专利名称：可噪声修整的功率放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种功率放大器，特别是涉及一种可噪声修整的功率放大器。
背景技术：
参考图1, 一般功率放大器，尤其是音频功率放大器，会采用负回授设 计以得到一稳定增益，同时为了消除高频噪声，会串接一低通滤波器，该 低通滤波器通常为一积分电路。如图1所示，回授电路110将差动模式输出信号对Vol与Vo2转换为单端模式的回授信号Vsum一P。此回授信号 Vsum—P与输入信号VI再经过积分器120以滤除噪声。然而，自从放大器由真空管演进到晶体管以后，噪声干扰一直是音频 功率放大器所遭遇最大的问题。噪声的主要来源有二，其一为电源啐音 (Power Supply Hum)。这是由于输出功率放大级130会从电源供应端Vqd抽取大电流，但是却无法对电源供应端VoD进行有效的滤波。所以当栅极信号触发，要求电源供应端VDD通过一纯净的大电流时，该大电流本身即含 有噪声而非纯净，所以会将噪声通过回授电路110馈入整体电路。以上内 容请参考Adel S. Sedra & Kenneth C. Smith所著Microelectronic Circuit第 四版第八章第二节。因此普遍作法是于回授电路110中加上一滤波器以消 除噪声。然而此类设计，如图1所示，仅依靠传统滤波器消除噪声，成效 并不理想。噪声来源之二则是射频干扰，当射频信号接近音频放大器时，共模拒 斥比(common rejection ratio )相对较差的电路架构，便会将射频信号一并 接收而成为音频放大器本身的噪声干扰，例如手机靠近喇叭时所产生的嗡 嗡声，而传统音频放大器并未使用全差动式架构以提升共模拒斥比。发明内容本发明的目的就是提供一种可噪声修整的功率放大器，使放大器达到最大信号噪声比(signal to noise ratio, SNR)。本发明以delta -sigma电路串 接二阶或以上积分电路，可提供更好的止带信号消除效果；取代传统音频 放大器于回授电路中设置滤波器的作法。此外，还利用共模输入信号，取 代传统单端输入信号，藉由全差动式架构提升共模拒斥比，增强电路抵抗 射频干扰的能力。本发明提出一种可噪声修整的功率放大器。该功率放大器包括差动模 式积分器、积分暨调节单元以及开关单元。差动模式积分器用以接收差动 模式输入信号以及差动模式输出信号，并进行积分操作，以产生差动模式 第一信号。积分暨调节单元耦接至差动模式积分器，用以接收差动模式第 一信号及差动模式输出信号并进行积分操作，并且将差动模式第一信号调 节为单端模式的第二信号。该第二信号输入至开关单元。开关单元的工作状态基于第二信号来决定，并输出差动模式输出信号以驱动负载。本发明利用全差动模式设计，以共模输入信号，取代传统单端输入信 号，提高共模拒斥比而消除共模噪声，增加电路抵抗射频千扰的能力。此 外，差动模式积分器与积分暨调节单元皆包含一 delta-sigma电路，两者串 接形成一个二阶低通滤波电路，比传统负回授电路与滤波器的组合，提供 更强的止带信号消除效果，以达到更高的滤波效果，可得一较佳的信号噪 声比。然本发明并不以此为限，本领域的技术人员可视需求串接更多积分 电路，以构成三阶或以上滤波电^各。为使本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举 较佳实施例，并结合附图详细说明如下。
图1绘示为先前技术音频放大器的电路方块图。图2为依照本发明实施例绘示可噪声修整的功率放大器的电路方块图。 图3为依照本发明实施例绘示图2功率放大器的电路图。附图符号说明 110:回授电蹈_ 120:积分器130:功率放大级140:负载210:差动模式积分器220:积分暨调节单元230:开关单元240:负载311:第一电阻312:第二电阻313:第三电阻314:第四电阻315:第一运算放大器316:第一电容317:第二电容321:第一阻抗322:第二阻抗323:第三阻抗324:第四阻抗325:第二运算放大器326:第五阻抗327:第六阻抗331:脉宽调制级332:第一开关333:第二开关334:第三开关335:第四开关具体实施方式
以下将以D类音频功率放大器(class-D audio power amplifier )做为本 发明的实施范例。但本发明并不以此为限，本领域的技术人员亦可根据本 发明的精神，将之套用于各式功率放大器，例如A类、B类、AB类等功率 方文大器。图2为依照本发明实施例绘示可噪声修整的功率放大器的电路方块图。请参考图2，该功率放大器包括差动模式积分器210、积分暨调节单元220 以及开关单元230。差动模式积分器210将所接收的音频信号(在此为差动 模式输入信号对VIN与VIP )以及差动模式输出信号对VON与VOP进行 积分操作，以产生差动模式第一信号对VIN，与VIP，。积分暨调节单元220 接收差动模式第一信号对VIN，与VIP，及差动模式输出信号对VON与VOP 并进行积分操作。另外，积分暨调节单元220更将差动模式第一信号对VIN， 与VIP，调节为单端模式的第二信号Vo，并将第二信号Vo输出至开关单元 230。开关单元230基于第二信号Vo来决定其工作状态，并且开关单元230 输出差动模式输出信号VON与VOP以驱动负载240。于本实施例中，该负 载240可以为喇叭或其它负载。图3为依照本发明绘示图2功率放大器的实施范例。请参照图3,差动 模式积分器210包括第一电阻311、第二电阻312、第三电阻313、第四电 阻314、第一运算放大器315、第一电容316及第二电容317。电阻311与312的第一端各自接收该差动模式输入信号的第一端信号 VIN与第二端信号VIP。电阻313与314的第一端各自接收该差动模式输出 信号的第一端信号VON与第二端信号VOP。第一运算放大器315，其第一 输入端(例如为正输入端)耦接至第二电阻312的第二端与第三电阻313 的第二端，而其第二输入端(例如为负输入端)则耦接至第一电阻311的 第二端与第四电阻314的第二端。第一运算放大器315的第一输出端(例 如为正输出端)与第二输出端(例如为负输出端)分别输出该差动模式第 一信号的第一端信号VIN，与第二端信号VIP，。第一电容316的第一端与第 二端分别耦接至第一运算放大器315的第一输出端与第二输入端。第二电 容317的第一端与第二端分别耦接至第一运算放大器315的第二输出端与 第一输入端。如此便可构成一差动输入及输出的积分电路。所属领域具有 通常知识者可以依其需求而调配电阻311-314的阻值以及电容316-317 的电容值，亦即调整其阻抗匹配以控制差动模式积分器210的低通带频宽。 于本实施例中，第一电阻311与第二电阻312的阻值譬如为RP而第三电 阻313与第四电阻314的阻值譬如为G* Ri (G与R,为实数)。第一电容 316与第二电容317的电容值譬如均为C， (d为实数)。积分暨调节单元220包括第一阻抗321、第二阻抗322、第三阻抗323、 第四阻抗324、第二运算放大器325、第五阻抗326及第六阻抗327。阻抗 321与322的第 一端各自耦接至差动模式积分器210的第 一输出端与第二输 出端，以接收该差动模式第一信号的第一端信号VIN，与第二端信号VIP，。 第三阻抗323的第一端接收差动模式输出信号的第一端信号VON。第四阻 抗324的第一端接收差动模式输出信号的第二端信号VOP。第二运算放大 器325的第一输入端(例如为正输入端)耦接至第一阻抗321与第三阻抗 323的第二端，而其第二输入端(例如为负输入端)则耦接至第二阻抗322 与第四阻抗324的第二端。第一运算放大器315的输出端输出单端模式的 第二信号Vo。第五阻抗326的第一端耦接至第二运算放大器325的第一输 入端，而其第二端则接收第一电压。于本实施例中，上述第一电压譬如为 接地电压。第六阻抗327的第一端与第二端分别耦接至第二运算放大器325 的输出端与第二输入端。本领域的技术人员可以依据其需求，而以任何手段实施第一阻抗 第 六阻抗，以及依据需求决定各阻抗的阻抗值以获得所需的电路特性。于本 实施例中，第一阻抗321与第二阻抗322均以阻值为112的电阻实施的，而 第三阻抗323与第四阻抗324均以阻值为F+R2的电阻实施的(F为实数)。 另外，本实施例是以电容值为C2的电容实施第五阻抗326与第六阻抗327。 而第一电压可为一参考电压电平，包括接地电压，机壳接地及视设计需求 所釆用的电平电压。该开关单元230包括脉宽调制级(pulse width modulation stage, PWM stage )331以及桥式电路。脉宽调制级331用以产生至少一脉宽调制信号(本 实施例为第一脉宽调制信号PWMSl以及第二脉宽调制信号PWMS2)。其 中，脉宽调制级331依据单端模式的第二信号Vo而调制脉宽调制信号 PWMSl与PWMS2的脉宽。本实施例的桥式电路是以Class-D输出放大级 为例，然并不以此为限。此桥式电路包含受脉宽调制信号PWMS1与PWMS2 所控制的多个开关(本实施例为第一开关332、第二开关333、第三开关334 以及第四开关335 )。于桥式电路中，第一开关332的第一端接收第二电压 (例如为电源电压VDD),其第二端将差动模式输出信号的第一端信号 VON输出至负载240的第一端。第二开关333的第一端接收第三电压(例如为接地电压)，其第二端耦接至负载240的第一端。其中，开关332与 333均受控于第一脉宽调制信号PWM1。第三开关334的第一端接收第二电压，其第二端将差动模式输出信号 的第二端信号VOP输出至负载240的第二端。第四开关335的第 一端接收 第三电压，其第二端耦接至负载240的第二端。其中，开关334与335均 受控于第二脉宽调制信号PWM2。于本实施例中，上述第一开关332与第三开关334为P型晶体管，而 第二开关333与第四开关335则为N型晶体管，四者构成一个Class-D输出 放大级。脉宽调制级331藉由调制脉宽调制信号PWMS1与PWMS2的脉宽 与相位而控制桥式电路的开关332 ~ 335。因此，开关单元230可以依据第 二信号Vo而输出音频信号(即该差动模式输出信号对VON与VOP)来驱 动负载240。于本实施例中，第二电压为一电源电压，是指驱动输出放大级 的电压，而非以整体电路的电源电压为限；第三电压亦为一电压参考电平， 而非以接地电压为限。本实施例中差动模式输入信号经两层积分器运算处理后构成输出信号 Vo=(Vip-Vin)/{S2R2C2+SRC/F+l/G}+S2R2C2*(THD+Noise)/{S2R2C2+SRC/F+ 1/G)，其中S=j .=j2 f， f即为频率。上述等式中THD为总谐波失真(Total Harmonic Distortion),这是将差动模式输出信号谐波成分的均方根(root mean square, rms )值去除基本谐波后，表示成基本谐波均方根值的百分比。 一般输出级设计优劣的评量即基于此THD参数。通常一个高传真 (high-fidelity)音频放大器的THD约在零点几个百分比的数量级。由上述等 式可知，在声频信号下SRC<<1,因此Noise将被大幅衰减，而得到极佳的 信号噪声比。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，本 领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下可作些许的更动与 润饰，因此本发明的保护范围以本申请的权利要求为准。
权利要求
1.一种功率放大器，用以依据所接收的差动模式输入信号产生一差动模式输出信号以驱动一负载，该功率放大器包括一差动模式积分器，用以接收该差动模式输入信号与该差动模式输出信号并进行积分操作，以输出一差动模式第一信号；一积分暨调节单元，用以接收该差动模式第一信号与该差动模式输出信号并进行积分操作，以将该差动模式第一信号调节为单端模式的第二信号；以及一开关单元，耦接至该差动模式积分器与该积分暨调节单元，其中该开关单元的工作状态基于该积分暨调节单元所输出的该第二信号来决定，该开关单元输出差动模式的该差动模式输出信号以驱动该负载。
2. 如权利要求1所述的功率放大器，其中该差动模式积分器包括一第一电阻，其第一端接收该差动模式输入信号的第一端信号；一第二电阻，其第一端接收该差动模式输入信号的第二端信号；一第三电阻，其第一端接收该差动模式输出信号的第一端信号；一第四电阻，其第一端接收该差动模式输出信号的第二端信号；一第一运算放大器，其第一输入端耦接至该第二电阻的第二端与该第三电阻的第二端，其第二输入端耦接至该第一电阻的第二端与该第四电阻的第二端，以及其第一输出端与第二输出端分别输出该差动模式第一信号的第一端信号与第二端信号；一第一电容，其耦接于该第一运算放大器的第一输出端与第二输入端的间；以及一第二电容，其耦接于该第 一运算放大器的第二输出端与第 一输入端的间。
3. 如权利要求2所述的功率放大器，其中该第一电阻与该第二电阻的阻值相同。
4. 如权利要求2所述的功率放大器，其中该第三电阻与该第四电阻的阻值相同。
5. 如权利要求2所述的功率放大器，其中该第一电容与该第二电容的电容值相同。
6. 如权利要求1所述的功率放大器，其中该积分暨调节单元包括一第一阻抗，其第一端接收该差动模式第一信号的第一端信号；一第二阻抗，其第一端接收该差动模式第一信号的第二端信号；一第三阻抗，其第一端接收该差动模式输出信号的第一端信号；一第四阻抗，其第一端接收该差动模式输出信号的第二端信号；一第二运算放大器，其第一输入端耦接至该第一阻抗的第二端与该第三阻抗的第二端，其第二输入端耦接至该第二阻抗的第二端与该第四阻抗的第二端，以及其输出端输出单端模式的该第二信号；一第五阻抗，其第一端耦接至该第二运算放大器的第一输入端，以及其第二端接收一第一电压；以及一第六阻抗，其第一端与第二端分别耦接至该第二运算放大器的输出端与第二输入端。
7. 如权利要求6所述的功率放大器，其中该第一阻抗、该第二阻抗、该第三阻抗、与该第四阻抗均为电阻。
8. 如权利要求7所述的功率放大器，其中该第一阻抗与该第二阻抗的阻值相同。
9. 如权利要求7所述的功率放大器，其中该第三阻抗与该第四阻抗的阻值相同。
10. 如权利要求6所述的功率放大器，其中该第五阻抗与该第六阻抗均为电容。
11. 如权利要求IO所述的功率放大器，其中该第五阻抗与该第六阻抗的电容值相同。
12. 如权利要求6所述的功率放大器，其中该第一电压包括接地电压。
13. 如权利要求1所述的功率放大器，其中该开关单元包括一脉宽调制级，用以产生至少一脉宽调制信号，其中依据单端模式的该第二信号而调制至该脉宽调制信号的脉宽；以及一桥式电路，其具有受该脉宽调制信号所控制的多个开关。
14. 如权利要求13所述的功率放大器，其中该脉宽调制级产生一第一脉宽调制信号及一第二脉宽调制信号，并依据单端模式的该第二信号调制该第 一 脉宽调制信号及该第二脉宽调制信号的脉宽。
15. 如权利要求14所述的功率放大器，其中该桥式电路包含一第一开关，其第一端接收一第二电压，其第二端耦接至该负载的第一端，而该第一开关受控于该第一脉宽调制信号；一第二开关，其第一端接收一第三电压，其第二端耦接至该负载的第一端，而该第二开关受控于该第一脉宽调制信号；一第三开关，其第一端接收该第二电压，其第二端耦接至该负载的第二端，而该第三开关受控于该第二脉宽调制信号；以及一第四开关，其第一端接收该第三电压，其第二端耦接至该负载的第二端，而该第四开关受控于该第二脉宽调制信号。
16.如权利要求15所述的功率放大器，其中该第一开关与该第三开关为P型晶体管，而该第二开关与该第四开关为N型晶体管。
全文摘要
本发明是一种可噪声修整的功率放大器，其可修整一般功率放大器所遭受的噪声干扰问题。该功率放大器包括差动模式积分器、积分暨调节单元及开关单元。差动模式积分器用以接收差动模式的输入信号及输出信号，并输出差动模式第一信号。积分暨调节单元耦接至差动模式积分器，用以接收差动模式第一信号及差动模式输出信号，并输出单端模式的第二信号。开关单元接收第二信号，并输出差动模式输出信号以驱动负载。本发明利用共模输入信号，取代单端输入信号，以消除共模噪声；又利用二阶或以上积分电路取代传统滤波器，以达到更佳的止带信号消除效果。
文档编号H03F1/26GK101557200SQ200810090999
公开日2009年10月14日 申请日期2008年4月8日 优先权日2008年4月8日
发明者吴国宏, 庄志禹, 林俊年 申请人:原景科技股份有限公司