用于音頻放大器和穩(wěn)壓電源的脈沖發(fā)生電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子電路，特別涉及可以被并入到例如音頻放大器和穩(wěn)壓電源中的電子電路。
【背景技術(shù)】
[0002]理想的音頻放大器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)包括:盡可能提高能量效率(因而盡可能減少熱量產(chǎn)生)、盡可能降低重量以及盡可能減小體積。
[0003]一種高效率的音頻放大器被稱為“D類”放大器。在D類放大器中，輸入信號(hào)控制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生不同寬度的脈沖序列。將這些脈沖在時(shí)間上進(jìn)行平均(例如，通過使用低通濾波器)以產(chǎn)生輸出信號(hào)。因?yàn)檫@些脈沖具有固定的振幅，開關(guān)元件(通常是MOSFET)被切換至完全導(dǎo)通或者完全關(guān)斷。MOSFET在完全導(dǎo)通時(shí)以最小電阻進(jìn)行工作，并因此在這種情況下具有最低功耗，除了在完全關(guān)斷的情況下，沒有功率消耗或汲取。
[0004]在轉(zhuǎn)讓給希派斯電子公司的美國(guó)專利號(hào)8，289，097中描述的發(fā)明(以下簡(jiǎn)稱“希派斯專利”)公開了一種具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的脈沖寬度調(diào)制環(huán)路，該環(huán)路盡可能少地干擾待處理的輸入信號(hào)。該電路可以被并入到音頻放大器中，例如D類放大器。
[0005]具體地講，并且參照希派斯專利中的圖6，該希派斯專利涉及一種帶有外部鋸齒波形的后置濾波器的固定頻率轉(zhuǎn)換器。該鋸齒波形由表示該電路的各個(gè)部件的行為的因素校正，該電路的各個(gè)部件包括濾波器、反饋網(wǎng)絡(luò)、“前向路徑”和比較器。該希派斯專利所公開的發(fā)明限于如在該文檔第
[0023]段中描述的“固定”確定的或已知的時(shí)鐘電路。
[0006]該希派斯專利還依賴于通過大量的內(nèi)部測(cè)量電路來預(yù)先確定該放大器的響應(yīng)，從而可以確定各種因素。當(dāng)然這些因素是非常復(fù)雜的并且是溫度、負(fù)載和頻率的產(chǎn)物。要在這些范圍內(nèi)精確地確定這些因素，需要顯著的計(jì)算工作量。
[0007]此外，B.H.坎帝和S.M.考克斯的“具有載波對(duì)稱性調(diào)制的改進(jìn)的模擬D類放大器”，音頻工程協(xié)會(huì)第117次會(huì)議，2004年10月28日至31日舊金山，加利福尼亞洲，美國(guó)會(huì)議論文6260，著眼于減少D類放大器應(yīng)用中的失真。公開的模擬D類放大器采用公知的現(xiàn)有技術(shù)中的具有負(fù)反饋的D類結(jié)構(gòu)，但包括通過輸入信號(hào)的衍生物來對(duì)載波振蕩器波形的對(duì)稱性進(jìn)行調(diào)制。所公開的電路補(bǔ)償非線性相位調(diào)制效應(yīng)，該非線性相位調(diào)制效應(yīng)對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)是固有的。
[0008]本發(fā)明的各實(shí)施方式提供了生成脈沖波形的電路，這些電路特別適合于但不限于控制公知的D類電路。此外，本發(fā)明的各實(shí)施方式旨在改善現(xiàn)有技術(shù)中的一些不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]因此，一方面，本發(fā)明提供了一種電路，用于響應(yīng)于第一信號(hào)產(chǎn)生一系列脈沖，該電路包括:有損積分器，它接收第二信號(hào)作為其輸入；以及比較器，在其輸入端中的一個(gè)輸入端接收該有損積分器的輸出；并且在其輸入端中的另一個(gè)輸入端接收第一信號(hào)。
[0010]有損積分器指的是具有衰減元件的積分器。這種裝置的一個(gè)實(shí)施例是RC網(wǎng)絡(luò)，相對(duì)于所選擇的切換頻率具有較長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù)。在數(shù)學(xué)術(shù)語中，這可能是一個(gè)積分器，有或沒有誤差，具有可能是線性或者非線性的衰減術(shù)語。
[0011]優(yōu)選地，該有損積分器包括串聯(lián)的電阻和電容。或者，優(yōu)選地，該有損積分器包括:串聯(lián)的電阻和電容；以及與該電容并聯(lián)的電阻，該有損積分器的輸入被施加在兩個(gè)電阻上，該有損積分器的輸出產(chǎn)生于該電容的兩端。
[0012]在一個(gè)實(shí)施例中，該比較器在它的正相輸入端接收有損積分器的輸出，該比較器在它的反相輸入端接收該第一信號(hào)。
[0013]優(yōu)選地，有損積分器以及比較器中的至少一個(gè)通過使用數(shù)字操作來實(shí)施。
[0014]優(yōu)選地，由該比較器的輸出所確定的信號(hào)控制至少一個(gè)開關(guān)元件的切換。
[0015]優(yōu)選地，所述開關(guān)元件是半橋結(jié)構(gòu)?；蛘?，所述開關(guān)元件是全橋結(jié)構(gòu)。
[0016]優(yōu)選地，所述開關(guān)元件切換電源到負(fù)載。
[0017]優(yōu)選地，低通濾波器被置于開關(guān)元件與負(fù)載之間?；蛘撸?fù)載也作為低通濾波器進(jìn)行工作。
[0018]優(yōu)選地，所述第二信號(hào)至少部分地依賴于至少一個(gè)開關(guān)元件的輸出。
[0019]優(yōu)選地，所述第一信號(hào)至少部分地依賴于偏置信號(hào)。
[0020]優(yōu)選地，第一信號(hào)至少部分地依賴于要被放大的信號(hào)。
[0021]優(yōu)選地，每一個(gè)開關(guān)元件是晶體管，例如FET。
【附圖說明】
[0022]為了更好地理解本發(fā)明，并顯示可以如何付諸實(shí)施，在附圖中，僅通過非限制性示例的方式，來顯示它的各實(shí)施例。在各附圖中:
[0023]圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的電路示意圖。
[0024]圖2是示出圖1中的一些點(diǎn)上的電壓波形的一組曲線圖。
[0025]圖3是圖1和本發(fā)明第二實(shí)施例的簡(jiǎn)化示意圖。
[0026]圖3A是圖3所示的實(shí)施例的數(shù)學(xué)模型。
[0027]圖4示出了圖3中的一些點(diǎn)上的電壓波形。
[0028]圖4A是圖4中所示的波形的另一種表示形式。
[0029]圖5是圖4中所示的電壓波形的放大視圖。
[0030]圖6是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的電路示意圖。
[0031]圖7是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的電路示意圖。
[0032]圖8示出了圖7中的一些點(diǎn)上的電壓波形。
[0033]圖9是圖8的A-A’部分中的波形的放大視圖。
[0034]圖10是根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的電路示意圖。
[0035]圖1OA是圖10中所示的實(shí)施例的數(shù)學(xué)模型。
[0036]圖11是根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的電路示意圖。
[0037]圖12是根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的電路示意圖。
[0038]圖13是本發(fā)明另一實(shí)施例的數(shù)學(xué)模型的高度概括的功能框圖。
[0039]圖14是本發(fā)明又一實(shí)施例的數(shù)學(xué)模型的高度概括的功能框圖。
[0040]圖15是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的電路示意圖。
[0041]圖15A是圖15中所示的實(shí)施例的數(shù)學(xué)模型。
[0042]圖16示出了輸入信號(hào)、根據(jù)先前實(shí)施例的電路的載波信號(hào)和根據(jù)圖15中所示的實(shí)施例的載波信號(hào)的電壓波形。
【具體實(shí)施方式】
_3] 圖1的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)
[0044]圖1的電路I示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該電路I作為穩(wěn)壓電源進(jìn)行工作。該電路I包括電源單元2、偏置發(fā)生器3、比較器4、有損積分器6、半橋開關(guān)電路7、低通濾波網(wǎng)絡(luò)11和負(fù)載12。
[0045]該電源單元2包括兩個(gè)相同的電壓源V2、V3，它們?cè)谥虚g點(diǎn)接地。
[0046]該偏置發(fā)生器3包括兩個(gè)電阻R4和R5，這兩個(gè)電阻R4和R5橫跨電源導(dǎo)軌V+和V-而串聯(lián)連接，在它們的連接點(diǎn)處產(chǎn)生偏置電壓VBiayVBias由每個(gè)電源導(dǎo)軌上的電壓和R5/(R4+R5)的比率來確定。
[0047]有損積分器6產(chǎn)生信號(hào)S2。該有損積分器6包括電阻Rl和R3，電阻Rl和R3在輸出端Outl與地之間端到端連接，電容器Cl位于電阻Rl和R3和地的連接點(diǎn)之間。信號(hào)S2在電阻Rl與R2的連接點(diǎn)處被分接出。因而該有損積分器是一個(gè)分壓的低通濾波器。該濾波器的轉(zhuǎn)折頻率由電阻Rl和R3的并聯(lián)等效電阻和電容器Cl的電容確定。理想的RC值應(yīng)被設(shè)置為高于所需的最大信號(hào)頻率。微妙但重要的事實(shí)是，在切換和穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出端Outl處的信號(hào)失真出現(xiàn)在積分器信號(hào)S2中。
[0048]該半橋開關(guān)電路7包括第一 NFET電路8和第二 NFET電路9，第一 NFET電路8和第二 NFET電路9串聯(lián)連接在正負(fù)電源導(dǎo)軌V+和V-之間，以在它們的連接點(diǎn)處產(chǎn)生輸出Outl。該NFET電路8通過反相器Yl 111在其輸入端接收信號(hào)DRV，該NFET電路9在其輸入端接收信號(hào)DRV。信號(hào)Outl表示半橋輸出電壓，并根據(jù)導(dǎo)通的那個(gè)FET而理想地為V+或V-o在實(shí)際應(yīng)用中，由于FET的非理想行為，這在穩(wěn)定狀態(tài)(非切換)或者切換模式下都是無法實(shí)現(xiàn)的。這種非理想行為導(dǎo)致信號(hào)Outl的失真，如果不進(jìn)行補(bǔ)償?shù)脑?，將?huì)轉(zhuǎn)而引起負(fù)載12處的潛在失真。這是傳統(tǒng)電路中常見的主要問題。
[0049]比較器4在其反相輸入端接收VBias，和在其非反相輸入端接收來自有損積分器的信號(hào)S2，以產(chǎn)生信號(hào)DRV。然后，該比較器比較該偏置信號(hào)VBia^ S2，并以較高的那個(gè)信號(hào)來切換高低電平。根據(jù)DRV信號(hào)的極性，該信號(hào)DRV切換NFET電路8和9中的一個(gè)導(dǎo)通和它們中的另一個(gè)關(guān)斷。理論上，切換速度是無限大的，但延遲存在于整個(gè)系統(tǒng)中。這些延遲包括比較器滯后、橋開關(guān)延遲、FET驅(qū)動(dòng)信號(hào)中的延遲和有損積分器的相移延遲。
[0050]圖1的實(shí)施例的操作
[0051]電路I的操作通過圖2中所示的信號(hào)軌跡來說明。為了簡(jiǎn)化對(duì)圖1中電路的理解，各NFET電路8和9可以視為是具有無限快轉(zhuǎn)換時(shí)間的二進(jìn)制狀態(tài)機(jī)。參閱圖2，當(dāng)信號(hào)DRV 220從高電平轉(zhuǎn)換到低電平時(shí)，上部的NFET8導(dǎo)通，同時(shí)下部的NFET9關(guān)斷。這意味著Outl目前等于V+，而在DRV改變之前等于V-。在有損積分器6的輸入中的階躍響應(yīng)變化在S2上引起斜坡電壓，在這種情況下從轉(zhuǎn)換之前的那里上升。在圖2中可以看出，作為波形DRV 220轉(zhuǎn)換的結(jié)果，波形S2210是一個(gè)三角形，或者斜坡函數(shù)。
[0052]當(dāng)該斜坡超過偏置(Bias) 230，DRV將會(huì)再次改變狀態(tài)，這將引起Outl從V+回到V-，轉(zhuǎn)而又會(huì)引起S2斜坡