本發(fā)明涉及用于D類放大器的功率級的驅動器電路。

背景技術：

D類放大器可用于消費型裝置和汽車裝置中，從而為移動或汽車應用實現(xiàn)良好的信號質量、高輸出功率、高效率和長期的電池使用時間。例如，D類放大器可用于個人計算裝置例如移動電話、助聽器，以及音頻系統(tǒng)，例如家庭影院系統(tǒng)、功率揚聲器、低音炮和低音放大器中。

D類放大器通常包括驅動器裝置，其生成用于該D類放大器的功率級中的功率晶體管的驅動信號。用于D類放大器的功率級的常規(guī)驅動器裝置通常需要自舉電容器或電荷泵電壓以用于產生參考電壓。此外，用于D類放大器的功率級的常規(guī)驅動器裝置通常對于驅動器裝置中的晶體管具有嚴格電容要求。因此，常規(guī)驅動器裝置的部件成本可能是相當高的。

技術實現(xiàn)要素：

描述了一種用于D類放大器的功率級的驅動器電路和一種D類放大器的實施例。在一個實施例中，用于D類放大器的功率級的驅動器電路包括與D類放大器的功率級的功率晶體管的柵極端連接的串聯(lián)連接的晶體管器件、在該串聯(lián)連接的晶體管器件的第一晶體管器件的柵極端和該功率晶體管的源極端之間連接的電壓發(fā)生器，以及在該功率晶體管的柵極端與該第一晶體管器件的源極端和漏極端中的一者之間連接的電流倍增器。電流倍增器被配置成產生與在第一晶體管器件的源極端和漏極端中的該一者的電流成比例的輸出電流。因為電流倍增器可以為該功率晶體管產生更大的輸出電流，所以該串聯(lián)連接的晶體管器件的電容要求可以被放寬，并且可以降低驅動器裝置的部件成本。

在實施例中，在電流倍增器的輸出電流與在第一晶體管器件的源極端和漏極端中的一者的電流之間的比率為大于1的值。

在實施例中，電流倍增器包括多個電流鏡。

在實施例中，串聯(lián)連接的晶體管器件另外包括第二晶體管器件，第二晶體管器件的源極端或漏極端中的一者與功率晶體管的柵極端連接。

在實施例中，串聯(lián)連接的晶體管器件另外包括在功率晶體管的柵極端和該功率晶體管的源極端之間連接的第三晶體管器件。在實施例中，第二晶體管器件和第三晶體管器件的柵極端彼此連接。在實施例中，第二晶體管器件和第三晶體管器件為不同類型的晶體管。

在實施例中，驅動器電路另外包括第一電流源，其連接至電流倍增器并連接至第一晶體管器件的源極端和漏極端中的該一者。

在實施例中，驅動器電路另外包括第二電流源和第四晶體管器件，第二電流源連接至電流倍增器，該第四晶體管器件的柵極端連接至第一晶體管器件并連接至第二電流源。

在實施例中，驅動器電路另外包括串聯(lián)連接至第四晶體管器件的第五晶體管器件、串聯(lián)連接至該第五晶體管器件的電阻器、連接至該第五晶體管器件的柵極端并連接至功率晶體管的源極端的第六晶體管器件，以及連接至該電阻器器件并連接至該功率晶體管的源極端的第七晶體管器件。

在實施例中，功率晶體管為NMOS晶體管，并且該功率晶體管的源極端為該NMOS晶體管的源極端。

在實施例中，第一晶體管器件為NMOS晶體管，并且該第一晶體管器件的源極端和漏極端中的一者為該NMOS晶體管的漏極端。

在實施例中，D類放大器包括驅動器電路和功率級。在實施例中，D類放大器另外包括被配置成將輸入信號轉換為用于功率級的經過調制的信號的調制器。

在實施例中，用于D類放大器的功率級的驅動器電路包括與功率級的NMOS功率晶體管的柵極端連接的串聯(lián)連接的晶體管器件、在該串聯(lián)連接的晶體管器件的第一NMOS晶體管器件的柵極端和該NMOS功率晶體管的源極端之間連接的電壓發(fā)生器，以及在該NMOS功率晶體管的柵極端和該第一NMOS晶體管器件的漏極端之間連接的電流倍增器。電流倍增器被配置成產生與在第一NMOS晶體管器件的漏極端的電流成比例的輸出電流。

在實施例中，在電流倍增器的輸出電流與在第一晶體管器件的源極端和漏極端中的一者的電流之間的比率為大于1的值。

在實施例中，電流倍增器包括多個電流鏡。

在實施例中，串聯(lián)連接的晶體管器件另外包括PMOS晶體管器件和第二NMOS晶體管器件，該PMOS晶體管器件的漏極端與該NMOS功率晶體管的柵極端連接，其中，該PMOS晶體管器件和該第二NMOS晶體管器件的漏極端被連接至該NMOS功率晶體管的柵極端。

在實施例中，D類放大器包括調制器和功率級，該調制器被配置成將輸入信號轉換為經過調制的信號，該功率級被配置成放大經過調制的信號以生成用于驅動負載的經過放大的信號。功率級包括第一驅動器電路、可操作地連接至該第一驅動器電路的第一功率晶體管、第二驅動器電路和可操作地連接至該第二驅動器電路的第二功率晶體管。第一驅動器電路包括與功率級的第一功率晶體管的柵極端連接的串聯(lián)連接的晶體管器件、在該串聯(lián)連接的晶體管器件中的第一晶體管器件的柵極端和該第一功率晶體管的源極端之間連接的電壓發(fā)生器，以及在該第一功率晶體管的柵極端與該第一晶體管器件的源極端和漏極端中的一者之間連接的電流倍增器。電流倍增器被配置成產生與在第一晶體管器件的源極端和漏極端中的該一者的電流成比例的輸出電流。

在實施例中，串聯(lián)連接的晶體管器件另外包括第二晶體管器件，第二晶體管器件的源極端或漏極端中的一者與第一功率晶體管的柵極端連接。

本發(fā)明的實施例的其它方面和優(yōu)點將從以下具體實施方式中變得顯而易見，以下詳細描述是結合借助于本發(fā)明原理的例子而描繪的附圖進行的。

附圖說明

圖1為D類放大器的示意性框圖。

圖2繪出在圖1中所描繪的D類放大器100的功率級的實施例。

圖3繪出使用外部電容器產生參考電壓的D類放大器的典型NMOS-NMOS功率級。

圖4繪出D類放大器的典型功率級，該D類放大器使用電荷泵限制該功率級的功率晶體管的柵極-源極電壓。

圖5繪出在圖2中所描繪的功率級的驅動器電路的實施例。

圖6繪出在圖5中所描繪的驅動器電路的實施例。

在整個說明書中，可以使用類似的附圖標記來識別類似的元件。

具體實施方式

容易理解的是，如本文中大體描述且在附圖中示出的實施例的組成部分能夠以各種各樣不同的配置來布置和設計。因此，以下如附圖所表示的各種實施例的詳細描述并非旨在限制本公開的范圍，而僅僅是表示各種實施例。雖然在附圖中呈現(xiàn)了實施例的各個方面，但是除非特別地指示，否則附圖未必按比例繪制。

所描述的實施例應視為在所有方面均僅為說明性而非限制性的。因此，本發(fā)明的范圍由所附權利要求書而不是由此具體實施方式來指示。在權利要求書等效物的含義和范圍內的所有變化均被涵蓋在權利要求書的范圍內。

本說明書通篇凡提到特征、優(yōu)點或類似語言并不暗示可以通過本發(fā)明實現(xiàn)的所有特征和優(yōu)點應該在或在任何單一實施例中。相反，提到該特征和優(yōu)點的語言應理解成結合實施例所描述的具體特征、優(yōu)點或特性包含在至少一個實施例中。因此，在本說明書通篇中對特征和優(yōu)點的論述以及類似語言可以但不必參考同一實施例。

此外，本發(fā)明的所描述的特征、優(yōu)點和特性可以任何合適方式在一或多個實施例中組合。相關領域的技術人員應認識到，鑒于本文的描述，本發(fā)明可以在沒有特定實施例的具體特征或優(yōu)點中的一或多個具體特征或優(yōu)點的情況下實踐。在其它情況下，在某些實施例中可以認識到可能不存在于本發(fā)明的所有實施例中的另外的特征和優(yōu)點。

貫穿本說明書對“一個實施例”、“實施例”或類似語言的提及意味著結合指定實施例所描述的特定特征、結構或特性包含于至少一個實施例中。因此，貫穿本說明書的短語“在一個實施例中”、“在實施例中”和類似語言可以但不必全部參考同一實施例。

圖1為D類放大器100的示意性框圖。在圖1中所描繪的實施例中，D類放大器包括調制器102和功率級104。該D類放大器通常作為集成電路(IC)器件提供。D類放大器可以放大輸入信號以生成輸出信號，該輸出信號用于驅動負載108。例如，D類放大器放大音頻輸入信號以生成驅動揚聲器的帶有更高功率的音頻輸出信號。在一些實施例中，D類放大器用在車載音頻系統(tǒng)、揚聲器、耳塞、頭戴式耳機或移動裝置中。D類放大器100使用包含在離散電壓電平之間的輸出切換的非線性放大。與線性放大器例如A類、AB類或B類放大器相比，D類放大器具有更低的功耗和更高的功率效率。例如，D類放大器可具有超過90％的功率效率，而AB類放大器對于正弦波具有78.5％的最大效率，對于音樂信號具有約25％的最大效率。

D類放大器100的調制器102被配置成調制輸入信號以生成經過調制的信號。在一些實施例中，調制器被配置成通過脈寬調制(PWM)、脈沖密度調制或其它脈沖調制技術將模擬輸入信號轉換為一系列脈沖。在實施例中，調制器將輸入信號轉換為用于驅動功率級104的PWM信號。

D類放大器100的功率級104被配置成放大來自調制器102的經過調制的信號以生成經過放大的信號。功率級包括驅動器裝置110和開關電路112，該驅動器裝置110被配置成基于來自調制器的經過調制的信號生成一或多個驅動信號，該開關電路112被配置成基于該驅動信號被切換以生成經過放大的信號。

圖2繪出在圖1中所描繪的D類放大器100的功率級104的實施例。在圖2中所描繪的實施例中，功率級204包括驅動器裝置210和開關電路212，該驅動器裝置210被配置成基于來自調制器102(在圖1中示出)的一或多個輸入信號生成驅動信號，該開關電路212被配置成基于該驅動信號而工作以生成功率級輸出信號。驅動器裝置包括第一驅動器電路220-1和第二驅動器電路220-2，并且開關電路包括第一功率晶體管230-1和第二功率晶體管230-2。第一驅動器電路被配置成生成用于第一功率晶體管的驅動信號。第二驅動器電路被配置成生成用于第二功率晶體管的驅動信號?；趤碜缘谝或寗悠麟娐泛偷诙寗悠麟娐返尿寗有盘?，第一功率晶體管和第二功率晶體管生成功率級輸出信號。

返回到圖1，濾波器106通常與D類放大器100不在同一IC器件中(即，與該D類放大器分離)，該濾波器106用于將來自功率級104的經過放大的信號濾波以生成驅動負載108的輸出信號。該經過放大的信號的低頻成分表示該D類放大器的期望輸出信號。在這些實施例中，濾波器被實施為重構期望輸出信號的低通濾波器。低通濾波器可為低損耗二階或更高階電感器-電容器LC濾波器。

在帶有NMOS-NMOS功率級的D類放大器中，要切換該NMOS-NMOS功率級需要高于該NMOS-NMOS功率級的電源電壓的參考電壓。圖3繪出使用外部自舉電容器產生此參考電壓的D類放大器的典型NMOS-NMOS功率級304。如圖3所示，功率級包括驅動器裝置310、開關電路312、兩個電感器“L_BONDING”322-1和322-3、電阻器324和參考電壓源326，該驅動器裝置310包括高側驅動器電路320-1和低側驅動器電路320-2，該開關電路312包括功率晶體管“HS_POWER”、“LS_POWER”。電容器“C_BOOTSTRAP”、“C_REG”、二極管“D_BOOTSTRAP”，以及電感器L_BONDING 322-2位于功率級外部。在功率晶體管LS_POWER被接通時，功率級的輸出信號PWM_OUT為低，并且自舉電容器C_BOOTSTRAP被參考電壓源充電。在放大器輸出PWM_OUT為高時，在電壓V_BOOT和輸出信號PWM_OUT之間的電壓大到足以驅動高側功率晶體管HS_POWER。用于高側功率晶體管HS_POWER的柵極-源極電容器(C_GS)和柵極-漏極電容器(C_GD)的充電電流由自舉電容器C_BOOTSTRAP供應。用于低側功率晶體管LS_POWER的充電電流由帶寬受限的參考電壓源供應。在功率晶體管中所需的充電電流為暫態(tài)電流，并因此可以引起參考電壓源的參考電壓下降。電容器C_REG提供對低側功率晶體管LS_POWER的柵極-源極電容器(C_GS)和柵極-漏極電容器(C_GD)充電所需的電流尖峰。在圖3所示的功率級中，因為電容器C_REG經由電感器322-3被連接至低側功率晶體管LS_POWER的源極端“S”，所以在D類放大器切換大電流時，該低側功率晶體管LS_POWER的柵極-源極電壓(V_GS)和驅動器電壓可以變?yōu)楦摺?/p>

圖4繪出D類放大器的典型功率級404，該D類放大器使用電荷泵440限制該功率級的功率晶體管430-1、430-2的柵極-源極電壓。如圖4所示，功率級包括電荷泵、驅動器裝置410、開關電路412和兩個二極管電路428-1、428-2，該驅動器裝置410包括高側驅動器電路420-1和低側驅動器電路420-2，該開關電路412包括功率晶體管“HS_POWER”、“LS_POWER”。用于對電容器C_GSH、C_GDH和電容器C_GSL、C_GDL充電所需的大電流分別由電荷泵和電源電壓V_DDP供應。電壓V_BOOT由電荷泵440生成。電壓V_BOOT和V_REG可以限制在電容器C_GSH、C_GDH之間的電壓V_GSH和在電容器C_GSL、C_GDL之間的電壓V_GSL。因此，并不需要外部自舉(bootstrapping)，這在使用多個放大器信道的情況下避免了高引腳計數(shù)。圖4所示的功率級的缺點在于柵極-源極電壓被限于V_BOOT-V_{GS_MPH}(晶體管M_PH的柵極-源極電壓)和V_{REG-VGS_MPL}(晶體管M_PL的柵極-源極電壓)，除非電壓V_BOOT和V_REG由另外的補償電路補償。

返回圖2，與常規(guī)驅動器裝置(例如，驅動器裝置210、310)相比，驅動器電路220-1或220-2可包括電流倍增器236-1或236-2，該電流倍增器236-1或236-2用于產生用于功率晶體管的更大輸出電流。因此，驅動器電路的晶體管部件的電容要求可以被放寬并且可以降低驅動器裝置的部件成本。參考圖5和圖6來描述在圖2中所描繪的驅動器電路220-1、220-2的兩個具體實施例。

圖5繪出在圖2中所描繪的驅動器電路220-1、220-2中的一者的實施例。在圖5中所描繪的實施例中，驅動器電路520包括串聯(lián)連接的晶體管“MN0”532和534、電容器“C_DEC”、電流倍增器536。雖然在圖5中所描繪的實施例中是使用電容器C_DEC，但是在其它實施例中，可以使用其它合適的電壓發(fā)生器(例如，電壓源)。驅動器電路可以用于功率級504的高側功率晶體管和低側功率晶體管兩者。在圖5中所描繪的驅動器電路為在圖2中所描繪的驅動器電路的一個可能實施例。然而，在圖2中所描繪的驅動器電路不限于在圖5中示出的實施例。

在圖5中所描繪的實施例中，功率級504的NMOS功率晶體管530具有由電容器C_{GS_POWER}表示的寄生電容，該電容器C_{GS_POWER}連接在NMOS功率晶體管的柵極端“G”和NMOS功率晶體管530的源極端“S”之間。PMOS晶體管532和NMOS晶體管534的漏極端“D”被連接至NMOS功率晶體管530的柵極端G。電容器C_DEC被連接在NMOS晶體管MN0的柵極端G和NMOS功率晶體管530的源極端S之間。電流倍增器536被連接在NMOS功率晶體管530的柵極端G和NMOS晶體管MN0的漏極端D之間，并被連接至功率級的可選電荷泵540，該可選電荷泵540生成電荷泵電壓。電流倍增器被配置成產生與在NMOS晶體管MN0的漏極端D的電流成比例的輸出電流。在圖5中所描繪的實施例中，在電流倍增器的輸出電流和在NMOS晶體管MN0的漏極端D的電流之間的比率為N，其為大于1的值。

在圖5中所描繪的驅動器電路520中，NMOS功率晶體管530的柵極源極電壓V_{GS_POWER}被限于固定參考電壓。電容器“C_DEC”供應用于NMOS晶體管MN0的柵極充電電流。通常，因為用于NMOS晶體管MN0的柵極充電電流可以約為100mA，而晶體管MN0的柵極-源極電壓由于可用電壓余量而受到限制，所以由電容器C_GD表示的NMOS晶體管MN0的寄生柵極-漏極電容較大。然而，柵極-漏極電容器C_GD可以在晶體管MN0的柵極端G引起高壓尖峰。例如，在驅動器電路520被用于高側功率晶體管時，NMOS功率晶體管530的功率漏極電壓為VDDP，而NMOS功率晶體管530的功率源極電壓為PWM_OUT。在此情況下，在NMOS晶體管MNO的柵極端G的電壓尖峰/紋波ΔV可以表述為：

ΔV＝(CP_{GD_MNO}/CP_DEC)*VDDP (1)

其中，CP_{GD_MN0}表示柵極-漏極電容器C_GD的電容，CP_DEC表示電容器C_DEC的電容。例如，在CP_{GD_MN0}為1pF時，VDDP為14V，CP_DEC為20pF，ΔV為0.7V。0.7V的電壓尖峰/紋波ΔV超出高電壓晶體管的典型電壓紋波容限。增大電容器C_DEC的電容可以減小該電壓尖峰/紋波。然而，增大電容器C_DEC的電容也會增大電容器C_DEC的尺寸和成本。在圖5中所描繪的驅動器電路中，用電流倍增器536降低NMOS晶體管MN0的柵極-漏極電容器C_GD和柵極-源極電容器C_GS的電容要求。例如，NMOS晶體管MN0的電容要求可以減小到N分之一，其中，N為大于1的正整數(shù)。因此，減小了在NMOS晶體管MN0的柵極端G的電壓尖峰。

圖6繪出在圖2中所描繪的驅動器電路210-1、210-2的另一實施例。在圖6中所描繪的實施例中，驅動器電路620包括串聯(lián)連接的晶體管MN0、“T1”、“T2”、“T3”、“T4”、532、534，電容器C_DEC(或其它合適的電壓生成裝置)，電流倍增器636，兩個電流源“I_REF”、“I_THRESHOLD”和電阻器642。該驅動器電路可以用于功率級604的高側功率晶體管和低側功率晶體管兩者。在圖6中所描繪的驅動器電路為在圖2中所描繪的驅動器電路的一個可能實施例。然而，在圖2中所描繪的驅動器電路不限于在圖6中所示的實施例。

在圖6中所描繪的實施例中，電流源I_THRESHOLD被連接至電流倍增器636并連接至晶體管器件MN0的漏極端D。電流源I_REF被連接至該電流倍增器和功率級604的可選電荷泵640，該可選電荷泵640生成電荷泵電壓。NMOS晶體管T1的柵極端G連接至該NMOS晶體管MN0并連接至電流源I_REF。PMOS晶體管T2被串聯(lián)連接至NMOS晶體管T1。電阻器642被串聯(lián)連接至PMOS晶體管T2和NMOS晶體管T3。PMOS晶體管T4被連接至PMOS晶體管T2的柵極端G，并連接至功率級604的NMOS功率晶體管630的源極端S。NMOS晶體管T3被連接至該電阻器并連接至NMOS功率晶體管630的源極端S。電流倍增器636包括輸入電流/輸出電流比為1∶1的第一電流鏡644、輸入電流/輸出電流比為1∶N(N為大于1的正整數(shù))的第二電流鏡646和PMOS晶體管“T5”。

在圖6中所描繪的驅動器電路620中，電流源I_REF相對于NMOS功率晶體管630的源極端S產生跨晶體管T2、電阻器642和晶體管T3的參考電壓V_REF。由電流源I_REF所產生的參考電壓V_REF經由晶體管MN0、T4被傳送至晶體管532、534。因此，無關于在NMOS功率晶體管630的源極端S上的電壓尖峰，NMOS功率晶體管630的最大柵極-源極電壓V_GS被限于V_FLOAT，其中，V_FLOAT為在晶體管MN0、532的源極端S的電壓。電流倍增器636產生允許晶體管MN0的尺寸減小的電流放大。晶體管MN0和晶體管T4所需的直流電流由電流源I_THRESHOLD供應，使得在NMOS功率晶體管630被斷開時，無電流被強制流入到NMOS功率晶體管630的柵極端中。內部去耦電容器C_DEC的電容可以被設定為在I_REF值(因此靜態(tài)電流)和電路面積之間的平衡點。與在圖3中所描繪的驅動器電路320-1、320-2和在圖4中所描繪的驅動器電路420-1、420-2相比，驅動器電路620可以用更少部件并因此以更低的成本實施。例如，與在圖3中所描繪的驅動器電路相比，在圖6中所描繪的驅動器電路不需要電容器，例如電容器C_REG和C_BOOTSTRAP。

雖然已經描述或描繪的本發(fā)明的具體實施例包含本文中描述或描繪的若干組成部分，但是本發(fā)明的其它實施例可以包含更少或更多組成部分以實施更少或更多特征。

此外，雖然已經描述和描繪了本發(fā)明的具體實施例，但是本發(fā)明不限于如此描述和描繪的部分的具體形式或布置。本發(fā)明的范圍由本文所附的權利要求書和其等效物定義。