放大器及放大器控制方法

专利名称：放大器及放大器控制方法
技术领域：
本发明涉及放大器，具体地涉及D类放大器，所述D类放大器包括调制级和对于所述调制级起反应的功率级，所述调制级具有用于接收输入信号的第一输入和用于产生调制的输入信号的输出；所述功率级包括在第一电压源和第二电压源之间串联耦合的第一晶体管和第二晶体管，所述功率级包括在第一晶体管和第二晶体管之间的节点处的输出。本发明还涉及控制这种放大器的方法。
背景技术：
有时被称作开关放大器的D类放大器典型地使用两个串联连接的功率晶体管，使得第一功率晶体管将输出切换到正电压源，而第二功率晶体管将输出切换到负电压源。功率晶体管典型地由脉宽调制的音频输入信号来控制。D类放大器是低功率应用中感兴趣的器件，原因在于D类放大器与传统使用的线性AB类放大器相比的高效率。D类放大器以前的缺点在于为了从已放大的调制信号中提取输出信号，而需要相对大容量的低通输出滤波器，从而例如在紧凑设计中限制D类放大器的适用范围。然而， P. Muggier 等人在 Proc. Int. Symp. Circuits and Systems, Vol. l,May 2004，1036-1039 页中公开了 通过结合3级脉宽调制(PWM)方案来使用桥式负载结构并且通过使用作为滤波器的磁扬声器的低通滤波行为，可以在D类放大器的设计中省去这种滤波器。因此，在例如移动通信的应用中，D类放大器对低功率扬声器的驱动器相当感兴趣，原因在于D类放大器比传统使用的AB类放大器具有更好的功率效率。但是，仍然必须克服设计挑战，以确保D类放大器尽可能高效地工作。为了优化信号放大，必须最小化功率晶体管的导通电阻(R。n)。这可以通过增大功率晶体管的尺寸来实现。然而，这种尺寸增大的结果却增加了功率晶体管级的空闲损耗，从而降低了 D类放大器的效率，并且如果放大器是电池供电的则减小了电池的寿命。功率晶体管栅极的充电电流和放电电流形成了这种损耗的绝大部分，并且其随功率晶体管的尺寸而成比例缩放。因此， D类放大器设计中主要的设计挑战之一是寻找最大音频输出功率与最大空闲损耗之间合适的平衡。

发明内容
本发明试图提供一种D类放大器，其中可以对寻找最大音频输出功率与最大空闲损耗之间的平衡进行自动地控制。本发明还试图提供用于一种针对D类放大器自动地控制最大音频输出功率与最大空闲损耗之间平衡的方法。根据本发明的方面，提供了一种放大器，所述放大器包括调制级，所述调制级具有用于接收输入信号的输入以及用于提供输入信号的调制输入信号的输出；多个功率级， 每个功率级响应于所述调制级，并且包括在第一电压源和第二电压源之间串联耦合的第一开关和第二开关，每个功率级包括在第一开关与第二开关之间的输出节点；以及功率级控制电路，所述功率级控制电路用于测量输入信号电平，并且根据测量的输入信号电平来使能选定个数的功率级。因此，根据本发明，放大级的尺寸与输入信号的强度动态匹配，使得信号放大因子总是尽可能地接近最佳值。因此，因为功率级的尺寸从不(实质上)大于针对输入信号强度的必要值，最小化了空闲损耗的量。在实施例中，调制级包括比较器，所述比较器还包括用于接收已调制参考信号的第二输入。在优选实施例中，功率级控制电路包括用于保持测量的输入信号电平的最大值的信号电平发生器，所述信号电平发生器布置为产生衰减输出信号，所述衰减输出信号具有在输入信号电平下降到所测量的最大值以下时基于测量的输入信号的最大值的预定衰减。 这种结构具有的优点在于对于快速弱化的输入信号(例如，关断的信号)，在禁用功率级时引入延迟，使得所述功率级的输出电流与输出电压之间的相位失配不会导致诸如在禁用功率级的时刻较大电流仍然流过功率级之类的问题。在另一实施例中，功率级控制电路还包括多个比较级，每个比较级具有用于接收信号保持元件的输出信号的第一输入以及用于接收另一参考信号的不同部分的第二输入， 每个所述比较级产生用于控制多个功率级中的唯一子集的输出信号。这是一种直接的实现方法；例如，对于2N个功率级，可以限定N个参考信号分数电平(1/N，2/N···，1)，使得每个参考信号分数电平被用于当信号保持元件的输出信号超过相关参考信号电平时激活功率级的子集。备选地，永久地使能功率级之一。这是在先实施例的简单化，所述在先示例基于以下认识对于特定设计，总是需要单独的放大级。放大器还可以包括与功率级的相应输出相连的扬声器。扬声器的低通滤波特性可以用于在放大器的设计中去除低通滤波器。可以将放大器集成到任何适宜的电子设备中。特别适宜的电子设备是电池供电的移动通信设备，因为本发明放大器的动态功率级连系尺寸(dimensioning)结构确保改善了移动通信设备的电池功率，从而提高了移动通信设备的可销售性。这种移动通信设备的例子包括移动电话、PDA、手持式计算机、笔记本、膝上型电脑等等。根据本发明的另一方面，提供了控制放大器的方法，所述放大器包括调制级，所述调制级具有用于接收输入信号的输入以及用于提供输入信号的调制输入信号的输出；以及多个功率级，每个功率级响应于所述调制级，并且每个功率级包括在第一电压源和第二电压源之间串联耦合的第一开关和第二开关，每个功率级包括在第一开关与第二开关之间的输出节点；所述方法包括测量输入信号电平；以及根据测量的输入信号电平来使能选定个数的功率级。因为最小化了空闲损耗，这种方法允许以更节能的方式操作放大器，具体地是D 类放大器。在实施例中，所述方法还包括产生信号强度指示信号，所述产生步骤包括针对强度增大的输入信号，产生作为信号强度指示信号的输入信号；保持所述增大输入信号电平的最大值；以及针对强度降低的输入信号电平产生衰减信号强度指示信号，所述衰减信号强度指示信号具有基于测量的输入信号电平的最大值的预定衰减。如前所述，这避免了过早地禁用功率级。在另一实施例中，所述方法还包括将信号强度指示信号与参考信号的多个不同部分相比较，每个比较结果提供针对功率级同子集的使能信号。这样做的优点在于容易实现这种功率级选择步骤。


将参考附图以非限制性示例的方式更加详细地描述本发明实施例，其中图1示意性地描述了现有技术的D类放大器；图2示意性地描述了 D类放大器的工作原理；图3示意性地描述了本发明D类放大器的实施例；图4示意性地描述了根据本发明实施例的D类放大器的一个方面；图5示意性地描述了根据本发明实施例的D类放大器的另一方面；图6示意性地描述了用于根据本发明实施例的D类放大器的控制信号；以及图7仍然示意性地描述了根据本发明实施例的D类放大器的又一方面。
具体实施例方式应该理解的是附图仅是示意性的，并且不是按照比例绘制。还应该理解的是贯穿附图，相同的参考数字用于指示相同或类似的部件。图1示意性地描述了 D类放大器100的已知体系结构。放大器100包括比较器 110，所述比较器110具有用于接收模拟输入信号212的输入112，以及在比较器110的输入 114上接收参考调制信号214。比较器110在其输出116上提供得到的脉宽调制输入信号 216。在图2中更详细地示出了比较器110的操作；比较器110连续地将模拟输入信号212 与周期性参考信号214相比较，从而生成输入信号212的脉宽调制输入信号216。将脉宽调制输入信号216转发至驱动级120，所述驱动级120用于向功率级130中的电源开关132和134提供控制信号。电源开关可以是任意适合的类型，例如，CMOS或双极晶体管(例如，BiCMOS晶体管)。如图1所示，电源开关132和134中的每个开关均包括在其源极和漏极之间的背栅二极管。电源开关132和134在正电压源140和负电压源150 之间(例如，在电源电压和地之间)串联连接。节点136位于电源开关132和134之间的电流路径中，所述节点136产生功率级130的输出信号。功率级130的输出信号是放大的脉宽调制输入信号216。功率级130的输出信号转发至扬声器160。扬声器160的低通特性确保了将放大的脉宽调制输入信号216转换为放大的模拟输入信号212。从输出136到扬声器160的信号路径还可以包括诸如晶体管162和电容器164之类的信号整形部件，所述电容器164可以使其板之一与前述信号路径相连，而使其板中的另一块板与地166相连。应该理解的是D类放大器100的多种其它结构也是可行的。例如，放大器可以具有例如在先前提及的Muggier等人的论文中公开的桥式负载结构(也被称作H桥输出结构)， 所述桥式负载结构避开了对单独的低通滤波器的需求。应该重申的是对于没有滤波器的D 类放大器设计，优选使用3级调制信号214。在先前提及的Muggier等人的论文中详细地公开了这种调制信号的特性。备选地，可以在输出136和扬声器160之间包括低通滤波器，以从放大的脉宽调制输入信号216中提取已放大的输入信号212。此外，D类放大器中的输入信号的调制不限于模拟输入信号。可以将脉宽调制同样地施加到数字信号(例如，比特流)上。此外，可以使用其它类型的调制；例如，还可以将脉冲密度调制(PDM)施加到输入信号上，以产生用于开关驱动级120的驱动信号。例如图1所示的D类放大器的体系结构的问题在于基于最大放大需求来设计由功率级130提供的放大级。这样做的结果在于如果需要小于最大输出信号的信号，则功率级 130实质上过大。这样做的缺点在于在空闲期间，消极地影响了功率级130的空闲损耗， 即大于所期望的损耗。本发明以如下方式解决了这个问题。如图3所示，根据本发明实施例的D类放大器300包括数模转换器310，所述数模转换器310用于将在输入112接收到的输入信号212 的数字版本转换为输入信号212的模拟版本。显然，可以在输入信号212已经是模拟形式或数字输入信号将被调制的情况下省去数模转换器310。放大器300还包括调制级110，所述调制级110可以实现任何适当类型的调制。在实施例中，调制级110包括比较器，其中使用参考信号214(未示出)来调制模拟输入信号212，以提供如图2所示的输入信号212的脉宽调制输入信号216。将调制输入信号216 (例如PWM输入信号)转发至包括开关驱动器120和多个功率开关级130(未示出)的改进功率级330。这将在稍后被更详细地示出。D类放大器300 还包括功率级使能电路340，所述功率级使能电路340根据音频输入信号112的信号强度产生一个或多个控制信号342。所述一个或多个控制信号342用作针对功率开关级130的相应子集的使能信号。借助于图4更详细地示出这种结构。功率级控制电路340包括整流电路410，所述整流电路410产生音频输入信号212的整流音频输入信号412。整流输入信号412转发至将在下文更详细说明的信号电平发生器420。信号强度发生器420的输出转发至多个比较电路442-444，每个比较电路布置为产生针对功率开关级130的不同子集的使能信号。功率级控制电路340还包括参考信号发生器430，所述参考信号发生器430布置为产生预定信号强度的参考信号。向相应的比较级442-444提供这种参考信号强度的不同部分。在图4中，向比较级444提供这种参考信号的全强度(full strength)，向比较级443 提供这种参考信号全强度的2/3，以及向比较级444提供这种参考信号全强度的1/3。例如， 这可以通过在从参考信号产生器430分别到比较级443和442中的信号路径中包括相应的信号分配器431和432(例如，电阻器)来实现。在图4中，功率级控制电路340配置为向八个不同的功率开关级130提供使能信号。恒定使能信号发生器441向图4中标记为W]的功率开关级提供永久使能信号。比较级442向标记为[1]的单个功率开关级提供使能信号。比较级443向标记为[2-3]的一对功率开关级提供使能信号。比较级444向标记为W-7]的四个功率开关级提供使能信号。在操作中，功率开关级130之一(S卩，标记为
的功率开关级)总是接通，而，当信号强度发生器420产生的信号强度超过由负责产生用于相应功率开关级的使能信号的比较级接收的参考信号的部分强度时，仅使能其余功率开关级130。应该理解的是，只是作为非限制示例示出了图4中的功率级控制电路340的实现。 在图4中，经由公式2n来选择比较级的数目，其中2N是功率开关级130的数目，以及N是表示比较级数目的正整数，第η个比较级为2η个功率开关级130提供使能信号，其中0 <Ν(η是整数)。作为非限制示例，在图4中N= 3。应该理解的是D类放大器300可以具有任何适当数目的功率开关级130，并且在功率级控制电路340中具有任何适当数目的比较级。类似地，没有必要设计功率级控制电路来使得比较级442-444中的每个比较级产生的使能信号的数目等于2的幂。图5更详细地以示意的方式描述了信号电平发生器420的示例实施例。在操作中， 信号电平发生器420布置为在已整流输入信号412的强度没有减小时，跟随已整流输入信号412的强度。对于减小强度的输入信号412，信号电平发生器420的输出信号优选地以预定方式(比如，以负指数函数的方式减小而非跟随已整流输入信号412)衰减。当功率级 330的输出电流与其输出电压异相时，预定衰减函数是特别有利的。在这种场景中，诸如负指数函数之类的衰减函数阻止了功率开关级130突然关断而大电流仍然流过所述级130。 因此，这种衰减函数的使用阻止了由不想要的开关事件造成的由功率级330产生的输出信号的质量的劣化。为了实现适当的衰减函数，信号电平产生器420可以包括比较器级510，所述比较器级510适于将输入的整流输入信号412与内部产生的校正信号532相比较。将两个输入信号中的最大信号转发至510的输出。将得到的信号422转发至如前所述的比较级 442-444。此外，将所得到的信号422周期性地存储在例如由时钟信号控制的锁存器或触发器之类的存储器元件520中。例如混合器530之类的衰减发生器配置用于以根据存储器元件520提供的信号522和从多路复用器540接收的控制信号来产生相关信号532，所述多路复用器讨0以非限制的示例方式包括四个输入Μ1-544和控制端子Μ5。混合器530布置为将从存储器元件520获得的输出信号512与具有小于1但是大于0的值的缩放因子相乘。可以在多路复用器MO的不同输入处限定不同的缩放因子，以实现不同的衰减特性。因此，由存储器元件520和混合器530形成的回路在信号532大于输入信号412时利用负指数函数来减小信号522。然而应该理解的是执行诸如时间延迟、线性衰减函数或迟滞衰减函数之类的预定衰减的其它类型衰减函数同样地适用。其它合适的衰减函数对于本领域技术人员来说将是显而易见的。在本发明的上下文中，衰减函数包括通过衰减级430使用足够大的衰减来简单地再生减小的输入信号412的函数，以去除功率开关级130的电压域和电流域之间任何相差的影响。借助于图6更详细地说明根据本发明实施例的具有八个功率开关级130的D类放大器300的各种操作模式。参考信号电平630是参考信号发生器430输出处的参考信号电平，参考信号电平631是信号分配器431输出处的参考信号电平，以及参考信号电平632 是信号分配器432输出处的参考信号电平。如图6所见，在初始阶段期间，已整流的输入信号412具有0值。换句话说，已整流输入信号412的强度(幅度)小于任何其它参考信号 630-632的强度(电平)，使得比较级442-444均未产生使能信号。因此，只有图4中标记为W]的永久使能功率开关级接通。在时刻tl，已整流输入信号412的强度快速增大到参考信号630-632的强度以上。 如结合图5所说明的一样，信号电平发生器420的输出信号422没有衰减的跟随这种增大。在时间间隔tl-t2，已整流输入信号412在参考信号630-632的电平以上的最大值与参考信号630-632的电平以下的最小值之间振荡。然而，振荡频率使得输出信号422的衰减从不下降到参考信号630的电平以下，使得所有的比较级442-444在时间间隔tl_t2期间的所有时刻保持产生使能信号，使得在该间隔期间永久性地使能图4中标记为
-[7]的所有功率开关级130。在时刻t2，输入信号212及其已整流版本412的强度下降到极低的电平，使得信号的最大幅度保持在参考信号632的电平以下。然而，由于信号电平发生器420的输出信号 422的延迟衰减，这并不会导致对功率开关级130的立即禁用。相反，衰减的输出信号422 在t3与参考信号630的电平交叉，因此由于比较级444在这个时刻停止产生使能信号的事实而导致延迟禁用图4中标记为W-7]的功率开关级130。在t4，衰减的输出信号422与参考信号631的电平交叉，因此由于比较级443在这个时刻停止产生使能信号的事实而导致延迟禁用图4中标记为[2-3]的功率开关级130。图7示意性地描述了本发明D类放大器300中的功率级330的示例实施例。功率级330具有响应于从脉宽调制级110的输出处116接收的输入信号212的脉宽调制版本 216的开关驱动器120。功率级330具有多个子级130(即，先前被称作功率开关级)。在图 7中，仅以非限制性示例的方式示出了三个这样的子级。在子级(130_0、130_1和130_2)的每个子级中的诸如PMOS功率晶体管132和nMOS功率晶体管134之类的功率开关的控制端子(例如，栅极)经由相应的使能开关710和720与开关驱动器120相连，其中可以由来自功率级控制电路340的不同使能信号(例如，比较器442-444和/或使能信号发生器441中的不同比较器和/或发生器产生的信号)控制子级130的每个子级的使能开关710和720。 一些子级的使能开关710和720可以共享如前所述的相同使能信号。在子级130之一的使能开关710和720受使能信号发生器441控制的情况下，即子级130之一的使能开关710 和720可以永久使能的情况下，可以基于该原因而在备选实施例中省去该子级的使能开关 710和720。在实施例中，如图7所示，使能开关710布置为使pMOS功率晶体管在正电压源端子140与开关驱动器120之间切换，而使能开关720布置为使nMOS功率晶体管在负电压源端子150与开关驱动器120之间切换。这确保了电源开关132和134在其控制端子(例如，栅极)与这些电压源端子相连时被有效地截止。然而，应该理解的是用于选择性地使能一个或多个子级130的备选结构同样可行。例如，开关驱动器120可以适于从比较级442-444接收使能信号，以选择性地产生针对适当子级130的控制信号，即将适当pMOS晶体管132的控制端子切换到正电压源140，并且将适当nMOS晶体管134的控制端子切换到负电压源150。换句话说，可以任何适宜的方式 (例如使得可以省去分离的开关710和720的方式)将开关710和720的功能集成到开关驱动器120中。备选地，可以在单独的电源域中形成子级130，其中仅当存在由功率级控制电路340的相应比较级产生的使能信号时，才向子级提供功率。应该注意的是上述实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员在不背离所附权利要求范围的情况下能够设计多种备选实施例。在权利要求中，位于圆括号之间的任何参考标记不应该解释为限制权利要求。词语“包括”不排除存在权利要求所列元件或步骤之外的元件或步骤。元件之前的词语“一个”不排除存在多个这种元件。可以通过包括若干不同元件的硬件来实现本发明。在列举了若干装置的设备权利要求中，这些装置中的若干装置可以由一个装置和硬件的相同部件来实现。在互不相同的从属权利要求中记载特定特征的唯一事实并不表示不可以有利地使用这些特征的组合。
权利要求
1.一种放大器(300)，包括调制级(110)，所述调制级(110)具有用于接收输入信号012)的输入(112)以及用于提供输入信号012)的调制输入信号016)的输出(116)；多个功率级(130)，每个功率级响应于所述调制级，并且每个功率级包括在第一电压源 (140)和第二电压源(150)之间串联耦合的第一开关(132)和第二开关(134)，每个功率级包括在第一开关与第二开关之间的输出节点(136)；以及功率级控制电路(340)，用于测量输入信号电平，并且根据测量的输入信号电平来使能选定个数的功率级。
2.如权利要求1的放大器(300)，其中，调制级包括比较器，所述比较器还包括用于接收已调制参考信号014)的第二输入(114)。
3.如权利要求1的放大器(300)，其中，所述多个功率级的个数是2的幂。
4.如权利要求1-3中任一项的放大器(300)，其中，功率级控制电路(340)包括用于保持测量的输入信号电平012)的最大值的信号电平发生器G20)，所述信号电平发生器布置为产生衰减输出信号，所述衰减输出信号具有在输入信号电平下降到所测量的最大值以下时基于测量的输入信号的最大值的预定衰减032)。
5.如权利要求4的放大器(300)，其中，功率级控制电路(340)还包括多个比较级 042-444)，每个比较级具有用于接收信号电平发生器(420)的输出信号(42 的第一输入以及用于接收另一参考信号(630、631、632)的不同部分的第二输入，每个所述比较级产生用于使能多个功率级(130)中的唯一子集的输出信号。
6.如权利要求5的放大器(300)，其中，永久地使能功率级(130)之一。
7.如权利要求1-6中任一项的放大器(300)，还包括在调制级(110)和多个功率级 (130)之间的驱动器电路(120)，所述驱动器电路(120)用于向每个功率级提供控制信号。
8.如权利要求1-7中任一项的放大器，其中，第一和第二开关(132，134)是MOS晶体管或双极晶体管。
9.如权利要求1-8中任一项的放大器(300)，还包括与功率级(130)的相应输出(136) 相连的扬声器(160)。
10.一种电子装置，包括如权利要求1-9中任一项所述的放大器(300)。
11.一种控制放大器(300)的方法，所述放大器包括调制级(110)，所述调制级(110)具有用于接收输入信号012)的输入(112)以及用于提供输入信号012)的调制输入信号016)的输出(116)；多个功率级(130)，每个功率级响应于所述调制级，并且每个功率级包括在第一电压源 (140)和第二电压源(150)之间串联耦合的第一开关(132)和第二开关(134)，每个功率级包括在第一开关与第二开关之间的输出节点(136)；所述方法包括测量输入信号电平012)；以及根据测量的输入信号电平来使能选定个数的功率级(130)。
12.如权利要求11的方法，还包括产生信号强度指示信号022)，所述产生步骤包括针对强度增大的输入信号，产生作为信号强度指示信号的输入信号012)；保持所述增大的输入信号电平的最大值；以及针对强度降低的输入信号电平产生衰减信号强度指示信号，所述衰减信号强度指示信号具有基于测量的输入信号电平的最大值的预定衰减(432)。
13.如权利要求12的方法，还包括将信号强度指示信号与参考信号的多个不同部分 (430,431,432)相比较，每个比较结果提供针对功率级(130)的不同子集的使能信号。
全文摘要
公开了一种D类放大器(300)，所述D类放大器(300)包括调制级(110)、多个功率级(130)和功率级控制电路(340)；所述调制级(110)具有用于接收输入信号(212)的输入(112)以及用于提供调制的输入信号输入信号(216)的输出(116)；每个功率级对所述调制级起反应，并且包括在第一电压源(140)和第二电压源(150)之间串联耦合的第一开关(132)和第二开关(134)，每个功率级包括在第一开关与第二开关之间的输出节点(136)；以及所述功率级控制电路(340)用于测量输入信号电平，并且根据测量的输入信号电平来使能选定个数的功率级。还公开了一种控制这种D类放大器的方法。
文档编号H03G3/20GK102571000SQ20111039158
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月25日 优先权日2010年11月26日
发明者卢岑·卢德格斯·埃尔伯塔斯·亨德里克斯·多普, 威尔弗兰德·瑞普克, 马克·伯克豪特 申请人:Nxp股份有限公司