对差分输出端的输出信号中所包含失真的成分(Distortion)，以第一及第二差分放大器分别以予合成后二次差分放大，有效提高整体回路增益，构成一高增益系统，而本发明D类放大器差分输出信号经过二级增益处理后可以得更精细的修正。
文档编号H03F1/26GK101931372SQ20091015071
公开日2010年12月29日 申请日期2009年6月24日 优先权日2009年6月24日
发明者赵尧主 申请人:德信科技股份有限公司