用于D类放大器的功率级的驱动器电路的制作方法

本发明涉及用于D类放大器的功率级的驱动器电路。

背景技术：

D类放大器可用于消费型装置和汽车装置中，从而为移动或汽车应用实现良好的信号质量、高输出功率、高效率和长期的电池使用时间。例如，D类放大器可用于个人计算装置例如移动电话、助听器，以及音频系统，例如家庭影院系统、功率扬声器、低音炮和低音放大器中。

D类放大器通常包括驱动器装置，其生成用于该D类放大器的功率级中的功率晶体管的驱动信号。用于D类放大器的功率级的常规驱动器装置通常需要自举电容器或电荷泵电压以用于产生参考电压。此外，用于D类放大器的功率级的常规驱动器装置通常对于驱动器装置中的晶体管具有严格电容要求。因此，常规驱动器装置的部件成本可能是相当高的。

技术实现要素：

描述了一种用于D类放大器的功率级的驱动器电路和一种D类放大器的实施例。在一个实施例中，用于D类放大器的功率级的驱动器电路包括与D类放大器的功率级的功率晶体管的栅极端连接的串联连接的晶体管器件、在该串联连接的晶体管器件的第一晶体管器件的栅极端和该功率晶体管的源极端之间连接的电压发生器，以及在该功率晶体管的栅极端与该第一晶体管器件的源极端和漏极端中的一者之间连接的电流倍增器。电流倍增器被配置成产生与在第一晶体管器件的源极端和漏极端中的该一者的电流成比例的输出电流。因为电流倍增器可以为该功率晶体管产生更大的输出电流，所以该串联连接的晶体管器件的电容要求可以被放宽，并且可以降低驱动器装置的部件成本。

在实施例中，在电流倍增器的输出电流与在第一晶体管器件的源极端和漏极端中的一者的电流之间的比率为大于1的值。

在实施例中，电流倍增器包括多个电流镜。

在实施例中，串联连接的晶体管器件另外包括第二晶体管器件，第二晶体管器件的源极端或漏极端中的一者与功率晶体管的栅极端连接。

在实施例中，串联连接的晶体管器件另外包括在功率晶体管的栅极端和该功率晶体管的源极端之间连接的第三晶体管器件。在实施例中，第二晶体管器件和第三晶体管器件的栅极端彼此连接。在实施例中，第二晶体管器件和第三晶体管器件为不同类型的晶体管。

在实施例中，驱动器电路另外包括第一电流源，其连接至电流倍增器并连接至第一晶体管器件的源极端和漏极端中的该一者。

在实施例中，驱动器电路另外包括第二电流源和第四晶体管器件，第二电流源连接至电流倍增器，该第四晶体管器件的栅极端连接至第一晶体管器件并连接至第二电流源。

在实施例中，驱动器电路另外包括串联连接至第四晶体管器件的第五晶体管器件、串联连接至该第五晶体管器件的电阻器、连接至该第五晶体管器件的栅极端并连接至功率晶体管的源极端的第六晶体管器件，以及连接至该电阻器器件并连接至该功率晶体管的源极端的第七晶体管器件。

在实施例中，功率晶体管为NMOS晶体管，并且该功率晶体管的源极端为该NMOS晶体管的源极端。

在实施例中，第一晶体管器件为NMOS晶体管，并且该第一晶体管器件的源极端和漏极端中的一者为该NMOS晶体管的漏极端。

在实施例中，D类放大器包括驱动器电路和功率级。在实施例中，D类放大器另外包括被配置成将输入信号转换为用于功率级的经过调制的信号的调制器。

在实施例中，用于D类放大器的功率级的驱动器电路包括与功率级的NMOS功率晶体管的栅极端连接的串联连接的晶体管器件、在该串联连接的晶体管器件的第一NMOS晶体管器件的栅极端和该NMOS功率晶体管的源极端之间连接的电压发生器，以及在该NMOS功率晶体管的栅极端和该第一NMOS晶体管器件的漏极端之间连接的电流倍增器。电流倍增器被配置成产生与在第一NMOS晶体管器件的漏极端的电流成比例的输出电流。

在实施例中，在电流倍增器的输出电流与在第一晶体管器件的源极端和漏极端中的一者的电流之间的比率为大于1的值。

在实施例中，电流倍增器包括多个电流镜。

在实施例中，串联连接的晶体管器件另外包括PMOS晶体管器件和第二NMOS晶体管器件，该PMOS晶体管器件的漏极端与该NMOS功率晶体管的栅极端连接，其中，该PMOS晶体管器件和该第二NMOS晶体管器件的漏极端被连接至该NMOS功率晶体管的栅极端。

在实施例中，D类放大器包括调制器和功率级，该调制器被配置成将输入信号转换为经过调制的信号，该功率级被配置成放大经过调制的信号以生成用于驱动负载的经过放大的信号。功率级包括第一驱动器电路、可操作地连接至该第一驱动器电路的第一功率晶体管、第二驱动器电路和可操作地连接至该第二驱动器电路的第二功率晶体管。第一驱动器电路包括与功率级的第一功率晶体管的栅极端连接的串联连接的晶体管器件、在该串联连接的晶体管器件中的第一晶体管器件的栅极端和该第一功率晶体管的源极端之间连接的电压发生器，以及在该第一功率晶体管的栅极端与该第一晶体管器件的源极端和漏极端中的一者之间连接的电流倍增器。电流倍增器被配置成产生与在第一晶体管器件的源极端和漏极端中的该一者的电流成比例的输出电流。

在实施例中，串联连接的晶体管器件另外包括第二晶体管器件，第二晶体管器件的源极端或漏极端中的一者与第一功率晶体管的栅极端连接。

本发明的实施例的其它方面和优点将从以下具体实施方式中变得显而易见，以下详细描述是结合借助于本发明原理的例子而描绘的附图进行的。

附图说明

图1为D类放大器的示意性框图。

图2绘出在图1中所描绘的D类放大器100的功率级的实施例。

图3绘出使用外部电容器产生参考电压的D类放大器的典型NMOS-NMOS功率级。

图4绘出D类放大器的典型功率级，该D类放大器使用电荷泵限制该功率级的功率晶体管的栅极-源极电压。

图5绘出在图2中所描绘的功率级的驱动器电路的实施例。

图6绘出在图5中所描绘的驱动器电路的实施例。

在整个说明书中，可以使用类似的附图标记来识别类似的元件。

具体实施方式

容易理解的是，如本文中大体描述且在附图中示出的实施例的组成部分能够以各种各样不同的配置来布置和设计。因此，以下如附图所表示的各种实施例的详细描述并非旨在限制本公开的范围，而仅仅是表示各种实施例。虽然在附图中呈现了实施例的各个方面，但是除非特别地指示，否则附图未必按比例绘制。

所描述的实施例应视为在所有方面均仅为说明性而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是由此具体实施方式来指示。在权利要求书等效物的含义和范围内的所有变化均被涵盖在权利要求书的范围内。

本说明书通篇凡提到特征、优点或类似语言并不暗示可以通过本发明实现的所有特征和优点应该在或在任何单一实施例中。相反，提到该特征和优点的语言应理解成结合实施例所描述的具体特征、优点或特性包含在至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇中对特征和优点的论述以及类似语言可以但不必参考同一实施例。

此外，本发明的所描述的特征、优点和特性可以任何合适方式在一或多个实施例中组合。相关领域的技术人员应认识到，鉴于本文的描述，本发明可以在没有特定实施例的具体特征或优点中的一或多个具体特征或优点的情况下实践。在其它情况下，在某些实施例中可以认识到可能不存在于本发明的所有实施例中的另外的特征和优点。

贯穿本说明书对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的提及意味着结合指定实施例所描述的特定特征、结构或特性包含于至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言可以但不必全部参考同一实施例。

图1为D类放大器100的示意性框图。在图1中所描绘的实施例中，D类放大器包括调制器102和功率级104。该D类放大器通常作为集成电路(IC)器件提供。D类放大器可以放大输入信号以生成输出信号，该输出信号用于驱动负载108。例如，D类放大器放大音频输入信号以生成驱动扬声器的带有更高功率的音频输出信号。在一些实施例中，D类放大器用在车载音频系统、扬声器、耳塞、头戴式耳机或移动装置中。D类放大器100使用包含在离散电压电平之间的输出切换的非线性放大。与线性放大器例如A类、AB类或B类放大器相比，D类放大器具有更低的功耗和更高的功率效率。例如，D类放大器可具有超过90％的功率效率，而AB类放大器对于正弦波具有78.5％的最大效率，对于音乐信号具有约25％的最大效率。

D类放大器100的调制器102被配置成调制输入信号以生成经过调制的信号。在一些实施例中，调制器被配置成通过脉宽调制(PWM)、脉冲密度调制或其它脉冲调制技术将模拟输入信号转换为一系列脉冲。在实施例中，调制器将输入信号转换为用于驱动功率级104的PWM信号。

D类放大器100的功率级104被配置成放大来自调制器102的经过调制的信号以生成经过放大的信号。功率级包括驱动器装置110和开关电路112，该驱动器装置110被配置成基于来自调制器的经过调制的信号生成一或多个驱动信号，该开关电路112被配置成基于该驱动信号被切换以生成经过放大的信号。

图2绘出在图1中所描绘的D类放大器100的功率级104的实施例。在图2中所描绘的实施例中，功率级204包括驱动器装置210和开关电路212，该驱动器装置210被配置成基于来自调制器102(在图1中示出)的一或多个输入信号生成驱动信号，该开关电路212被配置成基于该驱动信号而工作以生成功率级输出信号。驱动器装置包括第一驱动器电路220-1和第二驱动器电路220-2，并且开关电路包括第一功率晶体管230-1和第二功率晶体管230-2。第一驱动器电路被配置成生成用于第一功率晶体管的驱动信号。第二驱动器电路被配置成生成用于第二功率晶体管的驱动信号。基于来自第一驱动器电路和第二驱动器电路的驱动信号，第一功率晶体管和第二功率晶体管生成功率级输出信号。

返回到图1，滤波器106通常与D类放大器100不在同一IC器件中(即，与该D类放大器分离)，该滤波器106用于将来自功率级104的经过放大的信号滤波以生成驱动负载108的输出信号。该经过放大的信号的低频成分表示该D类放大器的期望输出信号。在这些实施例中，滤波器被实施为重构期望输出信号的低通滤波器。低通滤波器可为低损耗二阶或更高阶电感器-电容器LC滤波器。

在带有NMOS-NMOS功率级的D类放大器中，要切换该NMOS-NMOS功率级需要高于该NMOS-NMOS功率级的电源电压的参考电压。图3绘出使用外部自举电容器产生此参考电压的D类放大器的典型NMOS-NMOS功率级304。如图3所示，功率级包括驱动器装置310、开关电路312、两个电感器“L_BONDING”322-1和322-3、电阻器324和参考电压源326，该驱动器装置310包括高侧驱动器电路320-1和低侧驱动器电路320-2，该开关电路312包括功率晶体管“HS_POWER”、“LS_POWER”。电容器“C_BOOTSTRAP”、“C_REG”、二极管“D_BOOTSTRAP”，以及电感器L_BONDING 322-2位于功率级外部。在功率晶体管LS_POWER被接通时，功率级的输出信号PWM_OUT为低，并且自举电容器C_BOOTSTRAP被参考电压源充电。在放大器输出PWM_OUT为高时，在电压V_BOOT和输出信号PWM_OUT之间的电压大到足以驱动高侧功率晶体管HS_POWER。用于高侧功率晶体管HS_POWER的栅极-源极电容器(C_GS)和栅极-漏极电容器(C_GD)的充电电流由自举电容器C_BOOTSTRAP供应。用于低侧功率晶体管LS_POWER的充电电流由带宽受限的参考电压源供应。在功率晶体管中所需的充电电流为暂态电流，并因此可以引起参考电压源的参考电压下降。电容器C_REG提供对低侧功率晶体管LS_POWER的栅极-源极电容器(C_GS)和栅极-漏极电容器(C_GD)充电所需的电流尖峰。在图3所示的功率级中，因为电容器C_REG经由电感器322-3被连接至低侧功率晶体管LS_POWER的源极端“S”，所以在D类放大器切换大电流时，该低侧功率晶体管LS_POWER的栅极-源极电压(V_GS)和驱动器电压可以变为高。

图4绘出D类放大器的典型功率级404，该D类放大器使用电荷泵440限制该功率级的功率晶体管430-1、430-2的栅极-源极电压。如图4所示，功率级包括电荷泵、驱动器装置410、开关电路412和两个二极管电路428-1、428-2，该驱动器装置410包括高侧驱动器电路420-1和低侧驱动器电路420-2，该开关电路412包括功率晶体管“HS_POWER”、“LS_POWER”。用于对电容器C_GSH、C_GDH和电容器C_GSL、C_GDL充电所需的大电流分别由电荷泵和电源电压V_DDP供应。电压V_BOOT由电荷泵440生成。电压V_BOOT和V_REG可以限制在电容器C_GSH、C_GDH之间的电压V_GSH和在电容器C_GSL、C_GDL之间的电压V_GSL。因此，并不需要外部自举(bootstrapping)，这在使用多个放大器信道的情况下避免了高引脚计数。图4所示的功率级的缺点在于栅极-源极电压被限于V_BOOT-V_{GS_MPH}(晶体管M_PH的栅极-源极电压)和V_{REG-VGS_MPL}(晶体管M_PL的栅极-源极电压)，除非电压V_BOOT和V_REG由另外的补偿电路补偿。

返回图2，与常规驱动器装置(例如，驱动器装置210、310)相比，驱动器电路220-1或220-2可包括电流倍增器236-1或236-2，该电流倍增器236-1或236-2用于产生用于功率晶体管的更大输出电流。因此，驱动器电路的晶体管部件的电容要求可以被放宽并且可以降低驱动器装置的部件成本。参考图5和图6来描述在图2中所描绘的驱动器电路220-1、220-2的两个具体实施例。

图5绘出在图2中所描绘的驱动器电路220-1、220-2中的一者的实施例。在图5中所描绘的实施例中，驱动器电路520包括串联连接的晶体管“MN0”532和534、电容器“C_DEC”、电流倍增器536。虽然在图5中所描绘的实施例中是使用电容器C_DEC，但是在其它实施例中，可以使用其它合适的电压发生器(例如，电压源)。驱动器电路可以用于功率级504的高侧功率晶体管和低侧功率晶体管两者。在图5中所描绘的驱动器电路为在图2中所描绘的驱动器电路的一个可能实施例。然而，在图2中所描绘的驱动器电路不限于在图5中示出的实施例。

在图5中所描绘的实施例中，功率级504的NMOS功率晶体管530具有由电容器C_{GS_POWER}表示的寄生电容，该电容器C_{GS_POWER}连接在NMOS功率晶体管的栅极端“G”和NMOS功率晶体管530的源极端“S”之间。PMOS晶体管532和NMOS晶体管534的漏极端“D”被连接至NMOS功率晶体管530的栅极端G。电容器C_DEC被连接在NMOS晶体管MN0的栅极端G和NMOS功率晶体管530的源极端S之间。电流倍增器536被连接在NMOS功率晶体管530的栅极端G和NMOS晶体管MN0的漏极端D之间，并被连接至功率级的可选电荷泵540，该可选电荷泵540生成电荷泵电压。电流倍增器被配置成产生与在NMOS晶体管MN0的漏极端D的电流成比例的输出电流。在图5中所描绘的实施例中，在电流倍增器的输出电流和在NMOS晶体管MN0的漏极端D的电流之间的比率为N，其为大于1的值。

在图5中所描绘的驱动器电路520中，NMOS功率晶体管530的栅极源极电压V_{GS_POWER}被限于固定参考电压。电容器“C_DEC”供应用于NMOS晶体管MN0的栅极充电电流。通常，因为用于NMOS晶体管MN0的栅极充电电流可以约为100mA，而晶体管MN0的栅极-源极电压由于可用电压余量而受到限制，所以由电容器C_GD表示的NMOS晶体管MN0的寄生栅极-漏极电容较大。然而，栅极-漏极电容器C_GD可以在晶体管MN0的栅极端G引起高压尖峰。例如，在驱动器电路520被用于高侧功率晶体管时，NMOS功率晶体管530的功率漏极电压为VDDP，而NMOS功率晶体管530的功率源极电压为PWM_OUT。在此情况下，在NMOS晶体管MNO的栅极端G的电压尖峰/纹波ΔV可以表述为：

ΔV＝(CP_{GD_MNO}/CP_DEC)*VDDP (1)

其中，CP_{GD_MN0}表示栅极-漏极电容器C_GD的电容，CP_DEC表示电容器C_DEC的电容。例如，在CP_{GD_MN0}为1pF时，VDDP为14V，CP_DEC为20pF，ΔV为0.7V。0.7V的电压尖峰/纹波ΔV超出高电压晶体管的典型电压纹波容限。增大电容器C_DEC的电容可以减小该电压尖峰/纹波。然而，增大电容器C_DEC的电容也会增大电容器C_DEC的尺寸和成本。在图5中所描绘的驱动器电路中，用电流倍增器536降低NMOS晶体管MN0的栅极-漏极电容器C_GD和栅极-源极电容器C_GS的电容要求。例如，NMOS晶体管MN0的电容要求可以减小到N分之一，其中，N为大于1的正整数。因此，减小了在NMOS晶体管MN0的栅极端G的电压尖峰。

图6绘出在图2中所描绘的驱动器电路210-1、210-2的另一实施例。在图6中所描绘的实施例中，驱动器电路620包括串联连接的晶体管MN0、“T1”、“T2”、“T3”、“T4”、532、534，电容器C_DEC(或其它合适的电压生成装置)，电流倍增器636，两个电流源“I_REF”、“I_THRESHOLD”和电阻器642。该驱动器电路可以用于功率级604的高侧功率晶体管和低侧功率晶体管两者。在图6中所描绘的驱动器电路为在图2中所描绘的驱动器电路的一个可能实施例。然而，在图2中所描绘的驱动器电路不限于在图6中所示的实施例。

在图6中所描绘的实施例中，电流源I_THRESHOLD被连接至电流倍增器636并连接至晶体管器件MN0的漏极端D。电流源I_REF被连接至该电流倍增器和功率级604的可选电荷泵640，该可选电荷泵640生成电荷泵电压。NMOS晶体管T1的栅极端G连接至该NMOS晶体管MN0并连接至电流源I_REF。PMOS晶体管T2被串联连接至NMOS晶体管T1。电阻器642被串联连接至PMOS晶体管T2和NMOS晶体管T3。PMOS晶体管T4被连接至PMOS晶体管T2的栅极端G，并连接至功率级604的NMOS功率晶体管630的源极端S。NMOS晶体管T3被连接至该电阻器并连接至NMOS功率晶体管630的源极端S。电流倍增器636包括输入电流/输出电流比为1∶1的第一电流镜644、输入电流/输出电流比为1∶N(N为大于1的正整数)的第二电流镜646和PMOS晶体管“T5”。

在图6中所描绘的驱动器电路620中，电流源I_REF相对于NMOS功率晶体管630的源极端S产生跨晶体管T2、电阻器642和晶体管T3的参考电压V_REF。由电流源I_REF所产生的参考电压V_REF经由晶体管MN0、T4被传送至晶体管532、534。因此，无关于在NMOS功率晶体管630的源极端S上的电压尖峰，NMOS功率晶体管630的最大栅极-源极电压V_GS被限于V_FLOAT，其中，V_FLOAT为在晶体管MN0、532的源极端S的电压。电流倍增器636产生允许晶体管MN0的尺寸减小的电流放大。晶体管MN0和晶体管T4所需的直流电流由电流源I_THRESHOLD供应，使得在NMOS功率晶体管630被断开时，无电流被强制流入到NMOS功率晶体管630的栅极端中。内部去耦电容器C_DEC的电容可以被设定为在I_REF值(因此静态电流)和电路面积之间的平衡点。与在图3中所描绘的驱动器电路320-1、320-2和在图4中所描绘的驱动器电路420-1、420-2相比，驱动器电路620可以用更少部件并因此以更低的成本实施。例如，与在图3中所描绘的驱动器电路相比，在图6中所描绘的驱动器电路不需要电容器，例如电容器C_REG和C_BOOTSTRAP。

虽然已经描述或描绘的本发明的具体实施例包含本文中描述或描绘的若干组成部分，但是本发明的其它实施例可以包含更少或更多组成部分以实施更少或更多特征。

此外，虽然已经描述和描绘了本发明的具体实施例，但是本发明不限于如此描述和描绘的部分的具体形式或布置。本发明的范围由本文所附的权利要求书和其等效物定义。