专利名称：脉宽调制器设备和提供脉宽调制信号的方法
技术领域：
本发明大体涉及调制器，并且更具体地说，涉及具有双反馈的D类脉宽调制器(PWM, class-D pulse-width-modulator)。
背景技术：
D类开关音频放大器可在调制器块中采用连续时间、E -A型架构。例如，代替与高频斜坡信号(> IOx基带中的最高频率)一起被反馈进限幅器(slicer)/比较器的简单级联增益级，可使用积分器来实现在基带区域中具有非常高的增益的成形传输特性(shaped transfer characteristic),从而实现低失真。还可使用积分器来将开关噪声远 远地排除在感兴趣的频带外。通过直接从被引导进积分器的求和节点的输出端获得反馈信号来关闭整个回路。然而，在许多应用中-例如电池工作系统-输出级处的供电电压可在差不多2 I工作范围上变化。这使反馈进积分器的能量产生相应的变化，这会负面影响调制器稳定性，以及导致假象(artifact)，例如双峰调制。
发明内容
除了其他方面，本申请披露了一种调制器，其包括第一积分器，所述第一积分器被设置成接收输入信号和来自输出级的第一反馈信号；第二积分器，所述第二积分器被设置成接收所述第一积分器的输出和第二反馈信号；和比较器，所述比较器被设置成被连接至稳定电源电压，接收所述第二积分器的输出和调制信号，并提供所述输入信号的脉宽调制表示。所述输出级被设置成被连接至非稳定电源电压，并且所述第二反馈信号可包括所述比较器的输出的表示，所述第二反馈信号被设置成减少所述输入信号的所述脉宽调制表示中由所述非稳定电源电压的振幅改变所导致的假象。本申请还披露了一种提供脉宽调制信号的方法，包括在第一积分器处接收输入信号和第一反馈信号；在第二积分器处接收所述第一积分器的输出和第二反馈信号；在比较器处比较所述第二积分器的输出和调制信号；使用所述第二积分器的所述输出和所述调制信号的比较，提供所述输入信号的脉宽调制表示；和使用非稳定电源电压提供所述输入信号的所述脉宽调制表示的放大表示；其中提供所述输入信号的所述脉宽调制表示包括向所述比较器提供稳定电源电压；其中在所述第一积分器处接收所述输入信号和所述第一反馈信号包括从输出级接收所述输入信号的所述脉宽调制表示的所述放大表示的表示；其中所述第二反馈信号包括所述输入信号的所述脉宽调制表示的表示。该部分意在概述本专利申请的主题，而非排他性或穷尽性解释本发明，后续的具体实施方式
用于提供有关本专利申请的进一步信息。
在不必按比例绘制的附图中，相似的数字可以描述不同视图中的相似部件。具有不同字母后缀的相似数字可以表示相似部件的不同情况。附图通常通过示例的方式而非通过限制的方式阐述本申请中所讨论的各种实施例。图I大体示出了传统、差分、二阶、“无滤波” D类音频放大器架构的示例。图2大体示出了改进型双反馈、D类脉宽调制(PWM)架构的示例。图3示出了没有双峰行为同时放大静态信号(沉静(silence))时的输出的单个、正常开关周期。图4示出了双峰现象，其中一个输出相对于另一个相移。图5示出了双峰行为存在时的改进型调制器设计中的内部信号。图6大体示出了具有第二级的修正反馈的二阶D类调制器的内部信号。
具体实施例方式除了其他方面，本发明人发现了一种可减小或消除存在于被提供给二阶D类调制器的第二级的反馈中的输出电压依赖性的架构，因此，改善稳定性问题以及减轻双峰问题。图I大体描绘了传统、差分、二阶、“无滤波” D类音频放大器架构100的示例。架构100可包括调制器101和输出级102，所述输出级102被设置成驱动负载，例如，音频换能器103。输出级102可包括电平转换器(level shift) 104和驱动器105，例如，补偿推挽式驱动器，用于每个输出通道，例如右通道和左通道。在示例中，调制器101可包括波发生器106，例如三角波发生器，和用于向输出级102提供脉宽调制波形的比较器107、108。调制器101可使用第一和第二积分器109、110处 理进入信号IN+，IN-。在示例中，第一积分器109可包括第一运算放大器111。在示例中，第二积分器110可包括第二运算放大器112。在示例中，双反馈回路可被直接连接到输出级102的输出并且被反馈至第一和第二积分器109、110的求和节点。利用直接来自输出级-而不是来自上游的内部节点-的反馈通过将输出部分包括在整个回路中可在输出处产生输入信号(在基带中)的准确重构。然而，直接将两个反馈回路连接到输出级的输出可使反馈进积分器的能量产生变化，这会负面影响调制器稳定性，以及导致假象，例如双峰调制。图2大体示出了改进型双反馈、D类PWM架构200的示例。架构200可包括调制器201和输出级202，输出级202被设置成驱动负载，例如，用于提供声音的音频换能器203。输出级202可包括电平转换器204和驱动器205，例如，补偿推挽式驱动器，用于每个输出通道，例如右通道和左通道。在示例中，调制器201可包括波发生器206，例如用于提供三角波形的三角波发生器；和用于向输出级202提供脉宽调制波形的比较器207、208。调制器201可使用第一和第二积分器209、210处理进入信号IN+，IN-。在示例中，第一积分器209可包括第一运算放大器211。在示例中，第二积分器210可包括第二运算放大器212。在某些示例中，到第二积分器210的反馈路径212可从内部比较器输出节点引出，其轨到轨摆动可包括Vssi到Vddi。在某些示例中,Vssi到Vddi可以是稳定(恒定)电压-不像Vdd2和Vss2，Vdd2和Vss2可从电池或其它非稳定电压源引出。在示例中，第一和第二比较器207、208可接收来自第二积分器210的输出信号和来自波发生器206的周期信号，并且提供输入信号IN+，IN-的脉宽调制表示(representation)。在某些示例中，输出级202可接收输入信号IN+，IN-的脉宽调制表示，并且提供输入信号IN+, IN-的放大的、脉宽调制形式(version)。在某些示例中，放大器架构200可包括从输出级202的输出到第一积分器209的第一反馈路径211。第一反馈路径211可设置整体放大器基带增益，并且可生成输入误差信号以最小化噪声、失真和其它由输出级非线性导致的输出信号中的非理想问题。在某些示例中，进入D类调制器的第二积分器210的第二反馈路径212可将零引入系统传递函数，从而改进放大器架构200的回路稳定性。第二反馈路径212基本不影响实际的输出保真度(例如，失真、噪声的减轻)，因为反馈信号通过非常高的增益级(例如，第一积分器209)被从输入求和节点隔离开。该隔离允许这样的设计自由度将第二反馈路径212信号源从输出级202的输出改变至内部节点，但这些内部节点仍基本上代表输出级202的输出信号，通过这样做，第二反馈路径212不损害音频质量。当输出电源电压Vdd2处于高值时，出现放大器电路的双峰行为，从而产生到调制器的增大的反馈能量。在某些示例中，通过从第二积分器反馈路径212移除输出电源电压Vdd2依赖性可避免双峰调制。图3示出了没有双峰行为同时放大静态信号(沉静)时的输出的 单个、正常开关周期。输出级的正和负输出重叠，从而将零能量传送至差分连接负载(例如，扬声器)。图4描绘了双峰现象，其中一个输出相对于另一个相移。在所绘的示例数据中，正输出重叠负输出。标记“A”和“B “示出了时间平移。平均低频(基带)差分能量仍然是零，但一些不想要的高频能量被传送至负载，并且在其中被浪费。图5示出了双峰行为存在时调制器设计中的内部信号。该曲线图示出了三角波差分输出500、第一积分器差分输出501、第二积分器正差分输出502、和第二积分器负差分输出503。来自输出的交替差分误差信号(当输出相反(例如，不重叠)时的时间段)使第一积分器的输出在每个周期时到达零基线之上或之下。第二积分器通过对交替进行积分而作出响应。此外，当输出相反时，第二积分器可进行受输出电源电压的振幅影响的快速过校正。输出电源电压越高，过校正振幅的摆动越大，因此，系统展现和支持双峰操作的倾向越大。将第二积分器反馈信号的源从输出部分的输出处的可变电压摆动移动到恒定、稳定内电压摆动解决了第二积分器的过校正，并且可改善双峰行为，如图6中所示。图6大体示出了改进型二阶D类调制器(例如连续时间E -A型脉宽调制D类音频放大器)的内部信号，其具有第二级的修正反馈，该修正反馈将反馈的振幅依赖性从输出级处的电压摆动的振幅移除。振幅依赖性的消除导致在输出的电源轨处电源电压的更宽范围上的稳定回路操作，并减轻调制器中不规则假象(例如双峰行为)的可能性。可能的不规则假象的减轻可改进一系列移动电子设备(例如蜂窝电话和其它音频功能装置)的用户体验。附加说明&示例在不例I中，一种设备，包括第一积分器，所述第一积分器被设置成接收输入信号和来自输出级的第一反馈信号；第二积分器，所述第二积分器被设置成接收所述第一积分器的输出和第二反馈信号；和比较器，所述比较器被设置成被连接至稳定电源电压，接收所述第二积分器的输出和调制信号，并提供所述输入信号的脉宽调制表示。在该示例中，所述输出级被设置成被连接至非稳定电源电压，且所述第二反馈信号包括所述比较器的输出的表示，所述第二反馈信号被设置成减少所述输入信号的所述脉宽调制表示中由所述非稳定电源电压的振幅改变所导致的假象(artifact)。在示例2中，示例I可选地包括所述输出级，其中所述输出级被设置成提供所述输入信号的所述脉宽调制表示的放大表示，并且所述第一反馈信号包括所述输出级的输出的表不。在示例3中，示例1-2中任意一个或两个以上示例的所述调制信号可选地包括周期三角波形。在示例4中，示例1-3中任意一个或两个以上示例可选地包括调制信号发生器，所述调制信号发生器被设置成提供所述调制信号。在示例5中，示例1-4中任意一个或两个以上示例的所述调制信号可选地包括周 期三角波形。在示例6中，示例1-5中任意一个或两个以上示例可选地包括第二调制器，所述第二调制器包括第三积分器，所述第三积分器被设置成接收第二输入信号和来自第二输出级的第三反馈信号；第四积分器，所述第四积分器被设置成接收所述第三积分器的输出和第四反馈信号；和第二比较器，所述第二比较器被设置成被连接至所述稳定电源电压，接收所述第四积分器的输出和所述调制信号，并提供所述第二输入信号的脉宽调制表示。在该示例中，所述第二输出级被设置成被连接至非稳定电源电压，且所述第四反馈信号包括所述第二比较器的输出的表示，并且所述第四反馈信号被设置成减少所述第二输入信号的所述脉宽调制表示中由所述非稳定电源电压的振幅改变所导致的假象。在示例7中，示例1-6中任意一个或两个以上示例可选地包括集成电路,所述集成电路包括所述调制器。在示例8中，示例1-7中任意一个或两个以上示例的所述集成电路可选地包括所述输出级。在示例9中，一种系统包括调制器和输出级。所述调制器包括第一积分器，所述第一积分器被设置成接收输入信号和第一反馈信号；第二积分器，所述第二积分器被设置成接收所述第一积分器的输出和第二反馈信号；和比较器，所述比较器被设置成被连接至稳定电源电压，接收所述第二积分器的输出和调制信号，并提供所述输入信号的脉宽调制表示。所述输出级被设置成被连接至非稳定电源电压并提供所述输入信号的所述脉宽调制表示的放大表示。所述第一反馈信号包括所述输出级的输出的表示，并且所述第二反馈信号包括所述比较器的输出的表示，且所述第二反馈信号被设置成减少所述输入信号的所述脉宽调制表示中由所述非稳定电源电压的振幅改变所导致的假象。在示例10中，示例1-9中任意一个或两个以上示例可选地包括所述输出级，其中所述输出级被设置成提供所述输入信号的所述脉宽调制表示的放大表示，并且所述第一反馈信号包括所述输出级的输出的表示。在示例11中，示例1-10中任意一个或两个以上示例的所述调制信号可选地包括
周期三角波形。在示例12中，示例1-11中任意一个或两个以上示例可选地包括调制信号发生器，所述调制信号发生器被设置成提供所述调制信号。在示例13中，示例1-12中任意一个或两个以上示例的所述调制信号可选地包括周期三角波。在示例14中，示例1-13中任意一个或两个以上示例可选地包括电池，所述电池被设置成提供非稳定电源电压。在示例15中，示例1-14中任意一个或两个以上示例可选地包括扬声器，所述扬声器被连接至所述输出级并且被设置成使用所述输入信号的所述脉宽调制表示的所述放大表不来生成声音。在不例16中，一种方法包括在第一积分器处接收输入信号和第一反馈信号，在第二积分器处接收所述第一积分器的输出和第二反馈信号，在比较器处比较所述第二积分器的输出和调制信号，使用所述第二积分器的所述输出和所述调制信号的比较，提供所述输入信号的脉宽调制表示，和使用非稳定电源电压提供所述输入信号的所述脉宽调制表示的放大表示。所述提供所述输入信号的所述脉宽调制表示包括向所述比较器提供稳定电源电压，所述在所述第一积分器处接收所述输入信号和所述第一反馈信号包括从输出级接收 所述输入信号的所述脉宽调制表示的所述放大表示的表示，且所述第二反馈信号包括所述输入信号的所述脉宽调制表不的表不。在示例17中，示例1-16中任意一个或两个以上示例的所述在比较器处比较所述第二积分器的所述输出和所述周期调制信号可选地包括使用被连接至所述比较器的调制信号发生器来提供所述调制信号。在示例18中，示例1-17中任意一个或两个以上示例的所述提供所述调制信号可选地包括提供具有三角波形的调制信号。在示例19中，一种系统或设备可包括示例1-18中任意一个或两个以上示例的任意部分或任意部分的组合，或者可以可选地与示例1-18中任意一个或两个以上示例的任意部分或任意部分的组合相结合，以包括用于执行示例1-18中任意一个或两个以上功能的装置，或机器可读介质，其中，所述机器可读介质包括当由机器执行时使得机器执行示例1-18中任意一个或两个以上功能的指令。上述详细说明参照了附图，附图也是所述详细说明的一部分。附图通过举例说明的方式示出了可以实施本发明的具体实施例。在本申请中，这些实施例也可以称作“示例”。这些示例还可以包括除了所示出或所描述的那些要素以外的要素。然而，本发明人还设想了在其中仅提供了所示出或所描述的那些要素的示例。此外，本发明人还参照特定的示例(或者其一个或两个以上的方面)或者参照本申请所示出或所描述的其他示例(或者其一个或两个以上的方面)设想了使用所示出或所描述的那些要素(或者其一个或两个以上的方面)的任意组合或排列的示例。本申请所涉及的所有出版物、专利及专利文件全部作为本发明的参考内容，尽管它们是分别加以参考的。如果本申请与参考文件之间存在用途差异，则将参考文件的用途视作本申请的用途的补充，若两者之间存在不可调和的差异，则以本申请的用途为准。在本申请中，与专利文件通常使用的一样，术语“一”或“某一”表示包括一个或两个以上，但其他情况或在使用“至少一个”或“一个或多个”时应除外。在本申请中，除非另外指明，否则使用术语“或”指无排他性的或者，使得“A或B”包括“A但不是B”、“B但不是A”以及“A和B”。在本申请中，术语“包含”和“在其中”等同于各个术语“包括”和“其中”的通俗英语。同样，在所附的权利要求中，术语“包含”和“包括”是开放性的，即，系统、装置、物品或步骤包括除了权利要求中这种术语之后所列出的那些部件以外的元件的，依然视为落在该项权利要求的范围之内。而且，在所附的权利要求中，术语“第一”、“第二”和
“第三”等仅仅用作标签，并非对对象有数量要求。本申请所描述的方法示例可以是至少部分实现的机器或计算机。一些示例可以包括使用指令编码的计算机可读介质或机器可读介质，所述指令可操作以将电子设备配置为执行上面的示例中描述的方法。这些方法的执行可以包括代码，例如，微代码、汇编语言代码、高级语言代码等等。此类代码可以包括用于执行各种方法的计算机可读指令。该代码可以形成计算机程序产品的一部分。此外，在一个示例中，代码可以例如在执行期间或者其他时候有形地存储在一个或两个以上易失性的、非暂时性的或者非易失性的有形的计算机可读介质上。这些有形的计算机可读介质的示例可以包括但不限于硬盘、可移动磁盘、可移动光盘(例如，光盘(⑶)和数字视频光盘(DVD))、磁带、存储卡或棒、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等等。上面的描述旨在解说而非限制。例如，上面描述的示例(或者其一个或两个以上 的方面)可以相互结合使用。例如，本领域普通技术人员通过回顾上面的描述可以使用其他实施例。摘要被提供以符合37C. F. R. § I. 72 (b)，从而允许阅读者快速地确定技术公开的性质。应当理解的是，该摘要将不用于解释或限制权利要求的范围或意义。此外，在上面的具体实施方式
中，各种特征可以组合在一起以精简本公开。这不应理解成未要求的公开特征对任何权利要求来说是必不可少的。相反，创造性的主题可以依赖于比特定公开的实施例的所有特征更少的特征。因而，所附的权利要求以此方式并入具体实施方式
中其中每一个权利要求作为单独的实施例，并且设想可以以各种组合或排列将这些实施例相互结合。本发明的范围应当参照所附的权利要求以及与拥有这些权利要求的等同物的整个范围来确定。
权利要求
1.ー种脉宽调制器设备，包括 第一积分器，被设置成接收输入信号和来自输出级的第一反馈信号； 第二积分器，被设置成接收所述第一积分器的输出和第二反馈信号；和比较器，被设置成被连接至稳定电源电压，接收所述第二积分器的输出和调制信号，并提供所述输入信号的脉宽调制表示； 其中所述输出级被设置成被连接至非稳定电源电压；且 其中所述第二反馈信号包括所述比较器的输出的表示，所述第二反馈信号被设置成减少所述输入信号的所述脉宽调制表示中由所述非稳定电源电压的振幅改变所导致的假象。
2.如权利要求I所述的脉宽调制器设备，进一歩包括 调制信号发生器，被设置成提供所述调制信号，其中所述调制信号包括周期三角波形；和 所述输出级，其中所述输出级被设置成提供所述输入信号的所述脉宽调制表示的放大表不; 其中所述第一反馈信号包括所述输出级的输出的表示。
3.如权利要求I所述的脉宽调制器设备，进一歩包括第二调制器，所述第二调制器包括 第三积分器，被设置成接收第二输入信号和来自第二输出级的第三反馈信号； 第四积分器，被设置成接收所述第三积分器的输出和第四反馈信号；和第二比较器，被设置成被连接至所述稳定电源电压，接收所述第四积分器的输出和所述调制信号，并提供所述第二输入信号的脉宽调制表示； 其中所述第二输出级被设置成被连接至非稳定电源电压；且 其中所述第四反馈信号包括所述第二比较器的输出的表示，并且所述第四反馈信号被设置成減少所述第二输入信号的所述脉宽调制表示中由所述非稳定电源电压的振幅改变所导致的假象。
4.如权利要求I所述的脉宽调制器设备，进一歩包括集成电路，所述集成电路包括所述调制器。
5.如权利要求4所述的脉宽调制器设备，其中所述集成电路进一歩包括所述输出级。
6.如权利要求I所述的脉宽调制器设备，进一歩包括电池，所述电池被设置成提供所述非稳定电源电压。
7.如权利要求I所述的脉宽调制器设备，进一歩包括扬声器，所述扬声器被连接至所述输出级并被设置成使用所述输入信号的所述脉宽调制表示的放大表示来生成声音。
8.ー种提供脉宽调制信号的方法，包括 在第一积分器处接收输入信号和第一反馈信号； 在第二积分器处接收所述第一积分器的输出和第二反馈信号； 在比较器处比较所述第二积分器的输出和调制信号； 使用所述第二积分器的所述输出和所述调制信号的比较，提供所述输入信号的脉宽调制表不；和 使用非稳定电源电压提供所述输入信号的所述脉宽调制表示的放大表示； 其中提供所述输入信号的所述脉宽调制表示包括向所述比较器提供稳定电源电压；其中在所述第一积分器处接收所述输入信号和所述第一反馈信号包括从输出级接收所述输入信号的所述脉宽调制表示的所述放大表示的表示；且 其中所述第二反馈信号包括所述输入信号的所述脉宽调制表示的表示。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述在比较器处比较所述第二积分器的输出和所述调制信号包括使用被连接至所述比较器的调制信号发生器来提供所述调制信号。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述提供调制信号包括提供具有三角波形的调制信号。
全文摘要
本发明提供了一种脉宽调制器设备和提供脉宽调制信号的方法。除了其他方面，本申请披露了一种调制器，其包括第一积分器，所述第一积分器被设置成接收输入信号和来自输出级的第一反馈信号；第二积分器，所述第二积分器被设置成接收所述第一积分器的输出和第二反馈信号；和比较器，所述比较器被设置成被连接至稳定电源电压，接收所述第二积分器的输出和调制信号，并提供所述输入信号的脉宽调制表示。所述输出级被设置成被连接至非稳定电源电压，并且所述第二反馈信号可包括所述比较器的输出的表示，所述第二反馈信号被设置成减少所述输入信号的所述脉宽调制表示中由所述非稳定电源电压的振幅改变所导致的假象。
文档编号H03F3/217GK102739208SQ20121011079
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月16日 优先权日2011年4月15日
发明者威廉·D·卢埃林 申请人:快捷半导体(苏州)有限公司, 快捷半导体公司