一种小型扬声器的高效率驱动器的制作方法

专利名称：一种小型扬声器的高效率驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种小型的声波变换器的驱动器。特别地，本发明涉及提供高效率的扬声器驱动器。另外，本发明涉及具有内置驱动器的小型的扬声器组件。
发明
背景技术：
小型的扬声器广泛地使用于各种小的便携设备中，诸如移动电话机，音乐播放器，个人数字助手，助听器，耳机，便携的超声波设备等等，其中小尺寸是最重要的。这样设备的用户欣赏它们的小尺寸，但是更喜欢不危害音质。但是，这些设备典型地是电池工作的，它还限制驱动小型扬声器可用的电功率的量。而且许多应用对价格是非常敏感的事实确定生产成本应该非常低。这样的产品的寿命周期经常是非常短的，因此新产品的设计时间应该非常短。
当今许多这样的小型扬声器是由连接到与外部连接的扬声器的模拟A/B类放大器驱动的。这些模拟A/B类放大器是庞大的，无效率的，昂贵的等等。甚至如果人们要标准化它们的用途即接口等等还有许多限制。
电磁干扰(EMI)在微电子学中甚至变成更大的问题，因此引起噪声特性差的问题这要求适合于集成该扬声器驱动器到小型的扬声器中的解决方案。通过集成有源的信号处理电路到小型的扬声器机壳中，该电路可以有效地屏蔽EMI。因此，需要一种数字驱动器，它可以以最小的物理尺寸实现而不降低驱动器的性能。此外，这样的驱动器必须适合于低成本生产。
最自然的解决方案是以数字驱动器电路代替该模拟放大器，该数字驱动器电路可制成高效率、相当地小和具有很高的质量。
此外，当使用数字驱动器电路时，标准的数字接口是非常容易实现的。
在很多的现有技术文件中已经存在对以数字驱动器电路替代功率放大器问题的一些解决方案。此类文件的例子有来自远地点技术(ApogeeTechnology)的US 5,077,539和来自三重路径技术(Tripath Technology)的US 5,777,512，以及Wei-Chan HSU的US 2002/0075068。
上述文件针对几瓦的功率电平的应用，诸如高保真音质系统。此外，这些解决方案是相当复杂的，并且它们常常要求许多外部的部件，因此在高音量低成本应用中实现是太贵。此外，如果该驱动电路集成到小型的扬声器中，则最重要的是包括外部部件的该电路的物理尺寸尽可能小，上面提到的解决方案没有满足这个条件。
Mitel半导体公司的US 5,815,581和G/N Netcom公司的US 6,191,650描述了用于助听器的驱动器包括与脉宽调制(PWM)组合的D类放大器。这两个解决方案以用于最小化失真的反馈环路为特征。由于在US5,815,581和US 6,191,650中描述的发明是预定在助听器中使用，它们适合于小型的应用。但是，该电路结构相当复杂，因此不适合于低成本生产。
上述几个现有技术文件描述基于驱动器或者放大器的三电平∑-△调制(sigma-delta)，与两电平(1比特)∑-△调制系统相比，它提供超级效率。正常地，三电平驱动器是与PWM组合的。
DE 4441996 A1描述用于助听器的一种两电平脉冲密度调制(PDM)。实现PWM更复杂，但是可以以比PDM更低的时钟频率工作，这是一个优点，因为如果该时钟频率较低时，H型桥路以较小差错转换该数字信号为模拟输出信号。对于高音量应用，PDM的较低的复杂性是非常有吸引力的，因为较低的复杂性导致较低的生产成本。但是，通常知道PDM实施要求很高的时钟频率，它具有诸如由于转换上升和下降时间引起的失真的缺点，并且如果使用标准的部件，开关损耗将导致效率降低。
因此，需要提供一种高效率的小尺寸的小型的扬声器驱动器，适合于低成本生产，并且仍然具有有关信噪比(SNR)和失真的高质量性能。
本发明的目的是提供以可能最低的时钟频率数字地转换信号为调制信号、复杂性最小的和仍然获得好的性能的驱动器。
本发明的另一目的是在整个系统中组合该驱动器与小型的扬声器，因此获得可能最小的尺寸，从而使得该系统适合于在非常有限的可用空间的应用。
本发明又一另外的目的是提供具有最小的EMI发射的小型的扬声器组件，由于小型的部件的集成的、屏蔽的和密集的性质也导致对EMI的低磁化率。

发明内容
在第一方面，通过提供一种适合于驱动扬声器的驱动器来达到上述的目的，该驱动器包括适合于接收输入信号的接口，三电平调制器和三电平H型桥路。该接口可以适合于接收输入信号。该输入信号可以是模拟的或者数字的。该三电平调制器可以在模拟域或者在数字域中实现。该接口可以适合于接收和处理从由下列构成的组中选择的信号格式SPDIF，AES/EBU，PCM，SSI和I2S。在优选的实施例中，该驱动器还包括一个内插器(interpolator)。在该驱动器的另一个优选的实施例中，该三电平调制器包括一种三电平∑-△调制器。该驱动器还可以进一步包括一个电源电压调节器该驱动器还可以进一步包括一个PLL(锁相环)。在优选的实施例中，该H型桥路由校正电路控制。该校正电路可以根据RTZ(归零)方案工作。RTZ方案可以是电平相关的。该校正电路可以包括一个数字滤波器，该数字滤波器可以是一个1+Z-1滤波器。该校正电路还可以进一步包括一个码型发生器。该校正电路可以包括提供反馈信号的装置，并且该校正电路可以包括提供伪多比特编码的装置。三电平H型桥路可以包括用于提供独立控制的至少4个开关。
该驱动器还可以进一步包括一个滤波器，它的输入端连接到该驱动器的一个输出端。该滤波器可以包括一个低通滤波器部分，并且该滤波器可以包括一个线圈。该驱动器还可以进一步包括一个电源启动的电路，用于提高提供给该三电平H型桥路的电源电压的电平，在第二方面中，本发明涉及适合于变换第一电信号为声信号的小型的扬声器组件，该小型的扬声器组件包括根据第一方面的一个驱动器，该驱动器适合于接收第一电信号并且响应该第一电信号产生变化的第一电信号，和扬声器，包括适合于接收变化的第一电信号的一个电机，该电机还适合于驱动膜片，以致产生声频信号。
该小型的扬声器组件还可以包括一个控制电路，该控制电路电连接在该驱动器和该电机之间。该电机可以包括一个线圈和一个磁电路。该电机可以包括一个压电元件。该控制电路可以适合于对该压电元件充电和放电。充电和放电可以通过切换该压电元件和电压源之间的线圈来执行。充电和放电可以通过切换该压电元件和电压源之间的电容器来执行。该驱动器可以放在以EMI屏蔽材料制造的机壳中。
在第三方面，本发明涉及一个移动的设备，包括根据第二方面的小型的扬声器组件。该移动的设备可以从由下列构成的组中选择移动电话机，助听器，助听装置，头机，掌上计算机和膝上型计算机。
附图的简要叙述现在参见附图更详细地说明本发明，其中

图1显示根据本发明的扬声器驱动器的方框图的一个例子，以及图2显示优选的电平相关的归零调制方案的原理。
同时本发明容易进行各种的修改和替代的形式，在附图中通过举例已经显示了特定的实施例并且在此处将详细地描述。但是应该懂得，本发明不限于所披露的该特定的形式。相反，本发明覆盖了落入如由所附的权利要求定义的本发明的精神和范围内的所有的修改，等效物和替代物。
本发明的详细的叙述在图1中，描绘了根据本发明的扬声器驱动器方框图的一个例子。仅仅显示了最通常使用的信号处理块。由于有源的信号处理电路主要地是数字的，它非常容易附加另外的功能。例如这可以是一个音量控制，PLL滤波器等等。该输入信号是数字信号。最好这些部件是在单个芯片诸如ASIC(特定应用的集成电路)上实现。这些部件是数字接口，内插器，∑-△调制器，调节器和H型桥路。校正块使容易控制该H型桥路，以便补偿非线性。这个块是必须的并且在图2中更详细地叙述。在图1中，该芯片的输出通过一个低通滤波器连接到该扬声器，该低通滤波器用于消除由该扬声器驱动器产生的高频噪声。这个滤波器是任选的并且在某些情况下是可以不用的。
本发明涉及该调制器的原理及其实现。此外，本发明涉及该实现的特定的运用。
接口模块的功能是提供到外界的标准接口。已存在几个数字接口标准，例如SPDIF，AES/EBU，PCM，SSI和I2S。该接口模块典型地提供一个时钟和以可以由内插器处理的格式的数据信号。该内插器的功能是进行样本率变换，诸如由于数据通常达到比该调制器的时钟更低的时钟速度时的上变换。该调制器具有变换幅度量化的信号为时间量化的信号的功能。这时该信号有两个(或者三个)电平。这意味着该H型桥路可以直接地由该调制器控制。即H型桥路仅仅能够接受具有最大3个值幅度的信号。
该H型桥路基本上由可以独立地控制的、以所谓的电桥连接的四个开关构成。这些开关连接该扬声器到电源(VDD)和地(GND)。因此，在该扬声器两端可生成以下电压-VDD，0和VDD。另一方面两电平H型桥路限制为-VDD和VDD。通过及时控制该切换，则能产生低频信号。这可以通过从幅度量化的信号转换时间量化的信号来完成，例如使用时间离散PWM(脉宽调制)，或者通过PDM(脉冲密度调制)调制来完成。除需要的低频信号之外，PWM或者PDM调制信号还包含许多高频噪声。这正常地通过滤波器消除，例如连接在H型桥路的输出和扬声器之间的模拟低通滤波器。该滤波器还可以包括有源的部件。
全面分析表明三电平∑-△调制降低了需要的时钟频率两倍之多以便获得给定的SNR，或者因此引人注目地改善给定的时钟频率的SNR，因此减少了需要非常急剧输出的滤波器，可能完全不需要输出滤波器。如果使用电动式扬声器，在大多数情况下该输出滤波器可以全部被省略，因为该扬声器的电的和机械的响应二者将提供一个低通滤波器。
三电平调制器的优化包括优化该调制器的噪声转换功能以及该量化器的电平。三电平∑-△调制方案具有重要的优点是复杂性低，因此例如以硅实现是便宜的。与PWM调制相比，PDM调制固有地是线性的并且不要求任何校正方案来非线性调制。三电平∑-△调制器将PDM调制方案的线性和低复杂性与PWM的低时钟频率相组合。
本发明还提供用于补偿H型桥路中输出脉冲线性变换为低频信号的补偿方案。这表示在图2中。
H型桥路的脉冲变换为低频信号由于该H型桥路的非零上升和下降时间而失真了。理想地，双脉冲直接在彼此之后应该具有单个脉冲的两倍能量。然而，晶体管的非零上升和下降时间将给脉冲增加能量，但是该能量仅仅增加一次。对于两个后续脉冲系列，额外的能量仅仅增加一次而不是两次，因此每个脉冲的能量表示变得不正确。换句话说，该变换是非线性的。这个非线性可以通过增加归零(RTZ)状态来补偿。虽然这具有减少从该H型桥路传送最大输出功率的效果。另一个想法是应用RTZ方案，它取决于输入信号电平。该想法如下对于小信号电平，应用RTZ方案，而对于高信号电平，抛弃RTZ方案。如何实现电平相关的RTZ方案的一个例子是使用一个非常简单的滤波器滤除该输出信号，因此变换该滤波器的输出为具有RTZ状态的脉冲码型。这样的滤波器和RTZ方案的一个例子表示在图2中。该滤波器可以扩展为包括多个状态，作为一个例子1+Z-1+Z-2给出从-3至+3的输出状态。该码型发生器则必须适合于接收这些电平。基本上仅仅是时钟频率设置对可能的状态数量的限定。该原理可以扩展到将多比特∑-△调制与比简单的滤波器更多的状态以及这些状态后来变换为具有RTZ的码型相组合。但是，这不提供对具有三电平调制器的简单的方案的显著的改善，并且它具有增加复杂性和该H型桥路得到的输出信号的高得多的时钟频率的缺点。
该输出信号的编码还可以用于在模拟域中非理想的向前馈送补偿以及反馈补偿。即该调制器(或者后面的滤波器)的n电平输出通过划分该输出信号的每个时钟样值为多个时钟样值可以编码为伪多比特信号。即因此在更高的时钟频率多比特信号可以表示为+1，0和-1的系列。用这种方式表示多比特信号是效率低的，因为它要求相对高的时钟频率，以便达到合理的分辩率。多比特输出的不同的编码打开了进行补偿该输出信号的下降和上升边缘的数量的可能性。例如反馈系统可以计算下降和上升边缘的数量并且通过控制伪多比特方案的编码保证它们是相等的。例如一个零可以实现为在彼此之后的两个零，-1接着+1或者+1接着-1。编码一个零的这三个方式的能量在理论上是相同的。但是在实践中取决于上升和下降边缘的数量将有小的差别，在这三个情况中容易地看到不是相等的。在相同的时钟周期内一个零编码为+1接-1(或者-1，+1)还可以在伪三电平模式中用于驱动两电平H型桥路。
上述所有的优点还应用于电平相关的归零制编码。但是，其实施比伪多比特解决方案简单的多。
本发明还提供驱动小型扬声器的三电平H型桥路。H型桥路由连接该扬声器到电源(VDD)或者地(GND)的四个开关构成，因此它能够以四个不同的方式连接该扬声器到电源和地，在该扬声器的两端产生3个不同的电压电平-VDD，0，和+VDD。如果使用三电平∑-△调制方案并且同时使用低时钟频率，三电平H型桥路是必要的条件。与正常的2电平H型桥路相比，三电平H型桥路可以以非常小的额外的复杂性实现。
本发明还提供小型的扬声器组件，在此有源的信号处理部分安排在该小型的扬声器内，因此提供具有最小的EMI发射和对EMI的敏感性的小型的扬声器组件。已经知道数字信号对于EMI是非常不敏感的，但是如果信号线长，也是EMI的重要的发射器，边缘是急剧的并且传送大电流。如果该扬声器机壳是由导电的材料制作的，诸如金属或者屏蔽EMI的任何其它材料，则到有源的信号处理部件的所有的模拟连接有效地屏蔽EMI。在叙述的小型的组件中，到该扬声器的连接线保持是短的并且充分屏蔽环境。到芯片的数字接口则可以放在该机壳外部而不恶化对EMI的低敏感性。对EMI敏感的到外界的干线连接是电源线路，VDD和GND。通过在扬声器机壳的外部的电源线路上或者更好的在该扬声器机壳内引入一个去耦电容器，它们可以有效地屏蔽EMI。而且电源调节器或者放置在该扬声器机壳内的反馈环路可以帮助抑制不必要的EMI。
反馈信号例如可以作为在该H型桥路的输出上的电压、在负载中流动的电流，传递给该负载的电荷进行测量。或者它可以是其它的控制信号，像该时钟的抖动或者该电源的噪声。有许多可能的方式应用反馈。可以控制该脉冲的宽度。反馈控制信号可以转换成数字信号(一比特或者多比特)并且应用在数字调制器之前、该调制器之后或者在多比特编码块中。
为了在该小型的扬声器内建造有源的信号处理部件，最重要的是该有源的信号处理部分尽可能小。由于具有三电平H型桥路的三电平调制器方案复杂性低，而且要求外部部件最小化，它非常适合于整个的集成入该小型的扬声器中。在一些情况下，该外部输出滤波器甚至可以完全地消除，则它是非常适合于整个的集成入该小型的扬声器中。
小型的扬声器例如可以是一个电动式扬声器或者基于压电驱动原理的一个扬声器。在压电扬声器情况下，包括一个低通滤波器的模拟滤波器必须插入在该H型桥路输出和该扬声器之间。这么做的理由是压电扬声器起该H型桥路的相当大的容性负载的作用。该H型桥路的输出信号包含大部分的高频噪声，如果这个高频噪声不消除，则效率将是相当差的。该模拟滤波器可以是一个简单的无源滤波器，诸如与该扬声器串联连接的一个线圈。如果喜欢的话，该滤波器可以包括有源的部件。在一些情况下，如果使用电动式扬声器，它也可能有意包含一个滤波器。
可能实现该驱动器接口以致接收模拟的或者数字的输入信号。在数字接口的情况下，可以实现该调制器电路与数字输入信号一起起作用。在模拟接口的情况下，可能实现该调制器电路以使它可以不需要单独的模数变换器。如果喜欢的话，它可能包括一个模数变换器，或者与该接口集成或者连接在该接口和该调制器之间。所叙述的实施例是基于数字实现的，但是该原理也适用于模拟实现。
本发明还提供小型的扬声器组件，在此该有源的信号处理电路作为具有模拟以及数字二者的所有的功能的单个ASIC(特定的应用集成电路)来实现。为了获得最小的费用，重要的是实现该有源的信号处理电路的总的芯片区域尽可能的小。这是通过在一个芯片上实现该有源电路的每个部分获得的。而且通过在一个芯片上集成每个部分，该有源的信号处理部分的模拟部分的性能改进的多了。例如如果该H型桥路中的晶体管没有很好的匹配，则该H型桥路的输出将不可避免地恶化了。通过将这些装置放置在相同的芯片上可以获得好的匹配。而且信号的寄生的容性负载通常在芯片上更好的被控制。这也对该性能有正向的影响。通过在相同的IC上实现所有的模拟功能块作为该数字部分，确信仅仅最小的模拟连接是在该芯片的外部。这对于抑制EMI是有益的。即使该有源的信号处理部分可以放置入该扬声器内，从而屏蔽EMI，但这个屏蔽永远不会是完全的。有各种措施来屏蔽来自该芯片外部的信号不受EMI影响，例如RC滤波器，反馈等等。
根据在上面描述的本发明，小型的扬声器组件包括一个驱动器，而且扬声器可以在许多不同的领域内的许多应用中应用。一个感兴的领域是移动的设备。该移动的设备可以是移动电话机，助听器，助听装置，头机(head-set)，掌上计算机或者膝上型计算机。
权利要求
1.一种适合于驱动扬声器的驱动器，其特征在于，该驱动器包括适合于接收输入信号的一个接口，一个三电平调制器，和一个三电平H型桥路。
2.根据权利要求1的驱动器，其特征在于，其中该接口适合于接收模拟输入信号。
3.根据权利要求1的驱动器，其特征在于，其中该接口适合于接收数字输入信号。
4.根据权利要求3的驱动器，其特征在于，其中该接口适合于接收和处理由下列构成的组中选择的信号格式SPDIF，AES/EBU，PCM，SSI和I2S。
5.根据前面的权利要求的任何一个权利要求的驱动器，其特征在于，其中该三电平调制器是在数字域中实现的。
6.根据权利要求1-4的任何一个权利要求的驱动器，其特征在于，其中该三电平调制器是在模拟域中实现的。
7.根据前面的权利要求的任一个权利要求的驱动器，其特征在于，还包括一个内插器。
8.根据前面的权利要求的任一个权利要求的驱动器，其特征在于，其中该三电平调制器包括一个三电平∑-Δ调制器。
9.根据前面的权利要求的任一个权利要求的驱动器，其特征在于，还包括一个电源电压调节器。
10.根据前面的权利要求的任一个权利要求的驱动器，其特征在于，还包括一个PLL。
11.根据前面的权利要求的任何一个权利要求的驱动器，其特征在于，其中该H型桥路是由校正电路控制的。
12.根据权利要求11的驱动器，其特征在于，其中该校正电路是根据RTZ方案工作的。
13.根据权利要求12的驱动器，其特征在于，其中该RTZ方案是电平相关的。
14.根据权利要求11-13的任一个权利要求的驱动器，其特征在于，其中该校正电路包括一个数字滤波器。
15.根据权利要求14的驱动器，其特征在于，其中该数字滤波器是1+Z-1滤波器。
16.根据权利要求11-15的任一个权利要求的驱动器，其特征在于，其中该校正电路包括一个码型发生器。
17.根据权利要求11-16的任一个权利要求的驱动器，其特征在于，其中该校正电路包括提供反馈信号的装置。
18.根据权利要求11-17的任一个权利要求的驱动器，其特征在于，其中该校正电路包括提供伪多比特编码的装置。
19.根据前面的权利要求的任一个权利要求的驱动器，其特征在于，其中该三电平H型桥路包括提供独立控制的至少4个开关。
20.根据前面的权利要求的任一个权利要求的驱动器，其特征在于，还包括一个滤波器，它的输入端连接到该驱动器的输出端。
21.根据权利要求20的驱动器，其特征在于，其中该滤波器包括一个低通滤波器部分。
22.根据权利要求20或者21的的驱动器，其特征在于，其中该滤波器包括一个线圈。
23.根据前面的权利要求的任一个权利要求的驱动器，其特征在于，还包括一个电源递升(set-up)电路，用于增加对该三电平H型桥路提供的电源电压的电平。
24.一种小型的扬声器组件，适合于变换第一电信号为声信号，其特征在于，该小型的扬声器组件包括根据前面的权利要求的任一个权利要求的驱动器，该驱动器适合于接收第一电信号并响应该第一电信号产生修改的第一电信号，以及一个扬声器，包括适合于接收该修改的第一电信号的电机，该电机还适合于驱动膜片，以致产生该声信号。
25.根据权利要求24的小型的扬声器组件，其特征在于，还可以包括一个控制电路，该控制电路电连接在该驱动器和该电机之间。
26.根据权利要求24或者25的小型的扬声器组件，其特征在于，其中该电机包括一个线圈和一个磁电路。
27.根据权利要求24或者25的小型的扬声器组件，其特征在于，其中该电机包括一个压电元件。
28.根据权利要求27的小型的扬声器组件，其特征在于，其中该控制电路适合于给该压电元件充电和放电。
29.根据权利要求28的小型的扬声器组件，其特征在于，其中充电和放电是通过转换在该压电元件和电压源之间的线圈实现的。
30.根据权利要求29的小型的扬声器组件，其特征在于，其中充电和放电是通过转换在该压电元件和电压源之间的电容器实现的。
31.根据权利要求24-30的任一个权利要求的小型的扬声器组件，其特征在于，其中该驱动器是放在以EMI屏蔽材料制造的机壳中。
32.一种移动的设备，其特征在于，包括根据权利要求24-31的任一个权利要求的小型的扬声器组件。
33，根据权利要求32的移动的设备，其特征在于，其中该移动的设备是从由下列构成的组中选择的移动电话机，助听器，助听装置，头机，掌上计算机和膝上型计算机。
全文摘要
本发明的第一方面提供适合于驱动诸如用于移动电话机或者助听器的小型扬声器之类的扬声器的小型高效率的驱动器。该驱动器包括用于接收输入信号的接口，三电平调制器和三电平H型桥路。该接口可以适合于接收数字输入信号。在该驱动器的优选实施例中，该H型桥路是由通过归零方案操作的校正电路控制的。在另外的优选实施例中，该驱动器包括一个电源电压递升电路，用于增加提供给该H型桥路的电压。在第二方面中，本发明提供具有内置驱动器的小型的扬声器组件。在第三方面中，本发明提供具有内置的小型的扬声器组件的移动设备。
文档编号H04R3/00GK1608393SQ02823597
公开日2005年4月20日 申请日期2002年12月2日 优先权日2001年11月30日
发明者克劳斯·厄德曼·福尔斯特, 亨利克·汤姆森, 拉尔斯·简恩·斯坦伯格, 詹斯·克里斯蒂安·波尔森 申请人:桑尼昂公司