数字音频转换器和放大器控制器的制作方法

本发明涉及包括滤波器和混合器的可编程脉冲宽度调制(pwm)控制器领域，该pwm控制器例如用于数字音频转换器和数字放大器控制器、包括所述pwm控制器的芯片、包括所述pwm控制器或所述芯片的设备，及其用途。

背景技术

本发明的一方面涉及一种数字控制器，该数字控制器输出脉冲宽度调制(pwm)信号并使用输出信号的反馈来校正任何误差。本发明还涉及其中根据模数转换器(adc)的输出得到反馈信号以产生“混合信号pwm控制器”的实现方式。

这种控制器的主要应用是音频放大器，其中pwm信号可以用于驱动开关(d类)放大器。在开关放大器之后，通常存在输出滤波器，该输出滤波器被提供用于去除高频开关分量并产生平滑的输出信号。所述输出信号可以被馈送到扬声器。这种控制器中的adc能够直接在扬声器处测量信号，即在输出滤波器之后测量信号。随后可以进一步配置数字控制器以例如具有高的环路增益以抑制可能在开关放大器和输出滤波器中出现的信号的非理想性(non-ideality)。

传统上，开关放大器根本不使用反馈(图1a)，或者它们使用模拟反馈环路并且在输出滤波器之前采用反馈(图1b)。这些模拟系统通常仅具有适度的滤波器复杂度(最常见的是二阶环路滤波器)。这被发现导致较少的环路增益和较少的对来自开关放大器的非理想性的抑制，甚至根本不对源自输出滤波器的非理想性进行抑制。

原则上可以通过增加其滤波器阶数来增加模拟反馈环路的增益。然而，通常不会这样做，因为模拟滤波器部件的可变性需要复杂的校准机制，或者需要显著的回退余量(back-offmargin)以允许公差。回退余量削弱了较高阶滤波器的大部分优点。

也可以使用利用在输出滤波器之后的反馈的模拟环路滤波器(参见图1c)[adduci等人，在“switchingpoweraudioamplifierswithhighimmunitytothedemodulationfiltereffects”中，j.audioeng.soc.，第60卷第12期，2012年12月]。然而，为了保持环路滤波器稳定，通常必须采取进一步的措施，例如必须对输出滤波器进行补偿。在模拟情况下，对输出滤波器的补偿通常利用辅助局部反馈环路来完成。这被发现降低了外环的误差抑制的有效性(在高频下)，此外还需要大量的无源部件，所述无源部件还需要是可编程的以跟踪输出滤波器中的分量变化。

对(lc)输出滤波器的补偿在数字域中可以更有效。通过仔细设计数字补偿滤波器，这在具有完整全局反馈的单个环路中是可能的(参见图1d)[mouton等人，在“digitalcontrolofapwmswitchingamplifierwithglobalfeedback”中，aes37thint.conf.，2009]。

与在输出滤波器之后的反馈结合的环路滤波器的数字实现确实需要adc将输出信号数字化。该adc优选地具有用于音频级信号转换的高分辨率以及低延迟，以避免环路稳定性的劣化。adc优选地还容许高频开关分量的残留。

上述adc要求的全部或部分的组合是非典型的。可以通过使用昂贵的超裕度设计(overdesign)的通用adc[例如，上述的mouton]或者通过使用针对应用而专门定制的adc[wo2014/094913a1]来满足要求。

各种专利文献阐述了数字放大器。

非常通用的专利是wo2002/078179a1，其涉及具有许多种类的数字处理的d类放大器。

us6,498,531b1阐述了具有用于在输出滤波器之前和之后的反馈的模数转换器的系统，该系统是实际数字反馈放大器的实施方式。所述系统在具有其两个反馈环路的情况下未针对高环路增益而被优化，并且仅具有一阶环路滤波器。

wo2009/153449a1和wo2009/153450a1阐述了数字输入d类音频放大器，其具有数字化反馈以及辅助局部反馈环路。

现有技术的可编程脉冲宽度调制器的一些示例可以在下述文献中得到：de102012102504a1；us2005/052304a1；以及wo2013/164229a1，而iftekharuddin等人在appliedoptics，opticalsoc.中，美国，美国华盛顿特区，第33卷第8期，1994年3月10日，1457-1462页描述了与蝶形互连网络有关的背景技术。de102012102504a1阐述了数据转换器中的pwm，其使用自适应限制器，但是其被认为不是非常灵活，因为它不能作为整体被调整或编程，更不用说其各个部件。例如，环路滤波器300不是可编程的，因为系数具有固定值。其仅示出具有两个输出的一个pwm，所述输出固有地相互依赖。其包括用于选择输入的复用器，但其不能对信号进行混合。us2005/052304a1阐述了具有多个路径的pwm调制电路，所述多个路径在名义上是异相的并且在模拟求和器中组合。但同样，环路滤波器部件不是可编程的，并且它们的输出也不能被混合。替代地，它们执行特定于此数据转换器的专用噪声整形功能。wo2013/164229a1描述了具有可调节模拟环路滤波器的d类音频放大器，但是该调节在有限数目的预定义选项之间自动完成，这取决于调制器频率设置。这与此处介绍的完全可编程数字多用途环路滤波器非常不同。

本发明的一个目的是克服现有技术的数字音频转换器和放大器控制器的缺点，而不损害功能和优点。

技术实现要素：

本发明的第一方面涉及一种根据权利要求1的例如用于数字音频转换器或数字放大器控制器的可编程脉冲宽度调制(pwm)控制器，第二方面涉及一种包括所述转换器和控制器的设备，第三方面涉及所述设备的用途，并且第四方面涉及一种包括所述设备的产品。本发明涉及数字部件，该数字部件可以被实现成能够实现通用且仍具有成本效益的控制器。本可编程pwm控制器提供鲁棒的环路滤波器，该环路滤波器在整个音频频带上具有较低的总谐波失真(thd)。在示例中，相对于整个音频频带(20hz-20khz)上的输入信号，thd小于0.004％，如从涉及测量结果的图2b可以看出。在示例中，本控制器可以用于高端音频放大器和有源扬声器系统。应用还包括a/d转换器、电源控制器、电机控制器及其组合。本控制器还可以用于控制有源降噪系统，用作通用高速闭环控制器以及用作高分辨率低延迟数据转换器。本控制器的示例包括独立可配置的八个通道；配置可以被容易地扩展到例如八个通道的倍数。同样，控制器可以并行使用。另外，不需要使用所有通道，在这种情况下保留一些冗余。控制器可以包括一个或更多个adc，通常每通道一个adc。通常，所述adc的动态范围大约高达120db。adc的采样率通常在几兆赫兹的范围内以实现低延迟。本控制器通常提供音量控制和软静音模式。在说明书和附图中提供了本可编程混合信号pwm控制器的一些细节。

本pwm控制器包括用于环路增益和信号处理的至少两个并联环路滤波器，优选地至少四个环路滤波器，更优选地至少八个环路滤波器(参见例如图3)。环路滤波器包括多个输入和至少一个即单个输出(miso)。通常，每环路滤波器可以存在相对大的数目的输入，例如5-100个输入，优选地10-50个输入，更优选地20-40个输入，例如25个输入。例如，在八个并联环路滤波器的情况下，可以提供8*3个反馈信号：与局部pwm数字信号有关的第一反馈信号，与表示adc的差分输入电压的数字信号有关的第二反馈信号以及表示adc的共模输入电压的第三信号。第25个信号则是由数字接口提供的输入信号(还称为pcm信号)。对于四个并联环路滤波器，将存在4*3+1＝13个信号。通用公式可以是n*3+1，其中，n是通道的数目，并且n≥2。在不具有局部pwm反馈的系统中，类似的推理得到n*2+1个信号。在不具有pwm反馈且不具有共模adc信号的系统中，将得到n+1个信号。每个输出与至少一个蝶形混合器电连接(参见图7)。至少一个蝶形混合器能够将至少两个输入混合并提供至少两个经混合的输出。通过对输入进行混合，获得进一步改善的输出信号。输出被提供给至少两个并联脉冲宽度调制器(pwm’s)，优选地4个并联pwm’s，更优选地8个并联pwm’s。环路滤波器的数目优选地等于pwm’s的数目。本环路滤波器、蝶形混合器和pwm’s均是分别且独立地可编程和可调整的(图3)，以例如用于前馈信号处理或用于反馈环路；环路滤波器输入15可以适于使用经pwm处理的输出信号(45)中的至少一个(或多个的综合)作为输入以产生局部反馈环路；环路滤波器还可以适于使用adc(300)中的至少一个(或多个的综合)的输出作为输入；pwm输出(55)可以用于驱动外部电路，例如d类功率级，外部电路的输出信号可以由adc进行数字化，从而形成全局“混合信号”反馈环路；替选地，adc还可以用于对另外的输入信号进行数字化，使得环路滤波器能够以前馈方式进行进一步的信号处理。由此，可以容易地调整本pwm控制器，针对给定应用优化本pwm控制器，并且可以改善信噪比等。

因此，本发明提供了对于一个或更多个上述问题的解决方案。

贯穿本说明书来详细说明本描述的优点。

发明的详细描述

本发明的第一方面涉及根据权利要求1的pwm控制器。

在本控制器中，环路滤波器可编程且可调整以执行以下操作中的至少一个：脉冲编码调制(pcm)输入信号的内插、共模控制、差模控制、音频处理、音频滤波、音频增强和lc补偿(参见图4)。环路滤波器可编程且可调整并且能够执行所述动作被认为是优于现有技术的控制器的显著优点。本控制器在设计和/或操作上提供了大的自由度，以例如将本控制器布置成与期望的结构匹配。

在本控制器中，环路滤波器输入(15)适于接收反馈环路中的经局部数字pwm处理的输出信号(45)和adc输出中的至少一个。

本控制器包括用于加载、调整和存储可编程且可调整的设置的至少一个设置数据存储装置(440)。

在本控制器中，环路滤波器输入(15)适于接收反馈环路中的经局部数字pwm处理的输出信号(45)和adc输出中的至少一个(参见例如图3)。对于特定情况，这提供了另外的优点；例如，在斜升时，环路支持该过程，或者以类似的方式在不存在或不使用adc时，局部反馈环路支持控制器。在本控制器单独用于信号处理时，可能不存在反馈。

在本控制器中，pwm包括具有可调整且可编程的形状、相位和频率的载波信号38(参见例如图10，元件39)，其中，通过脉冲宽度调制器42将载波信号与输入信号35进行比较以产生输出信号45(参见例如图10)。

在本控制器的示例性实施方式中，环路滤波器包括至少3个，优选地至少5个，更优选地至少7个滤波器级75(参见例如图5至图6)。取决于边界条件和要求，可以使用例如4-9个滤波器级，例如6个和8个滤波器级；较多的滤波器级显然影响成本和复杂性，因此鉴于上述，通常限制滤波器级的数目。每个级包括下述中的至少一个：(a)具有至少一个系数80的输入11；(b)反馈系数82；(c)前馈系数81；(d)加法器71；(e)具有至少一个系数90的输出24；以及(f)包括经处理的信号的寄存器85。所述系数可以将所述信号缩放(乘以)可编程因子。可以对加法器之后的处理信号进行再量化，以使其字长适合寄存器的宽度(f)。可以通过在后续采样中将该量化误差反馈回加法器中来应用噪声整形。示例性实施方式使用两个寄存器来存储过去的量化误差，并因此应用所谓的“二阶噪声整形”。因此，本控制器在所使用的部件数目、针对给定输入的适应性、输出性能等方面非常通用。

注意，现有技术的模拟系统最多包括有限数目的滤波器级，通常仅两个并且最多大约四个滤波器级。对于二阶模拟环路滤波器，其在功能方面在某种程度上与本环路滤波器相当，环路增益在大约1khz处已经开始下降，而总谐波失真(thd)在较高频率处(通常在20khz以上)劣化。相比之下，本数字环路滤波器具有高达20khz的高环路增益和大约100khz的单位增益频率以及350khz的pwm开关频率。

本控制器包括能够存储限幅电平和零检测中的至少一个的至少一个数据存储装置440，例如寄存器或存储器，其中，所存储的信号85的限幅电平和零检测是分别且独立地可编程的。例如，零检测窗口的宽度是可编程的；如果信号落在该窗口内，则零检测(信号)变得活跃。

在示例性实施方式中，本控制器包括具有馈入系数60-62的至少一个可调整且可编程的线性斜坡发生器。这提供了以下中的至少一个：输入音量控制60、控制通常在反馈信号之间的交叉衰落(crossfade)61、62以及逐步施加dc偏移(参见例如图5，元件60-62)。

在示例性实施方式中，本控制器包括用于加载、调整和存储可编程且可调整设置的至少一个设置数据存储装置440，例如寄存器或存储器。

在本控制器的示例性实施方式中，蝶形混合器包括至少两个级，其中，在初始级，两个环路滤波器的输出被混合以形成经混合的初始级输出，并且其中，在另外的级中，两个经混合的先前级的输出被混合以形成经混合的另外级输出(参见例如图7至图9)。混合向系统增加了mimo(多输入多输出)滤波功能，从而增加了其通用性，并且使得其能够用在需要控制多种信号模式的系统中。

在本控制器的示例性实施方式中，蝶形混合器包括至少三个或更多个级，例如4-8个级，例如5-6个级(图7至图9)。原则上，每个附加的级提供进一步的改进。此外，利用每个另外的级来增强灵活性和可编程性。注意，在n个级的情况下，可以混合2ⁿ个输入。原则上，任何输入都可以与另外的输入进行混合。

在本控制器的示例性实施方式中，第一通道的载波信号38被编程为与另一通道的载波信号38相位同步和/或频率同步。有时，对于给定的应用，这是操作本设备的边界条件。有时，两个或更多个通道是例如相位同步的。有时，使用具有不同相位的多个pwm信号来控制单个放大器等。因此，在这种意义上还可以对本控制器进行调整和编程。

在本控制器的示例性实施方式中，pwm载波信号38不存在或被禁用41以使通道“自由运行(freerunning)”，而不强制进行固定频率的pwm；实际上，这是利用本设备的另一可用选项(参见例如图10)。

在示例性实施方式中，本控制器包括至少一个数字输入接口(参见例如图11，元件410)，至少一个数字输入接口适于读入脉冲编码调制(pcm)数字信号，从而向环路滤波器20提供输入10，通常为每环路滤波器一个pcm(参见例如图3)。

在示例性实施方式中，本控制器包括用于将模拟信号转换为数字信号的至少一个模数转换器(adc)，通常为每环路滤波器一个adc(参见例如图3)。这样的adc直到最近才可用。

在本控制器的示例性实施方式中，pwm’s40向至少一个交叉器(crossbar)50提供输出45，交叉器包括至少两个输出55，优选地至少四个输出，输出的数目通常等于pwm信号55的数目(参见例如图3)。其优点是例如在较高级别(非芯片)处，例如在pcb上，设计变得较容易并且具有较大的自由度。

在本控制器的示例性实施方式中，交叉器适于对至少两个输出55进行置换。

在示例性实施方式中，本控制器包括外加处理器400，外加处理器400用于以下中的至少一个：pcm输入信号的内插和环路滤波器输出信号的抽取(参见例如图11，元件400)。这进一步改善了当前信号。

在示例性实施方式中，本控制器包括滤波器500，滤波器500用于在环路滤波器输出被传递到数字输出接口之前通过下采样来处理滤波器输出(参见例如图11，元件500)。滤波器可以是移动平均滤波器。

在示例性实施方式中，本控制器包括滤波器500，滤波器500用于在环路滤波器输出被传递到后续处理器之前通过下采样来处理滤波器输出(参见例如图11)。滤波器可以是移动平均滤波器。

与利用简单滤波器设置的下采样有关的上述两个实施方式可以有助于减轻以下缺点，该缺点与在环路滤波器中使用的通常高采样率下的后处理的能力不足有关。

在示例性实施方式中，本控制器包括预滤波器450，预滤波器450用于减少去往环路滤波器的反馈信号15中的高频量化噪声。

在第二方面，本发明涉及一种集成电路，该集成电路包括根据本发明的可编程pwm控制器。

在第三方面，本发明涉及一种电子设备，该电子设备包括根据本发明的集成电路或根据本发明的可编程pwm控制器。电子设备的示例是音频放大器、有源扬声器系统、有源降噪系统、高速闭环控制器、高分辨率低延迟数据转换器、a/d转换器、电源控制器、电机控制器以及其组合。

尽管在详细的说明性上下文中描述了本发明，但是可以结合所附示例和附图来最佳地理解本发明。

附图说明

图1a至图1d、图2a至图2b以及图3至图11示出了本控制器的细节。

具体实施方式

附图是示例性的。可以组合附图中的元件。

在附图中：

10pcm输入信号

11滤波器级输入

12输入信号的缩放副本

15pwm反馈信号和adc反馈信号

16另外的输入通道

17最终输出滤波器级

20可编程环路滤波器

22加法器输入

23加法器输出

24级输出信号

25输出信号环路滤波器

30蝶形混合器

31(相同)蝶形元件

35输出信号蝶形混合器/pwm输入

36可编程pwm设置

37可编程pwm载波设置

38pwm载波

39pwm载波发生器

40脉冲宽度调制器(pwm)

41选择或禁用载波

42减法

431比特量化器

44选择正常输出或反相输出

45pwm输出信号

50交叉器

55控制器输出信号

60-62馈入系数

65-66输入选择器/组合器

70第一滤波器级信号求和

71正常滤波器级求和

75滤波器级

76级输入信号

77级输出信号

78级反馈信号

80-82缩放系数

85存储寄存器

90输出系数

95加法器

100(数字)控制器

105蝶形输入

110输入缩放(例如50％)

115输入选择

125可编程加法器

130可编程加法器输出

135可编程限幅器(clipper)

140限幅残留

145反相器

150复用器

155加法器

160蝶形输出信号

200集成电路

201数字输入

202减法器

203减法器输出

204数字环路滤波器

205模拟或数字输入信号

206减法器

207残留信号

208模拟环路滤波器

209模拟环路滤波器输出

210模拟脉冲宽度调制器

211数字环路滤波器输出

212数字pwm

215pwm输出

220功率级

225功率级输出

227反馈网络

228反馈网络输出

229adc输出

230输出滤波器(lc)

231辅助反馈回路

232辅助反馈信号

235输出滤波器输出/负载输入

240负载

300模数转换器(adc)

305差模adc输出

310共模adc输出

315模拟adc输入

400(可选)数字信号处理器(dsp)

405串行接口输入

410串行数字数据接口

415串行接口输出

420时钟发生单元

430控制接口

435控制接口输出

440控制/设置寄存器

445控制寄存器输出

450用于反馈信号(15)的可选预滤波器

500简单抽取滤波器(第1级抽取器)

505抽取滤波器输出

图1a(现有技术)示出了不具有反馈的传统d类开关放大器，其中，模拟或数字输入信号(205)被馈送到脉冲宽度调制器(210)，其输出(215)控制功率级(220)。功率级输出(225)在其到达负载(240)之前通过(lc)输出滤波器(230)。

图1b(现有技术)示出了类似于图1a的开关放大器，但现在具有模拟反馈。功率级的输出通过反馈网络(227)被反馈，并且从模拟输入(205)中减去结果(228)。残留(207)被馈送到模拟环路滤波器(208)。这种反馈(控制)系统在环路滤波器具有合适增益的那些频率区域中将残留(207)保持得较小。这使得抑制了由pwm(210)或输出级(220)产生的误差。

图1c(现有技术)示出了类似于图1b的开关放大器，但现在包括来自在输出滤波器之后的模拟反馈(228)。控制原理与在图1b的系统中的原理类似，但是还具有下述另外的益处：来自输出滤波器(230)的误差现在也被抑制。在反馈环路中并入输出滤波器确实会使环路滤波器的设计复杂化。为了保持环路稳定，通常增加辅助反馈环路(231)。

图1d示出了具有数字控制器(100)的开关放大器。输出(235)由模数转换器(300)进行数字化。控制策略与图5c中的模拟反馈环路类似，但具有下述益处：在数字域中设计在保持反馈环路稳定的同时实现良好的误差抑制的复杂滤波器会容易得多。

图2a示出了五阶数字环路滤波器如何能够实现与二阶模拟滤波器相比高得多的环路增益的示例。

图2b示出了在使用本控制器的100w功率放大器的输出处测量的thd+n结果。

图3示出了可编程pwm控制器的数字核。输入信号(10)和反馈信号(15)在左侧进入环路滤波器(20)，在信号被可编程环路滤波器滤波之后，它们(25)被馈送到蝶形混合器(30)，其可以组合各种环路滤波器输出。产生的信号(35)被馈送到实际的脉冲宽度调制器(40)。交叉器(50)可以在脉冲宽度调制信号(45)被系统输出(55)之前对它们进行置换。

图4示出了用于立体声音频放大器的具有h桥功率级并且每个桥由两个pwm信号驱动的控制器的示例性配置，这两个pwm信号是共模环路滤波器输出和差模环路滤波器输出的混合。由于可以利用低滤波器阶数来控制共模，所以这些环路滤波器的剩余部分用于对pcm输入信号进行内插。经内插的信号在共模环路滤波器(17)的最后一级的输出处可用，并被作为输入传递到差模环路滤波器(16)的第一级。

图5示出了单个环路滤波器内的块。在左侧，输入信号(10)和反馈信号(15)的可编程选择进入环路滤波器，其中，这些信号首先被利用时变馈入系数(60，61，62)处理并一起被求和(70)。多个级联环路滤波器级(75)进一步处理求和信号。通过对输入信号的缩放副本(12)和级输出信号(24)的可编程选择进行求和而形成环路滤波器的主输出(25)。最终滤波器级(17)的输出是可以用作另外的通道(16)中的环路滤波器的输入的辅助输出。

图6示出了单个环路滤波器级。它使用系数(80，81，82)来缩放：(a)所有级所共享的输入(11)、(b)先前级的输出(76)以及(c)来自该级或下一级的反馈(78)。经缩放的信号被求和(71)并被馈送到存储寄存器(85)。寄存器的输出(77)被馈送到下一级和输出系数(90)。

图7示出了由多个相同的蝶形元件(31)组成的蝶形混合器。元件可以被配置成对它们的输入信号进行混合，使得可以组合环路滤波器输出(25)的选择以产生pwm输入(35)的选择。

图8示出了蝶形混合器与基2时间抽取fft结构的相似性，这也提供了术语“蝶形元件”的来源。

图9示出了单个蝶形元件。它是可以缩放和混合其两个输入(105)以产生其两个输出(160)的垂直对称结构。在输入侧，可以选择(115)正常输入(105)或经1/2部件(110)缩放的输入。利用可编程加法器(125)完成混合，可编程加法器(125)可以被配置成传递输入，将输入相加或者将输入相减。使用可编程限幅器(135)限制混合信号的范围。当信号限幅时，限幅残留(140)可以可选地被传递到另一侧并且在那里与输出相加。这对于补偿限幅误差是有用的。

图10示出了脉冲宽度调制器(pwm)。pwm载波(38)经由控制其幅度、频率和形状的多个可编程设置(37)产生(39)。可以将载波与输入信号进行比较(42，43)，但也可以禁用(41)载波。可以利用设置(36)对调制类型和pwm输出(45)的极性进行编程。

图11示出了包含控制器(100)和adc(300)的集成电路(200)的框图。其他值得注意的块是时钟发生单元(420)、用于pcm信号的数字数据接口(410)和数字控制接口(430)。控制接口可以用于从存储装置例如寄存器组(440)读取控制设置(445)或者将控制设置(445)写入存储装置例如寄存器组(440)。在控制器周围，还存在一些可选块。第一种是简单的预滤波器(450)，其可以用于减少来自adc信号或pwm信号的高频量化噪声。第二种是简单的抽取滤波器(500)，其用于将环路滤波器的输出馈送回至串行数据接口(410)，或者馈送到更高级的第二抽取级。该第二抽取级可以是可选数字信号处理器(400)的一部分，其也可以用于提供内插和其他辅助声音处理功能。