专利名称：开关功率放大器和控制开关功率放大器的方法
技术领域：
本申请基 于35 U. S. C. § 119(a)要求于2008年7月16日提交到韩国知识产权局 的第10-2008-0069311号韩国专利申请和于2009年3月31日提交到韩国知识产权局的第 10-2009-0027754号韩国专利申请的优先权，所述申请的内容通过引用全部包含于此。本发明总体构思涉及一种开关功率放大器，更具体地说，涉及一种通过将输入音 频信号转换为脉宽调制(PWM)信号，从PWM信号中去除载波频率，并调制所述PWM信号以便 PWM信号具有用于功率级(power stage)操作的新频率，从而去除功率放大单元的非线性 的功率放大器。
背景技术：
A类功率放大器、B类功率放大器和AB类功率放大器通常被用作线性模拟功率放 大器。这些线性模拟功率放大器具有良好线性但提供低效率，因此导致大的功率损失。为 了解决这个问题，已提出了提供高效率的开关功率放大器(也被称为D类功率放大器)。这 些开关功率放大器基本上将输入信号变为脉宽调制(PWM)信号，并使用功率开关级(power switch stage)来放大所述输入信号。然而，由于功率开关级的非线性，开关功率放大器的 性能会恶化。所述功率开关级的非线性使总谐波失真(THD)恶化，并产生带外噪声，从而使 信噪比(SNR)恶化。另外，由于连接到所述开关功率放大器的功率开关级的功率单元的非 线性和纹波使得在输出信号中产生噪声。发明的公开技术方案本发明总体构思提供一种开关功率放大器以及控制所述开关功率放大器的方法， 所述开关功率放大器改变输入到功率级的脉宽调制(PWM)信号的频率，以便去除所述开关 功率放大器的非线性。有益效果根据本发明总体构思的实施例，输入PWM信号被调制，以具有与最初包括在所述 输入PWM信号中的载波频率分量不同的开关频率，从而改善功率放大单元的频率特性，并 校正所述功率放大单元的非线性。
图1是示出现有技术中的开关功率放大器的框图；图2是示出现有技术中的另一开关功率放大器的框图；图3是示出现有技术中的另一开关功率放大器的框图；图4是示出根据本发明总体构思的示例性实施例的开关功率放大器的框图；图5是根据本发明总体构思的示例性实施例的数字脉宽调制(PWM)信号产生单元 的框图；图6是示出根据本发明总体构思的示例性实施例的模拟PWM信号产生单元的框图；图7 A至图7D是示出在图4中示出的开关功率放大器中执行的信号处理的过程的 参考图；图8是更加详细地示出在图4中示出的开关功率放大器的一部分的电路图；图9是示出包括在图4中示出的开关功率放大器中的功率放大单元和解调滤波单 元的示例性实施例的电路图；以及图10是根据本发明总体构思的示例性实施例的控制开关功率放大器的方法的流 程图。最佳方式本发明总体构思的示例性实施例提供一种开关功率放大器，所述开关功率放大器 包括脉宽调制(PWM)信号产生单元，用于将输入音频信号转换为具有预定载波频率的PWM 信号；校正单元，用于对包括在所述PWM信号中的音频信号与负反馈输出音频信号之间的 差进行校正，以产生校正后的PWM信号；低通滤波器，用于从校正后的PWM信号中去除高频 分量；频率调制单元，用于调制校正后的PWM信号，以便校正后的PWM信号具有与输入PWM 信号的载波频率不同的开关频率；功率放大单元，用于放大调制的PWM信号的功率。本发明总体构思的示例性实施例提供一种开关功率放大器，所述开关功率放大器 包括数字信号产生单元，用于将输入的脉冲编码调制(PCM)信号转换为脉宽调制(PWM)信 号，所述数字信号产生单元包括上采样单元，用于对输入PCM信号进行上采样；样本变换 单元，用于将上采样后的输入PCM信号变换为具有载波频率的变换后的PCM信号；噪声整形 单元，用于从可听频带(audible band)中去除所述变换后的PCM信号的量化噪声分量；PWM 单元，用于将所述变换后的PCM信号转换为具有载波频率的PWM信号。所述数字信号产生单元还可包括频率调制单元，用于从所述PWM信号中去除载 波频率，并用于向所述PWM信号加入开关频率；放大器，用于在所述开关频率放大所述PWM 信号的功率。本发明总体构思的示例性实施例提供一种开关功率放大器，所述开关功率放大器 包括信号产生单元，用于将输入的脉冲编码调制(PCM)信号转换为具有预定频率的脉宽调 制(PWM)信号；频率调制单元，用于从所述PWM信号中去除载波频率，并用于向所述PWM信号 加入开关频率；放大器，用于在所述开关频率放大所述PWM信号的功率，以产生放大的信号。所述频率调制单元还可包括校正单元，用于对所述PWM信号和放大的信号之间 的差与所述PWM信号进行求和；低通滤波器，用于从所述PWM信号中去除所述预定频率；调 制单元，用于向所述PWM信号加入开关频率。所述频率调制单元还可包括运算放大器，用于接收所述PWM信号，并用于输出调 制的PWM信号；第一负反馈路径，连接到所述运算放大器的正极端，用于从所述PWM信号中 去除所述预定频率，并用于向所述PWM信号加入开关频率；第二负反馈路径，连接到所述运 算放大器的正极端，用于传送调制的PWM信号，并用于校正所述PWM信号和所述调制的PWM 信号之间的误差。
具体实施例方式现将详细地描述本发明总体构思的实施例，实施例的例子在附图中示出，其中，相同的标号始终指示相同的部件。以下通过参照附图描述实施例，以便解释本发明总体构思。 图1是现有技术中的开关功率放大器的示例的框图。开关功率放大器使用脉宽调 制(PWM)方法，其中，在PWM方法中，通过开关来执行放大。参照图1，PWM单元11将输入信 号PCM调制为PWM信号，放大单元12根据取决于所述PWM信号的开关操作来放大所述输入 信号，滤波单元13可以是低通滤波器，从放大的输入信号中提取音频波形。如上所述，由于 放大单元12的非线性，图1的传统开关功率放大器造成输出信号的失真。为了防止由放大单元12的非线性导致的失真，现有技术中已使用了利用负反馈 的反馈控制方法。图2和图3是现有技术中的开关功率放大器的其他示例的框图。参照图2和图3，在现有技术中，为了防止由开关功率放大器的非线性导致的失 真，从放大单元22输出的放大的信号通过反馈单元24进行负反馈，或者滤波单元33的输 出通过反馈单元34进行负反馈。在现有技术中，从所述输入信号中减去输入信号和输出信 号之间的差或向所述输入信号加入所述输入信号和输出信号之间的差，以便校正系统的非 线性。如现有技术中的图2和图3的开关功率放大器中所示，在反馈路径上分别需要模数 转换器(ADC) 25和ADC 35。将ADC 25和ADC 35包括进来导致了信号延迟，并增加了开关 功率放大器的制造成本和尺寸。另外，图2和图3的开关功率放大器无法补偿存在于放大单元22和23的误差源。 如上所述，在数字放大器的开关功率放大操作中，在输出信号中产生非线性和噪声。由于组 成放大单元的诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的晶体管的特性而导致非线 性，其中，所述晶体管的特性包括在开关期间晶体管的上升时段之间的差、在开关期间晶 体管的下降时段之间的差以及其他因素。非线性引起带外量化噪声，因此不仅使总谐波失 真(THD)恶化，而且使信噪比(SNR)恶化。这些开关功率放大器需要高的开关频率，以便具 有好的频率响应和低失真。多数开关功率放大器使用IOOkHz或更高的开关频率。这种高 的开关频率需要开关功率放大器的每个组件高速运行。然而，现有技术中的典型的图2和 图3的开关功率放大器不工作在IOOkHz或更高的开关频率。相反，开关操作使用具有由调 制器21和调制器31产生的固定频率的PWM信号。因此，难以产生适合于开关功率放大器 组件的频率特性的PWM信号和使用适合于放大单元22和放大单元32的频率特性的开关频 率。因此，本发明总体构思提供一种开关功率放大器，所述开关功率放大器去除包括 在输入PWM信号中的载波频率，并向所述输入PWM信号加入新的开关频率。现将参照附图更充分地描述本发明总体构思，其中，在附图中示出了本发明总体 构思的示例性实施例。图4是根据本发明总体构思的示例性实施例的开关功率放大器400的结构的框 图。参照图4，开关功率放大器400可包括PWM信号产生单元410、误差校正和频率调制单 元420、功率放大单元430和解调滤波单元440。PWM信号产生单元410将输入音频信号转换为具有预定载波频率的PWM信号V1, 并输出具有所述预定载波频率的PWM信号V1。输入音频信号是脉冲编码调制(PCM)信号， 其中，PCM信号是数字信号。PWM信号产生单元410把将通过输入PCM信号进行传输的数据 转换为通过脉宽调制编码后的PWM信号V1。
在图5和图6中更加详细地示例性地示出PWM信号产生单元410的实施例。图5是根据本发明总体构思的示例性实施例的数字PWM信号产生单元510的框 图。参照图5，数字PWM信号产生单元510可包括上采样单元511、样本变换单元512、噪声 整形单元513和PWM单元514。当输入的b比特PCM信号的采样频率为fs时，上采样单元 511和样本变换单元512对所述b比特PCM信号进行上采样，以输出具有高于原始采样频率 fs的频率NXfs (这里，N为整数)的PCM信号。噪声整形单元513将包括在由样本变换单 元512输出的PCM信号中的可听频带的量化噪声分量移到可听 频带外。PWM单元514将由 噪声整形单元513输出的PCM信号转换为PWM信号，并输出所述PWM信号。图6是根据本发明总体构思的示例性实施例的模拟PWM信号产生单元610的框 图。参照图6，模拟PWM信号产生单元610可包括数模转换器(DAC) 611、滤波单元612、 三角波产生单元613和比较器614。在DAC 611中，输入的数字PCM信号被转换为模拟PCM 信号，经由滤波单元612，所述模拟PCM信号被输入到比较器614。比较器614通过使用由 三角波产生单元613产生的具有载波频率fc的三角波信号和从滤波单元612接收的模拟 PCM信号来产生具有载波频率fc的模拟PWM信号。参照回图4，当具有预定载波频率的PWM信号V1被产生时，误差校正和频率调制单 元420将负反馈输出信号V5与输入PWM信号V1进行比较，并校正与上述两个信号之间的差 相应的误差。误差校正和频率调制单元420从输入PWM信号V1中去除载波频率分量，并向 所述输入PWM信号加入与所述载波频率分量不同的开关频率。更具体地说，校正单元421计算从PWM信号产生单元410输出的PWM信号V1和从 功率放大单元430输出并具有由增益控制单元424控制的增益值的负反馈输出信号V5之 间的差，并将其输出。与包括在PWM信号V1中的输入音频信号和包括在负反馈输出信号V5 中的输出音频信号之间的差相应的误差通过负反馈而被校正。低通滤波器422从自校正单 元421输出的校正后的PWM信号V2中去除高频分量，从而只传输音频信号分量。高频分量 不仅包括PWM信号V1中所包括的载波频率分量，而且包括用于驱动功率放大单元430的开 关频率分量。如稍后所述，在本示例性实施例中，包括在PWM信号V1中的载波频率分量与 用于驱动功率放大单元430的开关频率不同，因此从校正单元421输出的校正后的PWM信 号V2包括低频带音频信号、PWM信号V1的载波频率分量和负反馈输出信号V5的开关频率分 量。低通滤波器422从校正后的PWM信号V2中去除作为高频分量的载波频率分量和开关 频率分量，并输出仅包括低频带音频信号的校正后的PWM信号。频率调制单元423调制校正后的PWM信号V3,以便与PWM信号V1的载波频率分量 不同的新的开关频率分量被加入校正后的PWM信号V3。各种频率调制方法可被用于向校正 后的PWM信号V3加入新的开关频率分量。例如，可使用Sigma-delta调制方法。或者，频率 调制单元423可通过使用自激振荡来调制所述校正后的PWM信号V3,在自激振荡中，频率调 制单元423的输出端经由负反馈连接到频率调制单元423的输入端。其他有效的调制方法 可被用来代替这里所述的方法。从频率调制单元423输出的PWM信号V4具有与PWM信号 V1的载波频率不同的开关频率。功率放大单元430根据PWM信号V4的开关频率来放大PWM 信号V4。解调滤波单元440从自功率放大单元430输出的信号V5中去除高频分量。在PWM 类型放大器中，由于以较高速率对输出信号进行开关操作，并且脉冲的幅度相当大，因此可连续产生尖 脉冲。因此，PWM类型放大器可在外围部件内产生电磁干扰(EMI)。如果产生的 EMI量少，则可从在图4中示出的开关功率放大器400中去除解调滤波单元440。图7A至图7D是示出在图4中示出的开关功率放大器中执行的信号处理的过程的 参考图。可在频域中查看从PWM信号产生单元410输出的PWM信号Vp如图7A中所示， PWM信号V1可被划分为低频带中的音频信号分量和高频带中的具有频率NXfs的载波信号 分量。如图7B中所示，在由校正单元421获得的与PWM信号V1和负反馈输出信号V5之间 的差相应的校正后的PWM信号V2中共存的不仅有PWM信号V1的音频信号分量和载波信号 分量，而且有通过负反馈接收的负反馈输出信号V5的开关频率分量Fsw。如图7C中所示， 低通滤波器422从校正后的PWM信号V3中去除高频带中的载波信号分量和开关频率分量， 因此仅发送音频信号分量。如图7D中所示，为了驱动功率放大单元430，频率调制单元423 对从低通滤波器422输出的校正后的PWM信号V3进行调制，并向PWM信号V1加入与载波频 率分量不同的新的开关频率分量Fsw，从而输出PWM信号V4。如上所述，功率放大单元430 通过使用新加入的开关频率分量Fsw而工作在高频，从而放大PWM信号V4。图8是根据本发明总体构思的示例性实施例的开关功率放大器800的电路图，图 8更加详细地示出图4的开关功率放大器400的示例性实施例。在图8中，为了方便说明， 通过集中在误差校正和频率调制单元810来示出开关功率放大器800。误差校正和频率调 制单元810相应于图4的误差校正和频率调制单元420。如上所述，Sigma-delta调制方法可被用于向滤波后的PWM信号加入新的开关频 率。参照图8，频率调制单元816可包括第一负反馈路径814，用于提供PWM信号S2的负 反馈；OP放大器815，用于校正误差值，并用于执行自激振荡。OP放大器815计算经由第二 负反馈路径820接收的输出PWM信号和输入PWM信号之间的差，以便执行图4的校正单元 421的功能，并且OP放大器815还执行图4的频率调制单元423的功能。第一负反馈路径 814与OP放大器815协作来执行频率调制单元423的功能，并用作图4的低通滤波器422。具有预定载波频率的输入PWM信号Sl通过OP放大器815进行自激振荡，并因此变 为具有与输入PWM信号Sl的载波频率不同的开关频率的PWM信号S2。由OP放大器815输 出的PWM信号S2的频率变化取决于包括在第一负反馈路径814中的电容器Cl、电容器C2和 电阻器R4以及功率放大单元830的传播延迟。如果功率放大单元830的传播延迟相当小， 则由OP放大器815输出的PWM信号S2的频率f2与值(kX Rin+2R1 XC)/ (Rin X 4 X Cl X C2) 成比例，与PWM信号Sl的频率f 1无关，其中，Rin是功率放大单元830的输入阻抗，k表示 预定常数。因此，在本发明总体构思的实施例中，可通过控制如上所述的这些参数来设置用 于驱动功率放大单元830的新的开关频率。用于驱动功率放大单元830的开关频率的值可被设置为各种值。例如，为了提高 功率放大单元830的放大效率，参数可进行设置，以便PWM信号S2的开关频率具有小于PWM 信号Sl的载波频率的值。或者，为了在宽频带频率范围内放大PWM信号，可设置误差校正 和频率调制单元810的电阻器R4、电容器Cl和电容器C2的值，以便PWM信号S2的开关频 率具有大于PWM信号Sl的载波频率的值。尽管图8示出二阶Sigma-delta调制方法的应用，但是本发明总体构思不受限于 所述二阶Sigma-delta调制方法，可使用更高阶的Sigma-delta调制方法来产生具有与输入PWM信号的频率不同的开关频率的PWM信号。如上所述，功率放大单元830通过由误差 校正和频率调制单元810输出的具有新加入的开关频率的PWM信号S2而被连通，并输出功 率放大的PWM信号。第二负反馈路径820将由功率放大单元830输出的所述功率放大的PWM信号发送 到误差校正和频率调制单元810的OP放大器815的负极端。第二负反馈路径820被用于 对由功率放大单元830输出的所述功率放大的PWM信号S2的增益值进行控制，并对进行了 增益控制的功率放大的PWM信号S2和输入到第二负反馈路径820的PWM信号Sl之间的误 差进行校正。图9是图4的开关功率放大器400的功率放大单元430和解调滤波单元440的示 例性实施例的电路图。参照图9，作为功率放大单元430的示例性实施例的功率放大单元 910可包括2个FET晶体管Pl和晶体管P2。功率放大单元910的FET晶体管Pl和晶体管 P2通过具有由误差校正和频率调制单元810设置的新的开关频率的第二 PWM信号S2而工 作在推拉模式下。换句话说，功率放大单元910通过重复下述的操作来放大第二 PWM信号 S2的功率当FET晶体管Pl连通时，FET晶体管P2断开；当FET晶体管P2连通时，FET晶 体管Pl断开。作为 滤波单元440的示例性实施例的滤波单元920可包括电感器921和电容器 922，并从功率放大单元910的输出信号中去除高频分量。根据上面描述的实施例，输入PWM信号被调制为具有与最初包括在所述输入PWM 信号中的载波频率分量不同的开关频率，从而改善功率放大单元的频率特性，并校正功率 放大单元的非线性。图10是根据本发明总体构思的示例性实施例的控制开关功率放大器的方法的流 程图。参照图10，在操作1010中，输入音频信号被转换为具有预定载波频率的PWM信号。在操作1020中，包括在PWM信号中的音频信号和负反馈输出音频信号之间的差被 校正，以产生校正后的PWM信号。更具体地说，输入PWM信号与从功率放大单元经过负反馈 的输出PWM信号进行比较，从输入PWM信号中减去输入PWM信号和负反馈输出PWM信号之 间的差或向输入PWM信号加入所述输入PWM信号和负反馈输出PWM信号之间的差，从而对 与所述差相应的误差进行校正。在操作1030中，通过使用低通滤波器，从校正后的PWM信号中去除高频分量。如 上所述，由于包括在输入PWM信号中的载波频率与用于驱动功率放大单元的开关频率是不 同的，因此由校正单元输出的所述校正后的PWM信号包括低频带音频信号、输入PWM信号的 载波分量和输出PWM信号的开关频率分量。因此，通过低通滤波器，从校正后的PWM信号中 去除作为高频分量的载波分量和开关频率分量。在操作1040中，校正后的PWM信号被调制为具有与包括在输入PWM信号中的载 波频率不同的开关频率。由于作为高频分量的开关频率分量已在操作1030中被去除， 因此用于驱动功率放大单元的新的开关频率可被加入校正后的PWM信号。因此，可根据 Sigma-delta调制方法、通过自激振荡或者通过其他任何有效的调制方法来执行调制，在所 述调制中，新的开关频率分量被加入校正后的PWM信号。在操作1050中，功率放大单元对调制的PWM信号进行放大。
尽管已示出和描述了本发明总体构思的一些实施例，但是本领域的技术人员将认 识到在不脱离本发明总体构思的原理和精神的情况下，可在这些实施例中进行改变，其 中，本发明总体构思的范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.一种开关功率放大器，所述开关功率放大器包括脉宽调制(PWM)信号产生单元，用于将输入音频信号转换为具有预定载波频率的PWM 信号；校正单元，用于对包括在所述PWM信号中的音频信号与负反馈输出音频信号之间的差 进行校正，以产生校正后的PWM信号；低通滤波器，用于从校正后的PWM信号中去除高频分量，以产生输出的音频信号； 频率调制单元，用于调制校正后的PWM信号，以便校正后的PWM信号具有与输入PWM信 号的载波频率不同的开关频率，从而产生调制的PWM信号；以及 功率放大单元，用于放大调制的PWM信号的功率。
2.如权利要求1所述的开关功率放大器，其中，所述频率调制单元根据Sigma-delta调 制方法来调制校正后的PWM信号。
3.如权利要求1所述的开关功率放大器，其中，所述频率调制单元通过使用自激振荡 来调制校正后的PWM信号。
4.如权利要求3所述的开关功率放大器，其中，所述频率调制单元的输出端通过负反 馈连接到所述频率调制单元的输入端。
5.如权利要求1所述的开关功率放大器，其中，所述PWM信号是数字信号。
6.如权利要求1所述的开关功率放大器，其中，所述PWM信号产生单元包括数模转换器(DAC)，用于将输入的数字脉冲编码调制(PCM)信号转换为模拟PCM信号； 三角波产生单元，用于产生具有载波频率的三角波信号；以及 比较器，用于将具有载波频率的三角波信号与模拟PCM信号进行比较，以产生具有载 波频率的模拟PWM信号。
7.如权利要求1所述的开关功率放大器，所述开关功率放大器还包括增益控制单元，安置在所述输出音频信号的负反馈路径上，所述增益控制单元控制所 述输出音频信号的增益值。
8.如权利要求1所述的开关功率放大器，其中，所述频率调制单元调制校正后的PWM信 号，以便校正后的PWM信号具有小于所述输入PWM信号的载波频率的开关频率，从而提高功 率放大单元的放大效率。
9.如权利要求1所述的开关功率放大器，其中，所述频率调制单元调制校正后的PWM信 号，以便校正后的PWM信号具有大于所述输入PWM信号的载波频率的开关频率，从而在宽频 带频率范围内放大PWM信号。
10.一种控制开关功率放大器的方法，所述方法包括 将输入音频信号转换为具有预定载波频率的PWM信号；对包括在所述PWM信号中的音频信号与负反馈输出音频信号之间的差进行校正，以产 生校正后的PWM信号；从校正后的PWM信号中去除高频分量；调制校正后的PWM信号，以便校正后的PWM信号具有与输入PWM信号的载波频率不同 的开关频率，从而产生调制的PWM信号；以及 放大所述调制的PWM信号的功率。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述调制步骤根据Sigma-delta调制方法来调制校正后的PWM信号。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述调制步骤通过使用自激振荡来调制校正后 的PWM信号。
13.如权利要求10所述的方法，其中，所述校正步骤包括将输入PWM信号与从功率放大单元经过负反馈的输出PWM信号进行比较；以及 从输入PWM信号中减去输入PWM信号和负反馈输出PWM信号之间的差。
14.如权利要求10所述的方法，其中，所述校正步骤包括将输入PWM信号与从功率放大单元经过负反馈的输出PWM信号进行比较；以及 将输入PWM信号和负反馈输出PWM信号之间的差加入输入PWM信号。
15.如权利要求10所述的方法，其中，所述调制步骤调制校正后的PWM信号，以便校正 后的PWM信号具有小于所述输入PWM信号的载波频率的开关频率，从而提高功率放大单元 的放大效率；并且所述调制的步骤调制校正后的PWM信号，以便校正后的PWM信号具有大于 所述输入PWM信号的载波频率的开关频率，从而在宽频带频率范围内放大PWM信号。
全文摘要
一种具有脉宽调制(PWM)信号产生单元、校正单元、低通滤波器、频率调制单元和功率放大单元的开关功率放大器，其中，所述PWM信号产生单元将输入音频信号转换为具有预定载波频率的PWM信号；所述校正单元对包括在所述PWM信号中的音频信号与负反馈输出音频信号之间的差进行校正，以产生校正后的PWM信号；所述低通滤波器从校正后的PWM信号中去除高频分量；所述频率调制单元调制所述校正后的PWM信号，以便校正后的PWM信号具有与输入PWM信号的载波频率不同的开关频率，以产生调制的PWM信号；所述功率放大单元放大所述调制的PWM信号的功率。
文档编号H03F3/217GK102100001SQ200980127902
公开日2011年6月15日 申请日期2009年7月16日 优先权日2008年7月16日
发明者朴海光 申请人:三星电子株式会社