專利名稱：雙模式d級放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及D級放大器，特別涉及具有一個或多個用于避免操作期間的AM無線電諧波頻率的操作模式的D級放大器。
D級功率放大器一般是脈寬調(diào)制放大器，它在遠(yuǎn)高于聲頻段最上方的頻率、常常是100kHz或更高的頻率上進(jìn)行切換。當(dāng)D級放大器在這些高頻切換時，切換頻率或其諧波可能干擾靠近D級放大器的AM無線電接收機。由于這些干擾問題，D級放大器不能輕易地集成到象立體聲接收機這樣的消費電子產(chǎn)品中，這些電子產(chǎn)品具有位于同一機架上的AM調(diào)諧器和功率放大器。在50kHz到2MHz范圍內(nèi)切換的D級調(diào)制器產(chǎn)生干擾AM無線電接收的諧波。這就阻礙了D級放大器在使用AM無線電的產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用。
在美國，AM無線電廣播的頻段從540到1700kHz，在世界范圍內(nèi)高達(dá)30MHz。為了采樣一個20kHz的音頻信號，D級調(diào)制器必須以高于200khz的頻率工作。由于這些調(diào)制器的輸出是脈寬調(diào)制方波，所以調(diào)制器產(chǎn)生奇次諧波和偶次諧波。將載波從揚聲器導(dǎo)線中去除的低通濾波器也衰減諧波。然而，要設(shè)計一個既能適應(yīng)高頻衰減、又能通過20kHz無線電信號而不影響敏感的AM接收機帶通的濾波器是不現(xiàn)實的。此外，帶有脈寬調(diào)制方波的印刷電路板跡線也產(chǎn)生輻射。這些輻射能夠由AM天線直接拾取。
理論上，通過保證D級調(diào)制器的時鐘頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于AM廣播波段可以解決該問題。但是由于下面的原因卻難以實現(xiàn)1)具有2MHz載波的FETs必須由大電流門電路驅(qū)動器切換。在占空比的極限值，即使由大電流門電路驅(qū)動，很短的開和關(guān)時間也是不可能實現(xiàn)的。因此，理論上的作用是有限的。2)快的切換時間將使得在30Mhz以上實現(xiàn)電磁兼容性(EMC)幾乎是不可能的。3)除非所有時鐘與立體聲和五個信道應(yīng)用同步，否則將產(chǎn)生干擾AM波段的IMD效果。4)具有較長恢復(fù)時間的MOSFETS的體二極管不能用于高頻。因此，需要Shottky整流二極管。在高于48伏直流電壓的總線電壓，該二極管的正向壓降將高于體二極管，并且體二極管由漏極二極管阻斷。5)在歐洲AM波段達(dá)到30Mhz。
本發(fā)明包括一個D級放大器，其特點是包含一個具有多個輸入的積分器，這些輸入包括音頻輸入、音頻反饋輸入和數(shù)字反饋輸入；一個用來接收積分器的輸出并產(chǎn)生脈沖序列的比較器，每一個脈沖對應(yīng)于比較器的兩個狀態(tài)中的一個并且具有與積分器的輸出斜率成正比的寬度；一個用于接收比較器的輸出脈沖并產(chǎn)生與脈沖寬度的持續(xù)時間成正比的門驅(qū)動信號的驅(qū)動電路；一個包含兩個或多個MOSFET的橋電路，每一個MOSFET都具有接收一個門驅(qū)動信號的門電路；一個連接到橋電路的輸出的低通濾波器，用來將橋電路的輸出切換為表示音頻輸入信號的功率信號；以及用于從輸出信號中消除輸入AM信號的諧波的連接到比較器的裝置。
本發(fā)明還包括用于避免D級放大器中的AM無線電干擾的方法，其特點是將AM信號轉(zhuǎn)換為幅值與AM信號的頻率成比例的直流信號；將直流信號與一個或多個基準(zhǔn)信號進(jìn)行比較來產(chǎn)生比較器信號，比較器信號用于表示直流信號是大于還是小于基準(zhǔn)信號；組合比較器信號的結(jié)果來產(chǎn)生頻率因子數(shù)；用頻率因子信號分頻AM號的頻率來產(chǎn)生一個用于D級放大器的振蕩器信號，其中AM信號最好是本機振蕩器信號。
本發(fā)明提供用于解決D級放大器干擾AM無線電頻帶的電路和方法。本發(fā)明的比較顯著方面是提供一個或多個頻率的參考標(biāo)準(zhǔn)。將AM無線電的本機振蕩器信號或切換放大器信號、或?qū)⒍叨寂c標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。接著，適當(dāng)?shù)碾娐沸薷那袚Q放大器信號以使得切換放大器信號遠(yuǎn)離調(diào)諧AM無線電臺和本機振蕩器，從而避免干擾的問題。本發(fā)明提供用于監(jiān)控本機振蕩器和切換信號并選擇一個切換振蕩器信號的裝置，該切換振蕩器信號具有一個既不是本機振蕩器也不是調(diào)諧AM無線電臺的諧波的頻率。本發(fā)明或者從本機振蕩器產(chǎn)生切換信號或者選擇另一個具有既不是本機振蕩器也不是調(diào)諧AM無線電臺的諧波的頻率的振蕩器。
在這些實施例中的每一個實施例，由被分頻的本機振蕩器信號控制的D級放大器可以是任何適合的放大器，該放大器包括一個具有自激振蕩脈沖寬度的調(diào)制器，調(diào)制器具有一個帶有來自放大器輸出的反饋的積分器和一個連接到積分器輸出的比較器。調(diào)制器的輸出連接到控制到MOSFET橋電路的電源的橋門電路驅(qū)動器。橋電路連接在高和低電壓電源總線之間并具有至少兩個相互串聯(lián)的MOSFET。所討論的D級放大器必須具有用于其切換頻率的外部控制的措施。
本機振蕩器信號出現(xiàn)在所有AM無線電設(shè)備，并處于一個比被設(shè)計為接收US廣播頻帶的無線電設(shè)備中的調(diào)諧無線電臺的頻率高450或455KHz的頻率上。在其他國家本機振蕩器可以出現(xiàn)在距無線電臺的不同偏移，但是只要偏移已知就可以設(shè)計電路。根據(jù)調(diào)諧器的設(shè)計本機振蕩器可以采取任何循環(huán)形式。本機振蕩器常常采用鎖相環(huán)電路產(chǎn)生的正弦波。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白可以通過使用較多數(shù)量的任何物理產(chǎn)品來實現(xiàn)模擬比較器實施例中的所述控制概念，這些物理產(chǎn)品包括但并不僅限于數(shù)字設(shè)備，例如復(fù)雜的可編程邏輯設(shè)備(CPLD)、現(xiàn)場可編程門電路陣列(FPGA)、微控制器、部分常規(guī)或常規(guī)專用集成電路(ASIC)、以及74xxxx系列集成電路邏輯門電路?？梢砸圆煌绞浇M合許多不同的模擬器件以實現(xiàn)這里所示算法的模擬部分，模擬器件包括電阻器、電容器、電感器、晶體管、以及場效應(yīng)管(FET)。未來的技術(shù)進(jìn)步可以產(chǎn)生能夠?qū)崿F(xiàn)該算法的其他物理設(shè)備。與用于實現(xiàn)該算法的設(shè)備無關(guān)，該算法的任何實現(xiàn)都涵蓋在本專利申請中。
本發(fā)明的一個實施例使用模擬比較器和數(shù)字計數(shù)器。該實施例從AM調(diào)諧器得到一個本機振蕩器信號并使用該信號來智能確定一個D級放大器的固定操作頻率。本機振蕩器信號被一個整數(shù)N所分頻，對于美國的AM廣播頻帶和為其設(shè)計了本系統(tǒng)的特定D級放大器，2＜N＜7。N在3和6之間變化，這包含了AM調(diào)諧器所用的本機振蕩器頻率范圍。選擇用于任何特定的本機振蕩器頻率的N，以便使該頻率及其將本機振蕩器頻率除以N所產(chǎn)生的諧波盡可能遠(yuǎn)離對應(yīng)于本機振蕩器的頻率的調(diào)諧無線電臺。
模擬比較器實施例提供一種根據(jù)預(yù)定算法確定適當(dāng)?shù)腘值的方法。該方法包括一組控制數(shù)字N分頻電路的模擬電壓比較器。N分頻電路將AM本機振蕩器脈沖序列的頻率進(jìn)行適當(dāng)值N分頻。
本發(fā)明的另一個實施例基于方波輸入振蕩器信號和一個用于將方波分頻為無干擾頻率的數(shù)字電路。該實施例從AM調(diào)諧器得到一個本機振蕩器信號并使用該信號來智能確定一個D級放大器的固定操作頻率。將本機振蕩器信號以一個整數(shù)N分頻，在這里示出的該控制方法的一個特定應(yīng)用中，對于美國的AM廣播頻帶，2＜N＜7。N將在3和6之間變化，這包含了AM調(diào)諧器所用的本機振蕩器頻率范圍。選擇N，以便使該頻率及其將本機振蕩器頻率除以N所產(chǎn)生的諧波盡可能遠(yuǎn)離對應(yīng)于本機振蕩器的頻率的調(diào)諧無線電臺。使切換諧波和基頻遠(yuǎn)離調(diào)諧無線電臺的頻率和本機振蕩器防止了電磁干擾。
在本文中描述了提供一種確定適當(dāng)?shù)腘值的方法的數(shù)字比較器實施例。該方法本質(zhì)上是一個數(shù)字窗口比較器，該數(shù)字窗口比較器由一個計數(shù)器和一個作為到三數(shù)字幅值比較器的輸入的鎖存器組成。該幅值比較器將一個分頻本機振蕩器的適當(dāng)?shù)腘值指示給N分頻電路。
所討論的D級放大器必須具有用于其切換頻率的外部控制的措施。具有外部輸入的這樣的放大器由本專利所述的算法控制。
第三實施例是兩個循環(huán)數(shù)字比較器電路。該實施例從AM調(diào)諧器得到一個本機振蕩器信號并使用該信號來智能確定一個D級放大器的固定操作頻率。將本機振蕩器信號以一個整數(shù)N分頻，對于這里所使用的特定放大器，對于美國的AM廣播頻帶，2＜N＞7。N將在AM調(diào)諧器所用的本機振蕩器頻率范圍內(nèi)變化。選擇N，以便使該頻率及其將本機振蕩器頻率除以N所產(chǎn)生的諧波盡可能遠(yuǎn)離對應(yīng)于本機振蕩器的頻率的調(diào)諧無線電臺。
在本文描述了一種用于確定N的適當(dāng)值的算法。該算法本質(zhì)上是一對頻率比較器，該對頻率比較器將本機振蕩器頻率與最大頻率以及在前檢測的頻率進(jìn)行比較。該頻率比較器將一個分頻本機振蕩器的適當(dāng)?shù)腘值指示給N分頻電路。
第四實施例基于根據(jù)本機振蕩器頻率與D級放大器的切換頻率的比較選擇多個時鐘或振蕩器中的一個。該實施例提供一種防止D級放大器干擾與其處于同一機架的AM無線電設(shè)備所產(chǎn)生的電磁干擾的電路和方法。在諸如AM/FM立體聲接收機、便攜式“音箱”之類的各種消費品電子音頻產(chǎn)品以及諸如Sony Walkman之類的個人立體聲設(shè)備中可以使用該方法。已經(jīng)開發(fā)了一種控制D級放大器的切換頻率以防止其切換基頻和諧波干擾機架內(nèi)的AM無線電設(shè)備的電子控制器。
參照附圖，現(xiàn)在以實例方式描述本發(fā)明，其中

圖1是一個典型的已有技術(shù)的D級放大器的示意圖；圖2是一個雙模式消除諧波的D級放大器的示意圖；圖3是一個雙模式組合D/AB級放大器的示意圖；圖4是一種將AM本機振蕩器用作D級放大器的時鐘源的方法的方框圖；圖5是一種將AM本機振蕩器用作D級放大器的時鐘源的方法的方框圖；圖6是一種用于將AM本機振蕩器下分頻為可由一個適當(dāng)?shù)腄級放大器使用的頻率的方框圖；圖7是一種用于將AM本機振蕩器用作一個對不干擾附近的AM無線電設(shè)備的D級放大器的切換頻率進(jìn)行智能控制判定的基準(zhǔn)的方法的方框圖。
MOSFET技術(shù)的進(jìn)步以及集成電路的進(jìn)步使得有可能將D級放大器用于音頻應(yīng)用中。D級放大器比AB級放大器更為有效。過去，D級放大器的不足包括較多的部件數(shù)、成本、電磁干擾、以及低性能。通過增加集成度和引入復(fù)雜的控制集成電路，這些不足正變得較不明顯。在不遠(yuǎn)的將來，在很多應(yīng)用中D級放大器將取代AB級放大器。在大功率應(yīng)用中D級放大器已經(jīng)具有明顯的優(yōu)勢。由于這些放大器的成本和部件數(shù)的降低，在小和中等功率應(yīng)用中D級放大器能夠等同于AB級放大器。
為克服D級放大器的低性能，可以使用圖1所示的本機振蕩可變頻率調(diào)制器。積分器10具有一個經(jīng)輸入電阻器RIN的音頻輸入。積分器10具有一個經(jīng)電阻器RDFB的數(shù)字反饋輸入A，以及在輸入B具有一個經(jīng)電阻器RAFB的模擬反饋。從橋電路20和包括電感器L和電容器CLP的低通濾波器的輸出得到相應(yīng)的模擬和數(shù)字反饋信號A、B。為便于理解，讓我們僅注意數(shù)字輸出A并假定沒有音頻輸入。在這種情況下，點A的輸出是具有50％占空比的方波。當(dāng)方波為高電平時，電流通過電阻器RDFB流入積分器10的求和點。其輸出直線減小直到其達(dá)到比較器12的負(fù)閾值。R1和R2用于增加到比較器12的滯后。這些電阻器可用于調(diào)整比較器的正負(fù)閾值。當(dāng)比較器12的輸出變小時，較高的FET22斷開，并在一個短的延遲之后，較低的FET24導(dǎo)通。方波變小，現(xiàn)在電流通過電阻器RDFB流出積分器10的求和點。積分器10的輸出反相并直線增加直到其達(dá)到比較器12的正閾值為止。這就向較低的FET24發(fā)出斷開信號并在一個短的延遲之后，接通較高的FET22。方波變高并繼續(xù)循環(huán)。當(dāng)沒有音頻信號時，點A的輸出是50％的方波，并且積分器10的輸出為三角波。
現(xiàn)在考慮使用音頻信號的情況。假定音頻信號為正，電流通過RIN流入積分器的求和點。電流還通過RAFB流出積分器的求和點(負(fù)反饋)。音頻信號對積分器求和點電流的凈貢獻(xiàn)為IRIN-IRAFB。當(dāng)較高的FET22接通時，電流IDFB和(IRIN-IRAFB)都流入求和點。這就增大了積分器10的輸出的斜坡。當(dāng)較高的FET24接通時，通過IDFB的電流反向并且兩個電流現(xiàn)在處于相反方向。這就減慢了直線減小?？梢詫⒁粋€類似的分析應(yīng)用到輸入信號為負(fù)的情況。
由于進(jìn)入比較器12的滯后恒定，正和負(fù)斜坡的斜率直接影響正和負(fù)脈沖寬度，以及占空比和比較器輸出的頻率。在較高的正音頻輸入電壓，音頻輸出變?yōu)樨?fù)，并且與低側(cè)切換的工作時間周期相比高側(cè)切換的工作時間可忽略。低側(cè)脈沖的寬度大約與輸出電壓成比例并且主要設(shè)定環(huán)路頻率。
聲音性能在音頻放大器中非常重要。音頻D級放大器必須具有低THD、低噪聲、以及平滑的頻率響應(yīng)。這些性能規(guī)定與放大器必須不干擾AM無線電設(shè)備的要求矛盾。解決辦法是雙模式操作。當(dāng)處于AM-兼容模式時，放大器必須不干擾AM無線電接收。由于AM無線電處于限定到5khz的頻帶并且背景噪聲較高，在多數(shù)情況下性能的輕微下降是可接收的。在其他方面，則設(shè)計目標(biāo)是最優(yōu)化聲音使之具有最大保真度。
圖2示出一種包括一個消除諧波的放大器的解決方法。AM接收機的本機振蕩器信號為大于所選擇的接收頻率450KHz。該信號向諧波消除電路提供知曉要消除的頻率所必須的信息。該信號還提供用于同步多個放大器的頻率標(biāo)準(zhǔn)，以避免可在所選頻率產(chǎn)生干擾的各個放大器時鐘的相互調(diào)制。
該放大器通過避免時鐘諧波與接收機所選頻率處于同一位置而解決了AM干擾問題。使用適當(dāng)?shù)臑V波、屏蔽、以及軟切換技術(shù)可以解決FM干擾。這種技術(shù)允許AM和FM接收的滿負(fù)荷操作，僅在AM兼容模式具有與固定頻率調(diào)制器有關(guān)的AM接收的音頻性能的較小下降。雙模式操作的概念不限定到該具體實例。雙模式操作可包含控制由切換放大器或其他放大技術(shù)在接收AM信號時產(chǎn)生的諧波的其他技術(shù)。AM干擾是主要問題。另外，音頻保真度是主要設(shè)計目標(biāo)。
圖3示出一種用于雙模式放大器的可能的方案。當(dāng)處于AM模式時，控制兩個MOSFETS作為一個AB級放大器。否則，該放大器作為一個D級放大器進(jìn)行工作。
AM/FM切換10設(shè)定操作模式。AM模式檢測模塊1根據(jù)該切換產(chǎn)生一個邏輯信號。如果AM-兼容模式被啟動，則該放大器作為一個AB級放大器進(jìn)行工作。將AM邏輯信號應(yīng)用到兩個傳輸門電路4，因此將AB級放大器直接連接到MOSFETS的柵極。同時，反相的AM信號使兩個門驅(qū)動器三態(tài)穩(wěn)定。檢測在兩個電阻器Re1和Re2上的壓降，提供限流保護(hù)。當(dāng)AM-兼容模式不被啟動時，該放大器作為一個D級放大器進(jìn)行工作。兩個傳輸門電路打開，使AB級與門電路斷開。反相的AM信號使能兩個門驅(qū)動器。
該放大器通過在AM-兼容模式時作為一個AB級放大器進(jìn)行工作來解決AM干擾問題。使用適當(dāng)?shù)臑V波、屏蔽、以及軟切換技術(shù)可以解決FM干擾。盡管最高功率對于兩個操作模式相同，但AB級放大器的低效限制了AM模式。
雙模式操作的概念不限于具體的實例。在理論上，該概念可以擴展到覆蓋A級和B級線性放大器。另外，雙模式操作可以包含控制切換放大器本身產(chǎn)生的諧波的其他技術(shù)。這就允許放大器在兩個高效模式之間切換。在AM模式，AM干擾是主要關(guān)注點。另一方面，音頻保真度是主要設(shè)計目標(biāo)。
圖4示出一種使用AM本機振蕩器(LO)作為D級放大器的時鐘源的方法。本機振蕩器信號100通過可以為有源或者無源電路的濾波器110輸入。只要濾波器的時間常數(shù)足夠長，輸入本機振蕩器頻率的變化將從濾波器導(dǎo)致幾乎為直流的、變化緩慢的輸出電壓150。輸出電壓的幅度隨著輸入AM本機振蕩器電壓的頻率變化輸入頻率越高，輸出電壓越高，反之亦然。將輸出電壓饋送給三個模擬滯后電壓比較器電路160、161、162。滯后特征使比較器脫離快速變化狀態(tài)，這樣，使比較器輸出穩(wěn)定。每個比較器具有不同的基準(zhǔn)電壓120、130或135作為其比較點。使用預(yù)定算法可以找到基準(zhǔn)電壓，該預(yù)定算法確定AM頻帶內(nèi)從一個N值切換到另一個的最佳點。最佳點基于所產(chǎn)生的切換頻率與調(diào)諧無線電臺的接近程度、最大希望切換頻率(由于考慮到效率)、最小希望切換頻率(基于音頻頻率濾波考慮)以及本機振蕩器頻率(450或455kHz)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白比較器所覆蓋的頻率范圍以及該算法隨輸入AM頻率和本機振蕩器的頻率的范圍變化。
組合邏輯180考慮三個模擬比較器的狀態(tài)并產(chǎn)生N的三比特值190。N是到數(shù)字N分頻電路的三比特二進(jìn)制輸入。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白可以使用包括AND、NAND、OR或NOR門電路的很多不同邏輯設(shè)備來設(shè)計組合邏輯模塊180。N分頻電路200以N190對LO輸入100的頻率進(jìn)行分頻。分頻LO 210是所產(chǎn)生的輸出。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白可以以很多不同方式創(chuàng)建N分頻電路，包括使用集成電路N分頻邏輯設(shè)備、其他現(xiàn)有的邏輯產(chǎn)品或門電平設(shè)計。分頻LO 210是基于LO 1O0的頻率的固定頻率的方波。分頻LO 210用于控制所連接的D級放大器的頻率。
這里是電路和方法如何實現(xiàn)提供一個不干擾輸入AM信號的D級振蕩器信號的實例。假定AM振蕩器處于1200kHz頻率。濾波器110是一個包括電容器和電阻器的無源電路。濾波器110將1200kHz信號轉(zhuǎn)換為4伏直流信號?；鶞?zhǔn)電壓信號在參考點A為6伏，在參考點B為3伏，以及在參考點C為1伏。比較器160、161、162為滯后比較器。當(dāng)輸入信號大于基準(zhǔn)信號時其輸出二進(jìn)制信號“1”，當(dāng)輸入信號小于基準(zhǔn)信號時其輸出二進(jìn)制信號“0”。這里輸出分別為0，1，1。邏輯電路180將二進(jìn)制輸出信號轉(zhuǎn)換為分頻輸入頻率的二進(jìn)制數(shù)?？赡艿亩M(jìn)制輸出信號的真值表如下
，輸入頻率從1200kHz分頻為400kHz。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白可以根據(jù)輸入頻率的范圍配置組合邏輯電路以提供不同的因子。比較器輸出可以與AND、OR、NOR或XNOR邏輯門電路組合以產(chǎn)生實際的結(jié)果。上述實例僅給出了一個簡單的邏輯電路。
圖5示出一種將AM本機振蕩器(LO)用作D級放大器的時鐘源的方法。方波LO100與低頻基準(zhǔn)時鐘頻率110A一起作為到12位計數(shù)器和鎖定電路120的輸入。(如果AM調(diào)諧器的LO不是方波，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白可以配置一個簡單的模擬電路將其轉(zhuǎn)換為方波。)12位計數(shù)器在很長的基準(zhǔn)時鐘周期期間累積來自LO的脈沖。當(dāng)基準(zhǔn)時鐘周期結(jié)束時，將計數(shù)器的最高有效8位鎖定到模塊120的輸出。由于計數(shù)器輸出的最低有效4位僅有助于濾波計數(shù)器值，因此將其丟棄。
8位鎖定計數(shù)器值130作為到三數(shù)字幅值比較器140到142的輸入。幅值比較器將三個不同的基準(zhǔn)值150、160、170與鎖定計數(shù)器值130進(jìn)行比較。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白可以以不同方式實現(xiàn)幅值比較器。一種可能的方式是用兩個7485型的數(shù)字四位比較器級聯(lián)成每個八位比較器。還要求在每個比較器內(nèi)部具有滯后以便使邊界條件處的噪聲不影響比較器140-142輸出的穩(wěn)定性。
基準(zhǔn)值150、160、和170對應(yīng)于N值應(yīng)該變化之處的頻率。根據(jù)一個特定的算法和本機振蕩器頻率100與基準(zhǔn)時鐘頻率的比率確定基準(zhǔn)值。N可以是3和6之間所包含的一個整數(shù)。每個8位幅值比較器具有指示基準(zhǔn)值150、160、或170是否小于、等于或大于鎖定計數(shù)器值130的三個輸出180。所有三個比較器的三個輸出180作為到向組合邏輯200提供信號的濾波器電路190的輸入，組合邏輯200根據(jù)比較器的濾波輸出設(shè)定N210的三位值。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，可以使用包含AND、NAND、OR和NOR門電路的很多不同邏輯設(shè)備來設(shè)計組合邏輯模塊200和濾波器電路190。
N分頻電路220取得N210值和方波LO輸入100，并由N210分頻LO輸入100。分頻LO230是N分頻電路210的輸出。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白可以以不同方式實現(xiàn)N分頻電路210，包括使用集成電路N分頻邏輯設(shè)備、其他現(xiàn)有的邏輯產(chǎn)品或門電平設(shè)計。分頻LO230是基于LO100的頻率的固定頻率方波。使用分頻LO220控制所連接的D級放大器的頻率。
這里是該電路和方法如何實現(xiàn)提供一個不干擾輸入AM信號的D級振蕩器信號的實例。假定AM振蕩器處于1200kHz頻率。12位計數(shù)器120計數(shù)AM本機振蕩器100在一個固定的時間周期內(nèi)的脈沖。將計數(shù)的最高有效8位周期性地鎖定到計數(shù)器和鎖定120的輸出130。假定計數(shù)器和鎖定120的輸出130為“200”。則“200”作為最高有效8位被鎖定以提供一個輸入信號到三個比較器140、141、142。每個比較器分別存儲或接收一個基準(zhǔn)數(shù)A、B和C?；鶞?zhǔn)數(shù)對應(yīng)于輸入本機振蕩器信號的980-2160kHz范圍內(nèi)的AM信號的頻率斷點。例如，基難A可以是“220”，基準(zhǔn)B可以是“150”以及基準(zhǔn)C可以是“100”。比較器140-142輸出表示該輸入是大于、小于、還是等于基準(zhǔn)數(shù)的兩位二進(jìn)制數(shù)。例如，當(dāng)輸入信號大于基準(zhǔn)信號時比較器具有一個二進(jìn)制輸出“010”，當(dāng)輸入信號小于基準(zhǔn)信號時具有輸出“001”，當(dāng)輸入信號等于基準(zhǔn)信號時具有輸出“100”。
邏輯電路180將比較器的二進(jìn)制輸出信號轉(zhuǎn)換為分頻輸入頻率的二進(jìn)制數(shù)。選擇基準(zhǔn)數(shù)之間的差值使其對應(yīng)于所要求的頻率的范圍。例如，大于A的數(shù)可以對應(yīng)于大于1800kHz的頻率；A和B之間對應(yīng)于1500-1800kHz；1200-1500對應(yīng)于B和C之間的一個數(shù)，以及任何小于C的數(shù)對應(yīng)于小于1200kHz的頻率。這樣的選擇建立選擇分頻AM本機振蕩器頻率的數(shù)N的算法。例如，小于1200kHz范圍內(nèi)的頻率由3分頻以保持所產(chǎn)生的切換頻率遠(yuǎn)離450kHz或其任何諧波。
組合邏輯將比較器的結(jié)果轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。適當(dāng)?shù)倪壿嬏峁┮粋€大于1并小于8的輸出整數(shù)因子信號。輸入頻率由該因子分頻以產(chǎn)生不干擾AM信號的D級振蕩器信號。這里011產(chǎn)生一個因子3，輸入頻率從1200kHz分頻到400kHz。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到可以根據(jù)輸入頻率范圍配置組合邏輯電路以提供不同的因子。比較器的輸出可以與AND、OR、NOR或XNOR邏輯門電路組合以產(chǎn)生實際結(jié)果。上述實例僅給出一個簡單的邏輯電路。
圖6示出一個進(jìn)行所述算法的AM無線電本機振蕩器(LO)信號1600。該信號通過N分頻電路，N分頻電路通過處于3和6之間所包含的整數(shù)值N分頻LO頻率。分頻本機振蕩器620是來自該電路的輸出。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到可以以很多不同方式創(chuàng)建N分頻電路，包括使用集成電路N分頻邏輯設(shè)備、其他現(xiàn)有的邏輯產(chǎn)品或門電平設(shè)計。分頻LO620是基于LO600的頻率的固定頻率的方波。分頻LO620用于控制所連接的D級放大器的頻率。
通過將兩個頻率比較器電路用作反饋控制器來確定N值。一個比較器630將分頻LO與最大頻率“最高限度”進(jìn)行比較，最高限度根據(jù)所要求的最大工作頻率和在切換諧波和最高限度提供的調(diào)諧無線電臺之間的差額確定。如果分頻LO頻率大于最高限度，則增加N值。通過增加N值，分頻LO頻率將減小。最高限度比較器630將一直增加N，直到分頻LO處于或小于頻率最高限度為止。當(dāng)分頻LO小于頻率最高限度時，最高限度比較器630不再增加N。只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率最高限度，當(dāng)本機振蕩器處于其最大頻率2260kHz時N將處于其最大值6。對于一個特定的D級放大器頻率最高限度為360kHz。360kHZ提供切換諧波與調(diào)諧無線電臺分開的最大可能，同時保持適合于至少一個特定D級放大器設(shè)計的切換。
剛才所述反饋回路僅增加N。如果AM無線電設(shè)備的用戶正調(diào)諧AM頻帶使其減小，則不存在減小N值的機構(gòu)，分頻LO將減少到這樣的低頻，即，所連接的D級放大器將其輸出濾波器切換的太慢以致不能完全消除切換頻率及其來自輸出的諧波。另外，N將不處于避免AM無線電干擾的正確值。因此，設(shè)計了重新將N設(shè)定到其三個值中的最小值的機構(gòu)。重新設(shè)定N的反饋回路640與最高限度比較器630反饋回路并行工作。
N重新設(shè)定反饋回路640將一個最近的LO頻率值存儲在諸如數(shù)字計數(shù)器之類的存儲器中。該回路將當(dāng)前LO頻率與存儲在其存儲器內(nèi)的一個頻率進(jìn)行比較。如果新頻率小于已有頻率，則用戶正將AM無線電設(shè)備從較高電臺向較低電臺調(diào)諧。這樣的變化將N重新設(shè)定到其三個值中的最小值。如果N值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于新調(diào)諧的電臺，則最高限度比較器將檢測該情況并適當(dāng)?shù)卦黾覰。
圖7示出一種將AM本機振蕩器(LO)用作一個D級放大器控制器的確定時鐘源的方法。方波LO100與低頻基準(zhǔn)時鐘頻率110A一起作為到12位計數(shù)器和鎖定電路120的輸入。(如果AM調(diào)諧器的LO不是方波，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白可以配置一個簡單的模擬電路將其轉(zhuǎn)換為方波。)12位計數(shù)器在很長的基準(zhǔn)時鐘周期期間累積來自LO的脈沖。當(dāng)基準(zhǔn)時鐘周期結(jié)束時，將計數(shù)器的最高有效8位鎖定到模塊120的輸出。由于計數(shù)器輸出的最低有效4位僅有助于濾波計數(shù)器值，因此將其丟棄。
8位鎖定計數(shù)器值130作為到三數(shù)字幅值比較器140到142的輸入。幅值比較器140-142將三個不同的基準(zhǔn)值150、160、170與鎖定計數(shù)器值130進(jìn)行比較。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白可以以不同方式實現(xiàn)幅值比較器140-142。一種可能的方式是用兩個7485型的數(shù)字四位比較器級聯(lián)成每個八位比較器。還要求在每個比較器內(nèi)部具有滯后，或在計數(shù)器之后使用濾波190，以便使窗口比較器轉(zhuǎn)換點附近的計數(shù)值處的噪聲不影響比較器140-142輸出的穩(wěn)定性。
基準(zhǔn)值150、160和170對應(yīng)于控制器應(yīng)在不同的振蕩器頻率之間觸發(fā)的頻率。根據(jù)一個特定的算法和本機振蕩器頻率100與基準(zhǔn)時鐘頻率110的比率確定基準(zhǔn)值。
邏輯模塊200用于確定哪個外部振蕩器220應(yīng)由電子開關(guān)210啟動。如果輸出振蕩器220的頻率被正確拾取并且適當(dāng)?shù)剡x擇了使其工作的基準(zhǔn)頻率150，則所產(chǎn)生的分頻D級放大器的輸出頻率230將一直產(chǎn)生一個不影響調(diào)諧AM無線電臺的切換頻率和諧波。
在50khz到2MHz范圍切換的脈寬調(diào)制(“D級”)放大器和控制器產(chǎn)生影響AM無線電接收的諧波。這就妨礙了D級放大器在具有AM無線電接收的產(chǎn)品中廣泛使用。本文所述放大器在通過AM無線電進(jìn)行操作時使用改進(jìn)的調(diào)制技術(shù)以避免在接收機所選頻率或其中間(IF)頻率產(chǎn)生諧波。一個實施例使用諧波消除調(diào)制器。第二實施例使用兩個或多個振蕩器用于測試失真最小的輸出信號。第三實施例在放大AM信號時將操作模式切換到AB級放大器。
權(quán)利要求
1.一種D級放大器，其特征在于包含一個具有多個輸入的積分器，這些輸入包括音頻輸入、音頻反饋輸入和數(shù)字反饋輸入；一個用來接收積分器的輸出并產(chǎn)生脈沖序列的比較器，每一個脈沖對應(yīng)于比較器的兩個狀態(tài)中的一個并且具有與積分器的輸出斜率成正比的寬度；一個用于接收比較器的輸出脈沖并產(chǎn)生與脈沖寬度的持續(xù)時間成正比的門驅(qū)動信號的驅(qū)動電路；一個包含兩個或多個MOSFETS的橋電路，每一個MOSFETS都具有接收門驅(qū)動信號的門電路；一個連接到橋電路的輸出的低通濾波器，用來將橋電路的輸出轉(zhuǎn)換為表示音頻輸入信號的功率信號；以及連接到比較器的、用于從輸出信號中消除輸入AM信號的諧波的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的D級放大器，其中連接到比較器的裝置包括一個連接到比較器的用于檢測輸入AM信號頻率的諧波消除檢測電路，響應(yīng)諧波消除檢測電路用于產(chǎn)生與輸入AM頻率完全不同的比較器切換信號的本機振蕩器裝置，其中連接到比較器的裝置包括一個連接到放大器的輸出用于檢測諧波干擾輸入AM信號的干擾檢測電路、兩個或多個固定振蕩器、以及連接到固定振蕩器和干擾檢測電路的用于選擇振蕩器中產(chǎn)生最小干擾的振蕩器的裝置，以及連接到比較器的裝置還包括用于檢測AM輸入信號的裝置、響應(yīng)所述AM信號用于斷開比較器與驅(qū)動器電路并將輸入音頻信號連接到驅(qū)動器電路以便使橋電路用作AB級放大器的裝置。
3.一種避免D級放大器中的AM無線電干擾的方法，其特征在于將AM信號轉(zhuǎn)換為幅值與AM信號的頻率成比例的直流信號；將直流信號與一個或多個基準(zhǔn)信號進(jìn)行比較來產(chǎn)生比較器信號，比較器信號用于表示直流信號是大于還是小于基準(zhǔn)信號；組合比較器信號的結(jié)果來產(chǎn)生頻率因子數(shù)；用頻率因子信號分頻AM信號的頻率來產(chǎn)生一個用于D級放大器的振蕩器信號，其中AM信號最好是本機振蕩器信號。
4.如權(quán)利要求3所述方法，其中將AM信號轉(zhuǎn)換為直流信號的步驟包括使用一個或多個基準(zhǔn)電壓進(jìn)行有源濾波或無源濾波的步驟，其中該因子為大于1并小于8的整數(shù)。
5.一種用于避免D級放大器中的AM無線電干擾的電路，其特征在于用于濾波AM信號以便將其轉(zhuǎn)換為幅值與AM信號的頻率成比例的直流信號的裝置，用于將直流信號與一個或多個基準(zhǔn)信號進(jìn)行比較來產(chǎn)生表示直流信號是大于還是小于基準(zhǔn)信號的比較器信號的裝置，用于邏輯組合比較器信號的結(jié)果來產(chǎn)生頻率因子數(shù)的裝置，用于用頻率因子信號分頻AM信號的頻率來產(chǎn)生一個用于D級放大器的振蕩器信號的裝置，其中AM信號最好是本機振蕩器信號。
6.如權(quán)利要求5所述電路，其中用于濾波的裝置包括一個有源或無源濾波器，基準(zhǔn)信號包括一個或多個基準(zhǔn)電壓，其中用于分頻的裝置產(chǎn)生大于1并小于8的整數(shù)因子。
7.一種用于避免D級放大器中的AM無線電干擾的電路，其特征在于用于轉(zhuǎn)換AM信號以便將其轉(zhuǎn)換為幅值與AM信號的頻率成比例的直流信號的一個濾波器，用于將直流信號與一個或多個基準(zhǔn)信號進(jìn)行比較來產(chǎn)生表示直流信號是大于還是小于基準(zhǔn)信號的比較器信號的多個比較器，用于邏輯組合比較器信號的結(jié)果來產(chǎn)生頻率因子數(shù)的組合邏輯電路，用于用頻率因子信號分頻AM信號的頻率來產(chǎn)生一個用于D級放大器的振蕩器信號的分頻電路。
8.一種避免D級放大器中的AM無線電干擾的方法，其特征在于將AM信號轉(zhuǎn)換為幅值與AM信號的頻率成比例的二進(jìn)制信號；將轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制信號與一個或多個基準(zhǔn)二進(jìn)制信號進(jìn)行比較來產(chǎn)生比較器信號，比較器信號用于表示二進(jìn)制信號是大于還是小于基準(zhǔn)二進(jìn)制信號；組合比較器信號的結(jié)果來產(chǎn)生頻率因子數(shù)；用頻率因子信號分頻AM號的頻率來產(chǎn)生一個用于D級放大器的振蕩器信號，其中AM信號最好是本機振蕩器信號。
9.如權(quán)利要求8所述方法，包括對比較器的輸出二進(jìn)制信號進(jìn)行濾波的步驟，其中存在一個或多個基準(zhǔn)二進(jìn)制信號，因子為大于1并小于8的整數(shù)。
10.一種用于避免D級放大器中的AM無線電干擾的電路，包括用于將AM信號轉(zhuǎn)換為幅值與AM信號的頻率成比例的二進(jìn)制信號的裝置；用于將轉(zhuǎn)換二進(jìn)制信號與一個或多個基準(zhǔn)二進(jìn)制信號進(jìn)行比較來產(chǎn)生比較器信號的裝置，比較器信號用于表示直流信號是大于還是小于基準(zhǔn)信號；用于組合比較器信號的結(jié)果來產(chǎn)生頻率因子數(shù)的裝置；用于用頻率因子信號分頻AM信號的頻率來產(chǎn)生一個用于D級放大器的振蕩器信號的裝置，其中AM信號是本機振蕩器信號，基準(zhǔn)信號包括一個或多個基準(zhǔn)二進(jìn)制信號，用于分頻的裝置產(chǎn)生一個大于1并小于8的整數(shù)因子。
11.一種用于避免D級放大器中的AM無線電干擾的電路，其特征在于用于接收一個輸入振蕩器信號并產(chǎn)生與輸入振蕩器信號頻率成比例的輸出二進(jìn)制信號的計數(shù)器和鎖定電路；用于將二進(jìn)制信號與基準(zhǔn)二進(jìn)制信號并比較來產(chǎn)生比較器信號的多個比較器，比較器信號用于表示二進(jìn)制信號是大于還是小于或等于基準(zhǔn)二進(jìn)制信號；用于組合比較器輸出信號以產(chǎn)生頻率因子信號的組合邏輯電路；用于用頻率因子信號分頻AM信號的頻率來產(chǎn)生一個用于D級放大器的振蕩器信號的分頻電路。
12.一種用于避免D級放大器中的AM無線電干擾的方法，其特征在于由一個整數(shù)因子信號分頻AM信號的頻率以產(chǎn)生一個不干擾本機振蕩器信號的用于D級放大器的分頻振蕩器信號；將分頻振蕩器信號的頻率與基準(zhǔn)頻率進(jìn)行比較；當(dāng)分頻信號的頻率與基準(zhǔn)頻率相差較大時改變整數(shù)分頻因子。
13.一種用于避免D級放大器中的AM無線電干擾的方法，包括由一個整數(shù)因子信號分頻AM號的頻率以產(chǎn)生一個不干擾本機振蕩器信號的用于D級放大器的分頻振蕩器信號；將分頻振蕩器信號的頻率與基準(zhǔn)頻率進(jìn)行比較；將分頻振蕩器信號的頻率與其最近的頻率比較；當(dāng)分頻信號的頻率大于基準(zhǔn)頻率時增加整數(shù)分頻因子；當(dāng)本機振蕩器的頻率小于本機振蕩器的最近頻率時將因子重新設(shè)定到最小，其中本機振蕩器在980kHz到2260kHz范圍內(nèi)變化，最小整數(shù)為3，以及整數(shù)值在從3到6所包含的整數(shù)內(nèi)變化。
14.一種用于避免D級放大器中的AM無線電干擾的電路，包括用于由整數(shù)因子信號分頻AM信號頻率以產(chǎn)生一個不干擾本機振蕩器信號的用于D級放大器的分頻振蕩器信號的裝置；將分頻振蕩器信號的頻率與基準(zhǔn)頻率進(jìn)行比較的裝置；將本機振蕩器信號的頻率與其最近的頻率比較的裝置；當(dāng)分頻信號的頻率大于基準(zhǔn)頻率時增加整數(shù)分頻因子的裝置；當(dāng)本機振蕩器的頻率小于本機振蕩器的最近頻率時將因子重新設(shè)定到最小的裝置，其中本機振蕩器在980kHz到2260kHz圍內(nèi)變化，最小整數(shù)為3，以及整數(shù)值在從3到6所包含的整數(shù)內(nèi)變化。
15.一種用于避免D級放大器中的AM無線電干擾的電路，包括用于接收輸入本機振蕩器信號并由整數(shù)分頻本機振蕩器信號的頻率以產(chǎn)生一個不干擾本機振蕩器信號的用于D級放大器的分頻振蕩器信號的N分頻電路；將分頻振蕩器信號的頻率與基準(zhǔn)頻率進(jìn)行比較的第一比較器；將本機振蕩器信號的頻率與其最近的頻率比較的第二比較器；當(dāng)分頻信號的頻率大于基準(zhǔn)頻率時增加整數(shù)分頻因子的加法器電路；當(dāng)本機振蕩器的頻率小于本機振蕩器的最近頻率時將因子重新設(shè)定到最小的重新設(shè)定電路，其中本機振蕩器在980kHz到2260kHz圍內(nèi)變化，最小整數(shù)為3，以及整數(shù)值在從3到6所包含的整數(shù)內(nèi)變化。
16.一種避免D級放大器中的AM無線電干擾的方法，包括將AM信號轉(zhuǎn)換為幅值與AM信號的頻率成比例的二進(jìn)制信號；將轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制信號與一個或多個基準(zhǔn)二進(jìn)制信號進(jìn)行比較來產(chǎn)生比較器信號，比較器信號用于表示直流信號是大于還是小于或等于基準(zhǔn)二進(jìn)制信號；邏輯組合比較器信號的輸出來產(chǎn)生振蕩器選擇信號；選擇多個振蕩器中對應(yīng)于振蕩器選擇信號的振蕩器，還包括對比較器的輸出二進(jìn)制信號進(jìn)行濾波的步驟，其中存在一個或多個基準(zhǔn)二進(jìn)制信號。
17.一種用于避免D級放大器中的AM無線電干擾的電路，包括將AM信號轉(zhuǎn)換為幅值與AM信號的頻率成比例的二進(jìn)制信號的裝置；將轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制信號與一個或多個基準(zhǔn)二進(jìn)制信號進(jìn)行比較來產(chǎn)生比較器信號的裝置，比較器信號用于表示二進(jìn)制信號是大于還是小于或等于基準(zhǔn)二進(jìn)制信號；邏輯組合比較器信號的輸出來產(chǎn)生振蕩器選擇信號的裝置；選擇多個振蕩器中對應(yīng)于振蕩器選擇信號的振蕩器的裝置；AM信號是一個本機振蕩器信號；基準(zhǔn)信號包括一個或多個基準(zhǔn)二進(jìn)制信號。
18.一種用于避免D級放大器中的AM無線電干擾的電路，包括接收輸入振蕩器信號并產(chǎn)生與輸入振蕩器信號的頻率成比例的輸出二進(jìn)制信號的計數(shù)器和鎖定電路；用于將二進(jìn)制信號與基準(zhǔn)二進(jìn)制信號進(jìn)行比較并產(chǎn)生比較器輸出信號的多個比較器，比較器輸出信號用于表示二進(jìn)制信號是大于還是小于或等于基準(zhǔn)二進(jìn)制信號；用于組合比較器輸出信號來產(chǎn)生頻率選擇信號的組合邏輯電路；多個振蕩器，每個振蕩器的頻率與其他振蕩器不同，并響應(yīng)振蕩器選擇信號以便將一個相應(yīng)的振蕩器連接到消除電路的輸出。
全文摘要
在50khz到2MHz范圍內(nèi)切換的脈寬調(diào)制(“D級”)放大器和控制器產(chǎn)生干擾AM無線電接收的諧波。這就妨礙了D級放大器在具有AM無線電接收的產(chǎn)品中廣泛使用。本文所述放大器在通過AM無線電進(jìn)行操作時使用改進(jìn)的調(diào)制技術(shù)以避免在接收機所選頻率或其中間(IF)頻率產(chǎn)生諧波。一個實施例使用諧波消除調(diào)制器。第二實施例使用兩個或多個振蕩器用于測試失真最小的輸出信號。第三實施例在放大AM信號時將操作模式切換到AB級放大器。
文檔編號H04B15/02GK1267955SQ9912299
公開日2000年9月27日 申請日期1999年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月22日
發(fā)明者戴維·霍伊特, 阿克紹·赫爾南德斯, 帕特里克·伯格利, 斯圖爾特·普雷, 杰弗里·斯特朗 申請人:英特賽爾公司