具有可调节斜升/斜降增益以最小化或消除气爆噪声的放大器的制作方法

本专利申请要求linglizhang等人2014年10月24日提交的美国临时专利申请no.62/068,245，名称为“methodsandapparatusesforminimizingoreliminatingpopnoiseforanamplifier”的优先权的权益，在此通过引用的方式将其并入本文。

本公开涉及功率放大器。更具体地，本公开的部分涉及关于或与最小化或消除放大器的气爆噪声(popnoise)相关的方法、设备和/或实施方式，所述放大器包括但不限于开环放大器和闭环放大器。

背景技术：

放大器是电子设备，其可以用于例如通过增加信号的幅度来放大信号，或用于执行信号的其它处理。两个示例性放大器包括开环放大器和闭环放大器。闭环放大器的一个具体示例是d类放大器。图1示出了根据现有技术的这种示例性闭环d类放大器架构。闭环d类放大器100包括前馈通路，前馈通路包括输入增益块122、加法器102、环路滤波器104、脉冲宽度调制器(pwm)106以及功率级块108。放大器100还包括反馈通路110，其开始于功率级块108的输出处并且被耦合回到加法器102。功率级块108的输出可以驱动扬声器112或其它换能器。环路滤波器104可以包括多个积分器，并且pwm发生器106将环路滤波器104输出调制成pwm信号。

放大器的另一个示例是开环放大器，开环放大器可以类似于图1的放大器100，但是不会具有反馈通路110并且而环路滤波器104会被替换为模拟滤波器。闭环放大器可以优选于开环放大器，这是因为闭环放大器通常可以提供更好的总谐波失真(thd)性能并且具有更好的电源抑制比(psrr)。

在例如图1中示出的闭环放大器或开环放大器(未示出)中，环路滤波器104或模拟滤波器(未示出)具有直流(dc)偏移vos1和直流(dc)偏移vos2，直流(dc)偏移vos1来自在环路滤波器104的输入处或模拟滤波器的输入处的第一积分器，直流(dc)偏移vos2来自被反射在滤波器输出处的其它下游积分器。然后，当闭环放大器从闭环放大状态过渡为闭环稳定状态时，在扬声器上电和/或断电期间，可以由pwm调制器/发生器106放大dc偏移并且然后dc偏移与pwm调制器/发生器106的固定增益一起被直接应用到扬声器112。“闭环放大状态”指的是其中dc偏移在放大器输出处被放大而没有任何环路滤波器衰减的状态。“闭环稳定状态”指的是其中环路滤波器将偏移vos2衰减到几乎为零并且放大器输出仅与dc偏移vos1相对应的状态。取决于环路滤波器104的单位增益带宽，在放大的dc偏移被抑制之前可能需要许多周期。在延迟周期期间，放大的dc偏移不完全被抑制，并且放大器的输出可以显示出伪影。当放大器用于驱动扬声器(例如在音频放大器中)时，扬声器可以产生可听见的气爆声和/或咔哒声噪声。因此，存在进一步减少或消除dc偏移vos1和vos2的需要。

在传统的环路滤波器104中，或在模拟滤波器中，dc偏移vos1典型地被设计在更低的水平以减少气爆噪声，但是不解决dc偏移vos2，这是因为在闭环稳定状态操作中，由第一积分器衰减来自dc偏移vos2的贡献并且来自dc偏移vos2的贡献几乎为零。

处理dc偏移和在放大器输出处的可听见的气爆声和咔嗒声的一种方法是使用双环路放大器架构。在美国专利no.8,686,789中提供了一个示例，其通过引用的方式被并入到本文中。图2是示出了根据现有技术的双环路放大器的方框图。双环路放大器200包括主环路204和次级环路206。双环路放大器200通过输入电阻器rin接收模拟输入250，并且提供输出信号252以驱动扬声器202。主环路204包括环路滤波器208、脉冲宽度调制(pwm)调制器/发生器210、参考发生器212以及功率驱动器214。

参考发生器212提供参考信号256，并且pwm调制器/发生器210提供相对应的调制信号258。主环路204进一步具有反馈电阻器rfdbk，其耦合到功率驱动器214的输出端和环路滤波器208的输入端。结合输入电阻器rin和/或可编程增益，反馈电阻器rfdbk确定主环路204的增益。次级环路206包括环路滤波器208、pwm调制器/发生器210、参考发生器212以及辅助驱动器216。次级环路206还包括辅助电阻器raux。辅助电阻器raux被耦合在辅助驱动器216的输出端与环路滤波器208的输入端之间。结合输入电阻器rin和可编程增益，辅助电阻器raux确定次级环路206的增益。

图3示出了依据现有技术的示例性固定增益pwm调制器/发生器300，其可以例如用作图1的pwm调制器/发生器106。pwm调制器/发生器300包括固定电流源302和304、电容器c、放大器306以及比较器308和310。在放大器306的反相输入端处，来自电流源302和304的电流信号提供输入中的一个到pwm调制器/发生器300，并且非反相输入端可以耦合到地。放大器306的输出是三角波或斜变参考信号vramp，并且电压信号vramp被馈送到比较器308和310的每个相应反相输入端。环路滤波器输出vsigp和vsigm也被馈送到相对应的比较器308和310。比较器308和310将环路滤波器输出vsigp和vsigm与参考电压vramp进行比较以产生数字pwm信号pwm_m和pwm_p。

图4示出了根据现有技术的图3中的pwm调制器/发生器300的比较器308和310的电压输入vsigp和vsigm与输出pwm_p和pwm_m的示例性信号时序图和示例关系。针对图4的图解，假设pwm调制器/发生器300被配置在图1中示出的闭环架构中。线402中示出的调制器输出的平均电压pwm_diff是依据以下公式确定的：

其中t是斜变周期或三角波周期的一半并且vdd是调制器电源电压。然后，pwm调制器/发生器增益由以下公式定义：

如线404示出的斜变参考信号vramp的斜率是固定的，这是因为pwm发生器300的增益是固定的并且不变化。因为vramp的斜率是固定的并且图1的放大器100的环路具有有限的带宽，所以在环路上电或断电期间，当环路滤波器104从闭环放大状态过度到闭环稳定状态时，环路滤波器104的输出处的任何偏移电压或信号将通过前馈通路被放大并且从功率级块108被输出。这个放大的偏移可以通过扬声器112被听到，例如以可听见的气爆声或咔哒声的形式。

返回参考图4，闭环放大器在被示为时间412的时间t1处上电。在上电之前，环路滤波器差分输出为零并且pwm_diff为零。在时间t1和t2之间(被示为时间414)，当放大器处于闭环放大状态时，直流(dc)偏移出现在环路滤波器输出vsigp和vsigm处并且由pwm发生器放大以生成非零的pwm_diff。在时间t2之后，环路滤波器开始衰减该偏移。在时间t3时间416之后，当偏移vos2衰减到低水平并且仅有小的残余偏移vos1保留在pwm_diff信号中时，环路滤波器运行在闭环稳定状态。

这里提到的缺点仅是代表性的，并且该缺点被简单包括只是强调存在对改进的电气部件，尤其是对消费级设备(例如，移动电话和媒体播放器)中所采用的放大器的需要。本文中描述的实施例解决了某些缺点，但是不一定是这里描述的或本领域已知的每一个缺点。

技术实现要素：

本公开的实施例通过在音频放大器的预功率级块中提供可变斜升/斜降增益以及在音频放大器的操作期间调节可变斜升/斜降增益的控制器，来消除或显著减少或解决与音频放大器相关的可听见的气爆声和咔嗒声的问题在一个实施例中，可变斜升/斜降增益可以被实现为在控制器的控制下具有斜升和斜降增益的脉冲宽度调制(pwm)发生器。可变斜升/斜降增益使偏移vos1和vos2的过渡变得平滑，并因此可以通过减少在音频放大器的功率级块中被放大的偏移vos1和vos2来减少可听见的气爆声和咔嗒声。

根据一个实施例，设备可以包括：输入节点，所述输入节点被配置为接收用于由换能器再现的输入模拟信号；预功率级块，所述预功率级块耦合到所述输入节点并且被配置为处理所述输入模拟信号，其中所述预功率级块包括具有能够配置的斜升/斜降增益的部件；功率级块，所述功率级块耦合到所述预功率级块并且被配置为放大所述处理输入模拟信号；和/或反馈环路，所述反馈环路耦合在所述功率级的输出端与所述预功率级块的输入端之间；和/或控制器，所述控制器耦合到所述预功率级块并且被配置为在所述反馈环路的过渡期间改变所述预功率级块的所述能够配置的增益。

在某些实施例中，所述预功率级块的脉冲宽度调制(pwm)调制器/发生器可以具有能够配置的增益；所述能够配置的增益可以在所述预功率级块的环路滤波器的多个环路滤波器积分器之外；所述控制器可以被配置为改变所述预功率级块的所述能够配置的斜升/斜降增益以减少由所述预功率级块引起的电压偏移；所述控制器可以被配置为在所述反馈环路从闭环放大状态到闭环稳定状态的过渡期间改变所述预功率级块的所述能够配置的斜升/斜降增益；和/或所述控制器可以被配置为改变所述能够配置的斜升/斜降增益以衰减所述功率级的输出端处的气爆声/咔哒声程度。

根据另一个实施例，方法可以包括：接收输入模拟信号以用于放大；在预功率级块中处理所述输入模拟信号，其中所述处理的步骤包括改变所述预功率级块的能够配置的斜升/斜降增益；在功率级块中放大所处理的信号；和/或通过反馈环路将所放大的信号馈送回到所述预功率级块，其中在所述反馈环路的过渡期间发生了改变所述预功率级块的所述能够配置的斜升/斜降增益的步骤。

在某些实施例中，改变所述能够配置的斜升/斜降增益的步骤可以包括改变所述预功率级块的脉冲宽度调制(pwm)调制器/发生器的能够配置的斜升/斜降增益；改变能够配置的斜升/斜降增益的步骤可以包括改变所述预功率级块的环路滤波器的多个环路滤波器积分器之外的能够配置的斜升/斜降增益；改变所述能够配置的斜升/斜降增益的步骤可以由控制器来执行，从在反馈有效地闭合了围绕所述预功率级块和所述功率级块的环路或从闭环放大状态到闭环稳定状态的过渡的时间开始；确定改变所述能够配置的斜升/斜降增益的步骤可以包括改变所述能够配置的斜升/斜降增益以减少由所述预功率级块中的处理引起的电压偏移；确定改变所述能够配置的斜升/斜降增益的步骤可以包括在所述反馈环路从闭环放大状态到闭环稳定状态的过渡期间改变所述能够配置的斜升/斜降增益；和/或确定改变所述能够配置的斜升/斜降增益的步骤可以包括改变所述能够配置的斜升/斜降增益以衰减所述功率级的所述输出端处的气爆声/咔哒声水平。

根据另一个实施例，设备可以包括控制器，所述控制器被配置为耦合到放大器电路。所述控制器可以被配置为执行以下步骤，包括：确定围绕所述放大器电路的预功率级块和功率级块的反馈环路从闭环放大状态过渡到闭环稳定状态的开始时间；在确定反馈环路过渡的所述开始时间之后，确定所述放大器电路的预功率级块的能够配置的斜升/斜降增益元件的斜升/斜降增益；和/或当所述反馈环路处于从第一状态到第二状态的过渡中时，调节所述预功率级块的所述能够配置的斜升/斜降增益至所确定的斜升/斜降增益。

在某些实施例中，所述控制器可以被配置为确定所述能够配置的斜升/斜降增益元件的斜升/斜降增益，以减少由所述预功率级块引起的电压偏移；所述控制器可以被配置为在所述反馈环路从闭环放大状态到闭环稳定状态的过渡期间，确定所述能够配置的斜升/斜降增益元件的增益；所述控制器可以被配置为确定所述放大器电路的脉冲宽度调制(pwm)发生器的斜升/斜降增益；和/或所述控制器可以被配置为确定所述放大器电路的环路滤波器的多个环路滤波器积分器之外的能够配置的斜升/斜降增益元件的所述斜升/斜降增益。

在一些实施例中，所述设备还可以包括：输入节点，所述输入节点被配置为接收输入模拟信号以用于放大器电路的放大，其中所述输入节点耦合到所述放大器电路；换能器，所述换能器耦合到所述放大器电路的输出，其中所述换能器被配置为再现由所述预功率级块处理的并且由所述功率级块放大的所述输入模拟信号的表示；和/或放大器电路可以包括耦合到所述输入节点的预功率级块；和/或耦合到所述预功率级块的功率级块，其中所述反馈环路将所述功率级块的输出端耦合到所述预功率级块的输入端。

前面已经概述了本发明的实施例的相当广泛的某些特征和技术优点，以便可以更好地理解以下具体实施方式。下文中将描述形成本发明的权利要求的主题的额外特征和优点。本领域的普通技术人员应该意识到的是，所公开的概念和具体实施例可以容易地用作修改或设计用于执行相同或相似目的的其它结构的基础。本领域的普通技术人员也应该认识到的是，等同的结构不脱离如所附权利要求中所阐述的本发明的精神和范围。当结合附图考虑时，根据以下描述将更好地理解额外的特征。然而，应该明确理解的是，提供每个附图仅是出于说明和描述的目的，而不是要限制本发明。

附图说明

为了更全面地理解公开的系统和方法，现在结合附图来参考以下描述。

图1是示出了根据现有技术的示例性闭环d类放大器架构的方框图。

图2是示出了根据现有技术的双环路放大器的方框图。

图3是示出了根据现有技术的示例性固定增益pwm调制器/发生器的电路示意图。

图4是示出了根据现有技术的d类放大器中的信号的示例性信号时序图和示例性关系的图。

图5是示出了根据本公开的一个实施例的具有可变斜升/斜降增益的示例性闭环d类放大器架构的方框图。

图6是示出了根据本公开的一个实施例的d类放大器的示例性输出波形的图。

图7是示出了根据本公开的一个实施例的示例性可变或斜变增益脉冲宽度调制(pwm)调制器的电路示意图。

图8是示出了根据本公开的一个实施例的d类放大器中的信号的示例性信号时序图和示例性关系的图。

图9是示出了根据本公开的一个实施例的示例性可变电流源的电路图。

具体实施方式

可以通过使用具有可变斜升/斜降增益的部件(例如，可变斜升/斜降增益pwm调制器/发生器)，来减少放大器中的部件之间的电压偏移。该电压偏移当被放大器放大时可以导致输出信号中的无意伪影，这可以在音频放大器中作为咔哒声和气爆声被听到。因此，在音频放大器中使用的本公开的实施例可以通过提供例如具有斜升和斜降增益的pwm调制器/发生器来消除或减少可听见的气爆声和咔嗒声的问题。

具有可变增益升/降pwm发生器的闭环d类放大器的示例性实施例在图5中被示出。闭环d类放大器500类似于图1中的闭环d类放大器100，除了固定增益pwm发生器106被替换为具有可变斜升增益和/或斜降增益的pwm调制器/发生器506。闭环d类放大器500包括前馈通路，前馈通路包括加法器102、包括环路滤波器104和具有可变增益的脉冲宽度调制(pwm)调制器/发生器506的预功率级块504、以及功率级块108。放大器500也包括反馈通路110，其开始于功率级块108的输出处并且被耦合回到加法器102。功率级块108的输出可以驱动扬声器112或其它换能器或其它负载。环路滤波器104可以包括积分器，并且具有斜升增益和/或斜降增益的pwm调制器/发生器506可以将在输入节点522处被接收并且在输入增益块502中被放大的模拟输入信号调制成pwm波。

pwm调制器/发生器506可以在单个环路放大器系统中提供可变斜升/斜降增益。可变斜升/斜降增益有助于提供从第一状态(例如，闭环放大状态)到第二状态(例如，闭环稳定状态)的平滑过渡，以衰减扬声器输出端处的气爆声/咔哒声水平。在某些实施例中，可变或斜变增益pwm调制器/发生器506可以是简单可变增益级的部分。d类放大器500的环路滤波器104可以是近似积分器的理想低通滤波器。

预功率级块504的可变增益，例如，pwm调制器/发生器506的可变斜升/斜降增益可以由控制器532改变。当环路被控制以开始从一个状态过渡到另一个状态，例如，闭合环路从闭环放大状态过渡到闭环稳定状态时，控制器532可以开始斜升/斜降增益。增益的斜升/斜降可以包括线性斜变，5级斜变，10级斜变或任何其它斜变配置。斜变时间可以选自，例如，200微秒、400微秒、600微秒、800微秒和1毫秒。

图6示出了将实现固定增益pwm调制器/发生器106的d类放大器100的输出电压(例如，图1的功率级块108的输出)与实现可变增益pwm调制器/发生器506的d类放大器500的输出电压进行比较的示例波形。波形602示出了具有固定增益pwm调制器/发生器106的d类放大器100的示例性输出电压。波形604示出了拥有具有斜升增益和/或斜降增益的pwm调制器/发生器506的d类放大器500的示例性输出电压。波形602示出了当pwm发生器106的增益固定时，等于或约为10mv的偏移电压603在放大器100的输出处是明显的。在闭环放大状态期间，输出电压受偏移电压603的影响约为25微秒。在或大约在200微秒处，在闭环稳定状态期间，pwm发生器106的输出电压开始向着零减小并且在或大约在211微秒处为零。

到d类放大器500的类似输入示出了改进的能力：减少最终到达放大器的偏移。波形604示出了当增益是可变的或斜变的(例如，斜升或斜降)时，这样的偏移电压603在d类放大器500的输出电压处是不存在的或不是十分明显的。如果这样的偏移电压确实存在于输出处，它与波形602的偏移电压603相比具有极小的值或非常小的值。波形604示出了在200微秒内示例性可变或斜变pwm发生器506从零(0)增益斜升到四(4)的增益。由于可变或斜变增益，波形604示出了d类放大器500的输出电压是相对平坦的。可以存在极小的或小的偏移电压(例如，在波形604中通常不能看到)，但是与波形602中的偏移电压603相比它并不明显。波形606示出了波形604的部分的分解图，分解图示出了当放大器500处于闭环放大状态时，大约在200微秒处，发生了d类放大器500的输出中的小的增加和斜升。在或大约在203微秒处，放大器500的输出电压减小，并且然后在或大约在214微秒处输出电压达到稳定并且停留到大约0伏。在近似203至214微秒期间发生的减小通常是由于放大器500的环路从闭环放大状态过渡到闭环稳定状态，并且闭环开始接管来提供放大器500的输出电压。波形606中示出的电压斜升和斜降的量接近30微伏，与波形602的10mv偏移电压603相比降低了50db。

上述的并且在图5的放大器500中示出的可变斜升/斜降增益可以由pwm调制器/发生器506提供。在其它实施例中，可变斜升/斜降增益可以被提供在放大器500的其它部件中，例如，在预功率级块的环路滤波器的多个环路滤波器积分器之外的部件中。具有可变斜升/斜降增益的pwm调制器/发生器506的实施例在图7中被示出。图7是示出了根据本公开的一个实施例的示例性可变或斜变增益脉冲宽度调制(pwm)调制器的电路示意图。pwm调制器/发生器506类似于图3的pwm调制器/发生器，但不包括电流源302和304，而是pwm调制器/发生器506包括可变或斜变(斜升和/或斜降)电流源702和704。pwm调制器/发生器506还包括电容器c、放大器306以及比较器308和310。

来自电流源702和704的电流信号在放大器306的反相输入端处提供到pwm调制器/发生器506的一个输入，并且非反相输入端可以耦合到地。放大器306的输出可以是三角波或斜变参考信号vramp，并且电压信号vramp被馈送到相应的比较器308和310的每个相应的负输入端。环路滤波器输出信号vsigp和vsigm被提供到相应的比较器308和310。比较器308和310将环路滤波器输出与三角波或斜变参考电压vramp进行比较，以产生数字pwm信号pwm_m和pwm_p。

通过图8的波形示出了放大器500的示例性操作。图8是示出了pwm调制器/发生器506的比较器308和310的电压输入vsigp和vsigm与输出pwm_p和pwm_m的示例性信号时序图和示例关系的图。如波形802示出的调制器输出pwm_diff的平均电压可以依据以下公式来确定：

然后，pwm发生器增益可以根据以下公式来计算：

如波形804示出的vramp信号的斜率被示为是改变的，这是因为pwm调制器/发生器506的增益变化了或斜升/斜降了。在一些实施例中，vramp信号的斜率随时间从8i0/c变化到4i0/c到2i0/c到i0/c。图5的控制器532可以在放大器500从闭环放大状态过渡到闭环稳定状态的时间之后开始控制vramp信号斜变速率从8i0/c到i0/c。

闭环放大器在时间812在时间t1上电。在上电之前，环路滤波器差分输出可以为零，并因此pwm_diff为零。在放大器处于闭环放大状态时，在时间t1和t2(在时间814)之间，pwm调制器/发生器506的增益可以以某种方式被改变或斜变，以使得大的偏移或电压跳变被避免或最小化。在时间t2之后，环路滤波器开始衰减偏移。在时间t3(在时间816)之后，当偏移vos2衰减到降低的水平时，环路滤波器运行在闭环稳定状态。此外，对于pwm_diff仅存在非常小的残余偏移vos1。通过避免或最小化大的偏移或电压跳变，放大器500的扬声器112处的输出可以具有衰减的峰值。

可变电流源702和704可以通过图9中示出的电路被实现在一些实施例中。图9是示出了根据本公开的一个实施例的示例性可变电流源的电路图。可变电流源900可以包括运算放大器(opamp)902以及多个场效应晶体管904、906、908、912、…、914，其提供相应的电流信号i0、i0、2i0、4i0、8i0、...、2ⁿi0。在op-amp902的输入端处的参考电压vref和电阻器r可以确定来自可变电流源900的电流电平。在一个实施例中，图5的控制器532可以通过经由控制信号来控制参考电压vref从而改变斜升/斜降增益。

如果被实现在固件和/或软件中，则上述功能可以作为一条或多条指令或代码被存储在计算机可读介质上。示例包括被编码有数据结构的非暂时性计算机可读介质和被编码有计算机程序代码的计算机可读介质。计算机可读介质包括物理计算机存储介质。存储介质可以是可由计算机访问的任何可用介质。以举例而非限制的方式，这样的计算机可读介质可以包括随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、光盘只读存储器(cd-rom)或其它光盘存储器、磁盘存储器、或其它磁性存储设备、或可以用于以指令或数据结构的形式存储期望的程序代码并且可由计算机访问的任何其它介质。磁盘和光盘包括压缩光盘(cd)、激光光盘、光学的光盘、数字通用光盘(dvd)、软盘和蓝光光盘。通常，磁盘以磁性方式再现数据，而光盘以光学方式再现数据。以上组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

除了存储在计算机可读介质上之外，指令和/或数据可以被提供为包括在通信设备中的传输介质上的信号。例如，通信设备可以包括具有指示指令和数据的信号的收发器。指令和数据被配置为使一个或多个处理器实现权利要求中所概述的功能。

尽管已经详细描述了本公开和特定的代表性优点，但是应当理解的是，在不脱离由所附权利要求定义的本公开的精神和范围的情况下，可以在本文中进行各种改变，替换和变化。再者，本申请的范围不是要被限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。例如，尽管在整个详细描述中描述了音频放大器，但是本发明的各方面可以被应用到其它放大器的设计，例如，用于无线电通信电路的放大器和/或用于感测小信号的放大器。本领域普通的技术人员将容易地从本公开内容理解的是，目前存在的或稍后要开发的基本上执行与本文中所描述的相对应的实施例相同的功能或基本上实现与本文中所描述的相对应的实施例相同的结果的过程、机器、制造、物质组合、手段、方法或步骤可以被利用。相应地，所附权利要求旨在其范围内包括这样的过程、机器、制造、物质的组成、手段、方法或步骤。