专利名称：一种减弱放大器中的过零失真和噪声的方法,一种放大器,以及该方法和该放大器的使用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种减弱放大器中的噪声和过零失真的方法，该放大器包括两个脉宽调制器，一个模拟或数字信号在该调制器中被脉宽调制，以提供被脉宽调制的小信号，其中脉宽调制器的输出分别代表一个未反相的模拟或数字输入信号，以及一个反相的模拟或数字输入信号，分别控制两组开关，这两组开关借助于一个外部电压，向一个负载提供两个脉宽调制的大信号，这两个脉宽调制的大信号与脉宽调制的小信号成正比，以便生成一个BD类型的脉宽调制的大信号。
本发明还涉及一个放大器，它具有用于减弱噪声和过零失真的装置，而且该型放大器包括一个脉宽调制器，用于脉宽调制一个反相和未反相的模拟或数字信号，以提供两个脉宽调制的小信号，所述脉宽调制的小信号被供给用于连接和断开一个外部电压的两组开关，以为一个负载提供一个脉宽调制的大信号。
本发明最后还涉及该放大器的使用。
用于音频使用的传统放大器放大音频信号，并在扬声器上形成声像。然而这些放大器的功率效率并不高。因此，放大器要根据其它原理来构成。
这些高效率的放大器包括，例如基于脉宽调制的放大器，它们也称为D类放大器。
这种放大器由一个脉宽调制器、一组或多组开关，以及一个低通滤波器组成。
D类放大器的原理为，一组或多组开关，根据一个信号，如音频信号的幅度，被开合以分别接通和断开。音频信号的信息由此并转换为多个脉冲，这些脉冲严格对应于该音频信号的信息。
脉宽调制放大器理论上线性很强，因此失真很小，但它在实际的实现中显示出了非线性，这使得如果不能建立一个强大的负反馈的话，脉宽调制放大器不适合在高保真放大器上使用。
然而，在脉冲调制的放大器中建立反馈系统不是件易事，因为在低通滤波器之前进行的负反馈给系统增添了不少噪声。
另外，作为负载阻抗的扬声器，被结合到反馈信号中，而且由于负载阻抗可能极依赖于所选的扬声器，因此使得反馈系统的设计难上加难。
脉宽调制可分为多种调制类型。最常使用的为AD类和BD类调制。AD类调制是一种只使用两个离散电平，如，1和-1的调制形式。在AD类的调制放大器中，施加到负载的电压或为正电源电压，或为负电源电压。
BD类调制可视为两个AD类调制器的差分耦合，即信号输入的不反相和反相两种型式同时被脉宽调制。负载接着差分连接被两个AD类放大器控制的两个输出级的输出。
BD类操作在许多方面都有优点，即许多噪声影响通过差分操作消除，而且偶次非线性通常也被消除。
然而，在现有技术中可看到，BD类放大器受交叉失真，以及输入信号零转换附近更大噪声的影响。
在BD类脉宽调制放大器中出现的大量衍生物，是由于脉宽调制器与输出模块中的半桥之间的干扰造成的，这导致音频信号的交叉失真(过零失真)，以及音频信号中出现噪声。过零失真和噪声的产生是因为两个差分脉宽调制信号的波形、特别是脉冲沿交互作用，尤其是当音频信号的零转换期间，脉冲沿接近于同时出现时。
具体来看，两个相当靠近的脉冲波前中首先出现的脉冲沿干扰第二个沿的生成，以便第二个沿稍微延迟或暂时提前。应注意，该现象主要发生在两个调制器和半桥在一个小于电路所确定的时间常数的时间周期内被转换时。
如上所述，线性化脉宽调制放大器的已知方法要求使用强大的负反馈。这些方法尤其不适合家用放大器，因为对家用放大器来说，复杂度低，以及对大部分负载都通用的设计标准很重要。
因此，本发明的一个目的是提供一种方法，它通过考虑半桥和其相应的控制电路之间的干扰，以及通过进一步最小化这种干扰，能线性化D类放大器。因此就可能生产出低复杂度的脉宽调制放大器。
本发明的这个目的是通过权利要求1的前序部分定义的方法来实现的，该方法的特征在于，当模拟或数字信号接近于值0时，提供给开关的脉冲的切换时间将被分隔。这可通过施加一个恒定时延到控制信号的切换时间，以便它们在生成的音频信号值稍微不同于0时同时发生。
当如权利要求2所述，该分隔的执行是通过延迟表示相对于模拟或数字信号反相部分的、模拟或数字信号的未反相部分的脉冲，或是通过延迟表示相对于模拟或数字信号未反相部分的、模拟或数字信号的反相部分的脉冲时，该电路的技术优势得以实现，即放大器的非线性范围从音频信号的过零移动到一个更高的信号电平。放大器的非线性范围因此只在生成的音频信号超过非线性范围所在的信号电平时才受影响。这样的优点是，相对于所生成的音频信号的电平，放大器的非线性可减小到最小显著水平。可实现的另一优点为，在空闲操作中放大器的噪声电平可大大降低，而且其音量比纯AD或BD类操作要低。该调制形式在下文中称为ABD类，因为该调制同时具有AD和BD类调制的特征。
当如权利要求3所述，该分隔的执行是通过暂时延迟相对于调制反相信号的脉宽调制器中的载波信号的、调制未反相信号的脉宽调制器中的载波信号，或是通过暂时延迟相对于调制未反相信号的脉宽调制器中的载波信号的、调制反相信号的脉宽调制器中的载波信号时，该电路的技术优势得以实现，即，放大器的非线性范围从音频信号的过零移动到一个更高的信号电平。放大器的非线性范围因此只在生成的音频信号超过非线性范围所在的信号电平时才受影响。这样的优点是，相对于所生成的音频信号的电平，放大器的非线性可减小到最小显著水平。可实现的另一优点为，相对简单的电路改进使得，在空闲操作中放大器的噪声电平大大降低，而且其调制比纯AD或BD类操作要低。
当如权利要求4所述，传输表示模拟或数字信号的反相和未反相部分的脉冲的电路，再次被分隔，以便信号之间的串话尽可能减弱时，这些脉冲之间的时延可尽可能缩短。
另外，当如权利要求5所述，通过分隔提供给脉宽调制器的电压，以及表示模拟或数字输入信号的未反相和反相部分的开关，可减小干扰，另外，切换时脉冲间的相互影响也可减小。
如权利要求6所述，如果通过在脉宽调制器和表示模拟或数字输入信号的未反相和反相部分的开关之间提供电屏蔽，能进行衰减，那也是一个优点。
如权利要求7所述，噪声和过零失真也可减小，即通过在脉宽调制的小信号被施加到表示模拟或数字输入信号的未反相和反相部分的开关组之前，重复计时该脉宽调制的小信号，来衰减噪声和过零失真，由此确保由于缺乏电分隔/屏蔽而感应的瞬时误差尽可能最大程度地减小。
如权利要求8所述，该脉宽调制的小信号为均衡的差分信号，噪声和过零失真也可得到减弱。差分输入减小了对由控制信号上共模电压生成的误差的敏感度，从而由放大器上其它部分的电压偏移引起的暂时误差可减小。
如上所述，本发明还涉及一种放大器。
这种放大器的特征在于，用于减弱过零失真和噪声的装置是通过一个时延电路形成的，该时延电路或者延迟表示相对于模拟或数字信号的反相部分的、模拟或数字信号的未反相部分的脉冲，或者延迟相对于表示模拟或数字信号的未反相部分的脉冲的、表示模拟或数字信号的反相部分的脉冲。
由此产生了一种放大器，在这种放大器中，过零失真和噪声可减少到最小，而无需复杂的反馈步骤。
该放大器的合适实施例在权利要求10和11定义，这将结合方法权利要求进行解释。
在这种结合中，注意如权利要求12所述，放大器有多个音频信道，而且输入到通道中半桥的信号被单独延迟，这就不仅使放大器通道的非线性范围从音频信号的过零处偏移到一个更高电平，而且使音频通道间的串话被偏移到更高的音频电平。这样的优点是，每个放大器通道的空闲噪声可最小化到单个放大器通道的电平，而且通道间的串话能转移到更高的音频信号电平。
如上所述，本发明涉及该方法以及该放大器的使用。这些使用在权利要求13-15定义。
根据这些权利要求的使用，允许一种比传统使用的结构还要更为简单的结构，在模拟以及数字型的脉宽调制放大器中反馈。
下面将参考附图中所示的一个实施例，来更充分地解释本发明，其中
图1示出了根据现有技术的BD类放大器的方框图。
图2示出了当一个音频信号提供给图1中的放大器时，如何生成一个BD类脉宽调制的信号的原理图。
图3示出了作为输入信号幅度的函数的一个误差信号的例子。
图4示出了根据本发明，利用未反相分支(B)中插入一个时延ΔT，BD类放大器的方框图。
图5示出了图4的方框图中引入的时延效果。
图6示出了作为图4中放大器的幅度的函数的一个误差信号的例子。
在图1中，标记1表示生成音频信号15的音频信号生成器，而标记2和标记3分别表示一个反相块和一个未反相块。反相的和未反相的信号以一种已知方式在数字或模拟脉宽调制器4和5被脉宽调制。
在脉宽调制器中生成的信号，其输出信号用于控制半桥(开关组)8和9。图1中的系统工作于BD类操作。脉宽调制的功率信号，例如它描述一个由高频脉冲表示的音频信号，被解调且提供给一个在此由标记10所示的负载。
图2原理性地示出了脉宽调制器4和5中的脉宽调制，是如何分别作为具有未反相和反相信号部分的信号的函数而产生的。注意两个输出12和13的脉冲沿与零信号幅度15同时发生。
图3示出了由于脉冲沿的干扰而引起的误差/噪声信号。注意由于脉冲沿同时出现，误差集中在输入信号幅度的零转换附近。
该误差信号描述了与线性的偏离，而且在音频信号的零转换期间有高的幅度。原因在于，紧跟一个脉冲沿后，在放大器电路中有大量的扰动，这是由涉及切换一个D类输出级的大型电压和电流瞬变引起的。该扰动同时影响了相对调制器和半桥中的信号的定时和波形，尤其是当相对的调制器和半桥切换之后不久。例如，一个脉冲沿转换能在相反极性(另一调制器/半桥)的信号路径中引起一个轻微的传播时延调制。该时延调制使得一个非线性误差信号被引入到负载上所生成的信号中。这个调制随两组调制器/半桥的脉冲沿之间的定时强烈变化。
所述的影响解释了所观察到的误差信号，其中误差能量局限在输入信号的零转换附近，在此两个调制器/半桥部分的脉冲沿几乎同时出现。这种误差信号引起了大量的交叉失真，因为与低幅音频输入相比，该误差电平很高。这种交叉失真在高质量的音频系统中是极不受欢迎的。
此外，误差信号的本质也增加了放大器输出中的噪声。这尤其对利用噪声成型的数字调制放大器是确实存在的，在零转换附近强大而局限的非线性，使得频谱型噪声被调制为声波范围。
相反，对一个纯AD类的调制放大器来说，误差信号在满刻度音频信号电平时具有最高的幅度，而且导致产生一个随信号电平增加的失真测量，即，AD类调制不产生交叉失真。这种失真特性被理解为更动听。
然而，与BD类调制放大器相比，AD类调制放大器的典型信噪比要小。其原因是，BD类操作所固有的差分耦合消除了许多共模噪声源，以及理论上所有非线性的偶次阶。
图4原理性地示出了一个纯BD类调制放大器在零信号输入时的同时切换，如何通过在开关组的切换时间之间引入一个时延ΔT(标记7)来避免。这个时延的效果也在图5示出，在此脉冲沿只在更高信号幅度时出现。引入这种时延的效果在于，它分隔了用于零音频信号输入的两组调制器/半桥的脉冲沿。
这意味着该误差信号从音频信号的过零处被移走，且集中在如图6所示的一个更高的音频信号幅度电平。这有效地减小了失真比，因为误差能量保持不变，而音频信号在失真产生前必须具有一定的最小幅度，即信号和失真分量之比更高。
时延ΔT因此具有实现一个脉冲调制的大信号的效果，它同时包含AD类和BD类特性，在此称为ABD。实际上，当去除交叉失真时--类似与AD类调制，ABD类调制具有与BD类调制相似的低噪声特性。
应注意，在这个联系中，时延ΔT对生成的低通滤波的输出信号影响很小。
由于两组调制器/半桥都携带信号信息，因此时延的效果为具有下述传输函数的音频信号的线性滤波(公式1)H(ω)=*(1+e-jωΔT)由于与最高音频频率的周期(如，20KHz对应周期50μs)相比，ΔT通常很小(如50ns)，因此根据公式1的幅度误差也很小(即对上面提到的例子，为0.03dB的数量级)。
由于消除了共模误差源，BD类调制的优点因此如前所述。
当时延ΔT被引入时，这个消除不再有效，而且传输函数可由下述公式表述公式(2)G(ω)=*(1-e-jωΔT)然而，根据上述的论据，在声波范围内可实现的有效消除误差通常很小(对上面例子中所使用的ΔT=50，在20KHz时近似为-50dB)。
为尽可能限制瞬时时延ΔT，可在两组调制器/半桥的两个信号路径之间再次提供电屏蔽。
最好是两个信号路径彼此分隔开。分隔得越开，调制器/半桥间出现的干扰越小，而且能得到更低的噪声和失真。典型的干扰源为a)对数字调制器，通过时钟线扰乱。
b)对模拟调制器，通过载波扰乱。
c)通过控制逻辑和半桥的电源扰乱。
d)由IC封装的零点跳跃引起的干扰。
e)由电磁辐射的引起干扰。
这些干扰可通过下述工作最小化-在半桥之前重新计时控制信号。
-为半桥和控制信号滤波和分隔电源线。
-为两组调制器/半桥使用分立的IC封装。
-使用差分传输控制信号。
从前面的描述可以理解的是，本发明提供的放大器很通用，而且复杂度很低。
放大器可设计成用于多种类型的负载，而不影响放大器的性能。
另外，该放大器的生产尺寸可小于传统的放大器，因为它效率高，而且由此避免发出不希望有的高热量。
权利要求
1．一种减弱放大器中的噪声和过零失真的方法，该放大器包括两个脉宽调制器，一个模拟或数字信号在该调制器中被脉宽调制，以提供脉宽调制的小信号，其中脉宽调制器的输出分别表示一个未反相的模拟或数字输入信号，以及一个反相的模拟或数字输入信号，这两个信号分别控制两组开关，这两组开关利用一个外部电压，向一个负载提供两个脉宽调制的大信号，这两个脉宽调制的大信号与该脉宽调制的小信号成正比，该方法的特征在于，当模拟或数字信号接近于0值时，提供给开关的脉冲的切换时间将被分隔开。
2．根据权利要求1的方法，其特征在于，该分隔是通过延迟表示相对于该模拟或数字信号反相部分的、模拟或数字信号的未反相部分的脉冲，或是通过延迟表示相对于该模拟或数字信号未反相部分的、模拟或数字信号的反相部分的脉冲执行的。
3．根据权利要求1的方法，其特征在于，该分隔是通过暂时延迟相对于调制反相信号的脉宽调制器中的载波信号的、调制未反相信号的脉宽调制器中的载波信号，或是通过暂时延迟相对于调制未反相信号的脉宽调制器中的载波信号的、调制反相信号的脉宽调制器中的载波信号执行的。
4．根据权利要求1、2或3的方法，其特征在于，传输表示模拟或数字信号的反相和未反相部分的脉冲的电路，被再次分隔，以便信号之间的串话尽可能减弱。
5．根据权利要求4的方法，其特征在于，通过在提供给脉宽调制器的电压之间，以及表示模拟或数字输入信号的未反相和反相部分的开关之间提供分隔，可减小干扰。
6．根据权利要求4的方法，其特征在于，通过在脉宽调制器和表示模拟或数字输入信号的未反相和反相部分的开关之间提供电屏蔽，可减小干扰。
7．根据权利要求4的方法，其特征在于，通过在脉宽调制的小信号被施加到表示模拟或数字输入信号的未反相和反相部分的开关组的前一刻，重新计时该脉宽调制的小信号，可减小干扰。
8．根据权利要求1-7的方法，其特征在于，该脉宽调制的小信号为均衡的差分信号。
9．一种放大器，具有用于减弱噪声和过零失真的装置，而且该型放大器包括一个脉宽调制器，用于脉宽调制一个反相和未反相的模拟或数字信号，以提供两个脉宽调制的小信号，所述脉宽调制的小信号提供给用于连接和断开一个外部电压的两个开关组，以向一个负载提供一个脉宽调制的大信号，该放大器的特征在于，用于减弱过零失真和噪声的装置是通过一个时延电路形成的，该时延电路延迟表示相对于该模拟或数字信号反相部分的、模拟或数字信号的未反相部分的脉冲，或者延迟表示相对于该模拟或数字信号未反相部分的脉冲的、表示模拟或数字信号的反相部分的脉冲。
10．根据权利要求8的放大器，其特征在于，分别传输表示模拟或数字信号的未反相部分和反相部分的脉冲的信号路径，彼此再次被分隔开。
11．根据权利要求8的放大器，其特征在于，分别传输表示模拟或数字信号的未反相部分和反相部分的脉冲的信号路径，彼此再次被电屏蔽开。
12．根据权利要求9-11的放大器，其特征在于，放大器有多个音频通道，而且输入到通道中半桥的信号被单独延迟。
13．在一个反馈系统中，使用根据权利要求1-12的方法和放大器。
14．在一个模拟D类放大器中，使用根据权利要求1-12的方法和放大器。
15．在一个数字D类放大器中，使用根据权利要求1-12的方法和放大器。
全文摘要
根据本发明,提供一种方法和放大器,例如D类放大器,尤其是联结为BD类放大器,其中一个音频信号在两组开关被脉宽调制,这两组开关用于接通和断开传输表示音频信号未反相和反相部分的脉冲的信号路径,它包括减弱的噪声和过零失真,而噪声和过零失真是由放大器中调制器和控制电路部分之间的串话引起的。当音频信号处于在0值附近时,通过分别延迟相对于另一的音频信号的、该音频信号的未反相部分和反相部分,可减弱噪声和过零失真,从而能调制包含同时来自AD和BD类的脉宽调制特性的音频信号。这样的优点是,在低信号电平处,该放大器获得了AD类放大器在过零处的线性特性,以及BD类放大器的低噪声特性。该脉宽调制型在此称为ABD类。
文档编号H03F3/217GK1311918SQ99809108
公开日2001年9月5日 申请日期1999年7月23日 优先权日1998年7月24日
发明者尼尔斯·安德斯克夫, 拉斯·里斯博 申请人:托加塔技术有限公司