Ｄ类放大器控制电路及其方法技术

本发明专利技术提供了一种用于Ｄ类放大器的电路和方法。在一个示例性实施例中，公开了一种音频放大器。提供一种用于驱动高和低侧驱动器晶体管的闭合回路构造，每一个电路都与改进的亚微米半导体工艺兼容。模拟时变输入耦合到∑－Δ模拟数字转换器的一个输入。来自输出的反馈信号也输入到该模拟数字转换器。位流通过模拟数字转换器输出。抽取器接收这种位流并在较低频率下将样本降频变换为数字值。具有适应系数的数字滤波器用于过滤该信号，且接着数字脉冲宽度调节器产生一模拟差分ＰＷＭ信号。预驱动器输入ＰＷＭ信号且得到输出选通信号以控制Ｄ类放大器的高和低侧驱动器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用放大器控制电路提供改进的D类放大器的电路和方法。
技术介绍
某些电路需要用于操作的模拟信号处理。这样的实例包括用于D类放大 器的驱动电路。典型地，驱动电路输出用于高和低侧驱动的选通信号。例如， 这些可以是耦合到负载的诸如功率MOSFET晶体管的功率器件。通常，可以 将集成电路提供为驱动器电路。例如过流保护、过载保护、过温度保护的额外 功能、测试功能和其他系统功能可以包括在这种集成电路中。在典型应用中， 驱动器控制电^4妄收将要输出到负载的模拟输入信号，且控制电路还通过对应 于输出信号的模拟反馈信号监控到负载的输出。反馈控制电路系统用于通过控 制电路来调节高和低驱动器选通信号输出，以补偿电路使其正常运行。D类放大器优选用于多种应用，因为选通信号的完全"开启"和完全"关闭" 的特性确保电路的驱动器部分非常有效。有利地，在D类放大器中，高侧和 低侧MOSFET驱动器晶体管都没有在所谓的"线性"方式下操作。驱动器晶体 管选通信号被设置为，使晶体管完全开启和完全关闭。避免了因晶体管在"有 源，，模式下的操作范围而由此产生的阻抗。这种方案避免了被偏置在线性模式 下的晶体管产生的热生成电阻动作。而且，在许多典型的现有D类电路中，控制电路系统在从高侧驱动器开 启点到低侧驱动器开启点的转换之间建立一个短暂的"无效时间(dead time )"。 "无效时间"的目的是避免"贯通(shoot through)"电流。在贯通中，高侧和低 侧驱动器都暂时地开启，生成从正电源电压到接地或负电源电压终端的电流； 这就导致了功率的散失和非常低效率的电路操作。通过利用无效时间控制方 案，贯通现象得以降低。放大器晶体管经常在其最有效模式下操作的事实还可 以消除用以冷却电路的隔热板和风扇的需求，隔热板和风扇是昂贵和消耗面积的。相反，其他电路布局，例如A类、B类或A/B类通常需要这些冷却措施。D类放大器尤其通常用作低频放大器，因为其高效率和低热耗散特性。低 频放大器的一个具体应用是用作音频放大器。音频应用中的D类放大器接收 在人类音频范围的频率下的输入信号，即不超过20kHz的低频时变信号，作 为其信号输入。典型地，在已知的放大器电路中，这种输入接着与来自锯齿波 或其他斜波信号发生器的更高的频率信号相比4交。利用比较器生成方波形式的 合成脉宽调制(PWM)信号。这种PWM信号接着用于形成用于驱动器晶体 管的开关信号和选通信号。这些信号的频率将等于斜波或锯齿波的频率。这种 PWM信号用作形成用于放大器晶体管的高和低驱动器选通信号。图1说明了一种现有技术的D类音频放大器的电路简图。图1中，音频 输入源11提供差分电压输入，其信号在大约20Hz-20kHz的音频范围内。接 着，模拟积分器13输出差分积分信号到比较器19和17，比较器19和17输 出差分脉宽调制信号(PWM)到H-桥接器，并接着输出到IC21中的PMOS 和NMOS驱动器电路。在这个非限制性的音频放大器的实例中，电路输出接 着驱动一个常规的例如作为负载的8或4Q的扬声器23。如在现有技术中所公 知的，如果斜波发生器15用于驱动比较器，则PWM输出信号会产生与斜波 或锯齿波频率相同的频率。如本领域技术人员所公知的，D类放大器有时称作"数字，，放大器，然而严 格来说，这个术语并不准确。这只不过意味着图1中的驱动器IC21中的功率 晶体管被完全开启或完全关闭的操作。虽然现有技术的D类音频放大器是有效的，但是现有技术的电路有几个 方面使得其不适于集成到现代集成电路中。例如图1的模拟积分器和斜波发生 器所需的模拟部件难于在现代半导体制造工艺中以足够的精度来可靠的生产， 例如45纳米以及更小的最d、特征尺寸半导体制造技术。而且，这些改进的超 深亚微米半导体工艺通常适于制造数字信号级电路，而不适用于制造精密模拟 电路系统。所设计的核心供电电压非常低；应用于现代集成电路中的核心供电 电压等级不断下降且目前在1伏特左右并趋向于更低。这种低供电电压等级使 得针对较大电压摆动的输入信号的放大率的精确放大器设计变得非常困难。应 用于精密模拟电路系统中的例如电容和电阻的无源器件的设计值可以经受工7艺、温度或其他影响的变化。这些部件的值的变化使得反馈回路的控制非常困 难，且为本领域技术人员所公知的，回路控制对于在这样的反馈系统中保持稳 定是必需的，以便防止模拟回路控制电路例如发生振荡。因此， 一直需要与改进的亚微米半导体工艺相兼容的改进的D类放大器。 该电路应当配置最小数量的所需无源或精密模拟部件，且应当具有工艺和电压公差的回路控制功能。D类放大器电路应当是适应性强的，以便避免由于工艺 变化以及在使用该电路的环境下的温度、电源电压、负载电流的变化或其他变 化而改变的这些部件的值而引起的电路可靠性问题。
技术实现思路
上述这些和其他的问题通过本专利技术通常是可以解决或是可以避免的，且通 常通过本专利技术的实施例的技术优势可以实现，其提供配备了使用与先进的半导 体工艺兼容且具有低核心供电电压的主数字电路系统和电路系统的D类放大 控制电路的电路和方法。控制电路对实现用于例如音频信号的低频时变输入信 号的D类放大器特别有用。其他D类放大器应用也可通过本专利技术实施例的应 用而受益，例如R/F、 1/F和超声应用。在本专利技术的示例性实施例中，提供一种D类放大器控制电路，其包括 用于接收低频时变输入信号的输入；用于将模拟输出耦合到低通滤波器的反馈 路径；耦合到时变输入且进一 步耦合到低通滤波反馈信号的模拟数字转换器， 其输出一个表示所述输入信号和低滤波反馈信号之间的差的幅值的数字值；数 字滤波器，其被耦合接收和利用可编程系数放大所述数字值，以输出数字滤波 器信号；数字模拟转换器，其用于产生具有脉宽(幅值)对应于数字滤波器输 出信号的脉宽调制输出信号；以及预驱动器电路，其耦合到脉宽调制输出信号， 为D类放大器的高侧和低侧驱动器输出驱动器门控制信号。在另一示例性实 施例中，提供前述D类放大器控制电路，其中输入信号的频率在人类音频范 围内。在前述D类放大器控制电路的另一实施例中，模拟数字转换器包括2-A模拟数字转换器。在前述D类放大器控制电路的又一实施例中，电路进一步 包括耦合在S - A模拟数字转换器和数字滤波器之间的抽取器(decimator )。仍然在另一实施例中，提供一种D类放大器控制电路，其接收时变输入8信号和反馈信号至S - A模拟数字转换器，其中Z _ A模拟数字转换器进一步包括两个分支输入开关电容电路，其接收时变输入信号至第一分支，以及接收模 拟反馈信号至第二分支，分支输入开关电容电路在两相非重叠时钟信号的第一 相位期间采样第 一和第二分支，且其在两相非重叠时钟信号的第二相位期间积分采样电压。在具有S-A模拟数字转换器的D类放大器的另一实施例中，Z - A模拟数字转换器进一步包括一共模抑制电路。仍然在前述具有i: - A模拟数 字转换器的D类放大器的另一实施例中，模拟数字转换电路是一种过采样电 路，该过采样电路输出位流且抽取器是以过采样频率为时钟的计数器，其输出 在一个周期内位流脉冲的计数。在D类放大器控制电路的另一示例性实施例 中，提供S-A模拟数字转换器和抽取器电路，其中过采样频率是一种在大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ｄ类放大器控制电路，包括：　　输入，用于接收具有小于１００ｋＨｚ的频率的时变输入信号；　　反馈路径，用于耦合模拟输出信号；　　低通滤波器，其耦合到反馈路径且输出一个低通滤波反馈信号；　　模拟数字转换器，其耦合到上述输入且进一步耦合到上述低通滤波反馈信号且输出一个表示所述输入信号和低通滤波反馈信号之间差值的数字值；　　数字滤波器，其被耦合以接收所述数字值且利用可编程系数放大所述数字值并输出数字滤波输出信号；　　数字模拟转换器，用于产生一个频率与所述数字滤波输出信号相对应的脉宽调制输出信号；以及　　预驱动器电路，其耦合到所述脉宽调制信号并输出用于Ｄ类放大器的高侧和低侧驱动器的驱动器门控制信号。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：艾瑞克索恩，阿兰鲁思，石硕，
申请(专利权)人：台湾积体电路制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]