专利名称：一种数字功率放大器及其控制方法
技术领域：
本发明主要涉及一种功率放大器，尤其涉及一种数字功率放大器及其控制方 法。
背景技术：
目前，数字功率放大器有很多不同种类的功效，如A类、B类、AB类等，其 中数字功放与其他功放的不同在于基本是一个开关功放或者是脉冲调制功放，在这种数 字功放中，器件要么完全导通，要么完全关断，大幅度减少了输出器件的功耗，音频信 号是用来调制脉宽调制(PWM)载波信号，载波信号驱动输出功率级得到高频PWM方 波，最后通过低通滤波器输出音频信号到负载，目前人们设计数字功率放大器非常重视 提高其功率密度同时降低成本，从电路结构来说，数字功率放大器可以被视为传统的逆 变器，输入直流电源，根据参考信号产生放大的音频信号，因此，所有传统的闭环控制 方法，诸如瞬态电压模式反馈控制或电压电流双反馈环控制等都可以运用在数字功率放 大器当中。这种控制方法所采用的一个典型器件就是误差放大器。通常这种电路结构不 仅复杂而且成本较高。
发明内容
为了解决现存功率放大器技术上的一些不理想的问题，本发明提供了一种数字 功率放大器及其控制方法，使放大器的开关频率保持固定不变，从而易于避开某些重要 信号的波段，同时控制电路结构简单，一些器件可以集成化。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是该数字功率放大器包括输入级、 输出级、滤波器、反馈网络，所述输入级用以接收输入信号，所述输入级包括比较器和 三角波发生器，所述比较器接收所述输入信号和所述三角波发生器生成的高频三角波， 并输出第一信号；所述输出级连接到输入级，由所述第一信号而产生第二信号；所述 滤波器，连接到所述输出级的输出节点，用以对所述第二信号进行滤波以便得到输出信 号；所述反馈网络，连接在所述输出级的输出节点与所述输入级的输入节点之间，所述 反馈网络对所述第二信号进行噪声整形后得到反馈信号，并且将所述反馈信号负反馈到 所述输入级，以便从所述输入信号减去所述反馈信号。所述比较器的同相输入端加裁所述高频三角波，反相输入端加裁所述输入信号 和所述反馈信号，所述比较器通过将所述高频三角波与所述输入信号减去所述反馈信号 后得到的信号进行比较得到所述第一信号。所述比较器的同相输入端加载直流偏置电压，反相输入端加载所述输入信号、 所述反馈信号和所述高频矩形波，所述比较器通过将所述直流偏置电压与所述输入信号 减去所述反馈信号后再叠加所述高频矩形波后得到的信号进行比较得到所述第一信号。所述反馈网络包括电容，所述电容的第一端同时连接至所述输入信号、所述放 大器的反相输入端以及所述第二信号，第二端接地或者接直流偏置电压。
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所述反馈网络连接在所述电容的第一端与所述第二信号之间的反馈电阻。所述高频三角波或所述高频矩形波比所述第二信号对所述电容的充放电能力 大。所述输入级具有一个所述比较器；所述输出级包括驱动电路，连接至所述比 较器；一个半桥开关电路，连接至所述驱动电路，根据驱动电路产生的驱动信号而交替 导通，以对应产生一个第二信号。所述输入级具有一个所述比较器，所述输出级包括驱动电路，连接至所述比 较器；两个半桥开关电路，连接至所述驱动电路，根据驱动电路产生的驱动信号而交替 导通，以对应产生两个第二信号，并反馈其中的一个第二信号。所述输入级具有两个所述比较器，所述输出级包括驱动电路，与两个所述比 较器分别连接；两个半桥开关电路，与所述驱动电路分别连接，根据驱动电路产生的驱 动信号而交替导通，以产生两个所述第二信号，并分别反馈至对应的比较器。数字功率放大器的控制方法的步骤为第一步骤，接收输入信号和三角波发生 器生成的高频三角波或矩形波发生器生成的高频矩形波，并输出第一信号，第二步骤， 响应所述第一信号而产生第二信号；第三步骤，对所述第二信号进行滤波得到输出信 号；以及第四步骤，对所述第二信号进行噪声整形后得到反馈信号，并且将所述反馈信 号负反馈到接收所述输入信号的输入端，以便从所述输入信号减去所述反馈信号。所述第二步骤，响应所述第一信号而产生两个所述第二信号；在第四步骤，将 两个所述第二信号中的至少一个进行噪声整形后负反馈到所述输入端。本发明的数字功 率放大器电路采用一个滞环足够小以至可以忽略的比较器替代了滞环比较器。在比较器 的输入端使功率级输出信号的低频部分与音频输入信号抵消，高频部分送入比较器，从 而在输出端得到调制的输出音频信号。可以在比较器的同相输入端接一个固定频率的三 角波信号，在反相输入端接从输出级得到的反馈信号和放大器输入信号。也可在比较器的同相输入端接偏置电压Vdd，在反相输入端接一个固定频率的 方波信号、从输出级得到的反馈信号和放大器输入信号。本发明的有益效果该种数字功率放大器及其控制方法可以把输出节点的信号 反馈到比较器反相输入端，同时给比较器同相输入端提供一个高频三角波信号。另外， 本发明也可以在比较器的同相输入端接偏置电压，在反相输入端接一个固定频率的方波 信号、从输出级得到的反馈信号和放大器输入信号，本发明可以保持自适应调制控制技 术优点的同时，保证开关频率基本固定，从而减小电磁干扰(EMI)对系统的影响，控制 电路结构简单。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。附图1为本发明的第一种实施例的运用于单端数字功率放大器的电路图。附图2为附图1电路的音频输入信号和音频输出信号的波形图。附图3为附图1电路的SW信号、同相输入端Pin的信号和反相输入端Nin的信 号的波形图。附图4示为本发明的第二种实施例的运用于单端数字功率放大器的电路图。
附图5为附图4电路的音频输入信号和音频输出信号的波形图。附图6为附图4电路的方波、SW信号、同相输入端Pin的信号和反相输入端Nin 的信号的波形图。附图7为本发明的第三种实施例的运用于桥式数字功率放大器的电路图。附图8(a)和附图8(b)为附图7电路的部分波形图。附图9为本发明的第四种实施例的运用于桥式数字功率放大器的电路示意图。图10(a)和图10(b)为附图9的电路的部分波形示意图。
具体实施例方式实施例1:图中，该数字功率放大器及其控制方法包括数字功率放大器和负 载。一个具有Vcc/2直流偏置的、频率约几百千赫兹的高频三角波加到了比较器的同相 输入端Pin(A)，比较器的反相输入端Nin(B)通过一个电容Cint接地，输入过电容Cin和 电阻Ri向电容Cint充/放电。比较器的输出PWM波经过驱动电路控制晶体管Ml和 M2交替导通，晶体管Ml的源级连接到输出节点C，而晶体管M2的源极接地，晶体管 Ml的漏极连接到电源Vcc，而晶体管M2的漏极连接到输出节点C，晶体管Ml和M2起 着开关的作用，它们构成数字功率放大器电路的输出级的一部分，以便当在开关模式下 使用输出级时，在输出节点C产生方波输出，输出节点C处的波形SW经电感L和电容 Cl组成的滤波电路，以及隔直电容C2之后恢复成被放大的音频信号输送到负载(如扬声 器)，同时SW信号通过电阻Rf向电容Cint充/放电，理想情况下，音频信号对电容Cint 的充/放电效应与输出节点C处的SW信号的低频分量VswJqw对Cint的充/放电效应能 恰好抵消，即比较器反相输入端Nin在VswJcw和音频输入的共同作用下会保持跟随比较 器同相输入端的电压，即当比较器输出高电平时，晶体管Ml导通，晶体管M2关断，比 较器反相输入端电压VNin与比较器同相输入端pin电压与滞环电压之和Vpm士dV比较(其 中dV代表比较器滞后电压)，此时SW信号呈高电平，反馈后导致Nin端电压上升直至 大于电压Vpm+dV，比较器输出跳变为低电平，晶体管Ml关断，晶体管M2导通，此时反 应输入端电压VNin与Vpm-dV比较，SW低电平信号反馈导致Nin端电压下降直至小于电 压Vpm_dV，比较器输出跳变为高电平，导致SW信号呈高电平，如此循环，为了实现此 定频反馈控制并保证系统稳定工作，Nin端电压上升下降速度都应小于Pin端给定三角波 的变化斜率。所以设计Cint电容、Rf反馈电阻时要考虑Pin端给定三角波的变化速度。 SW信号的高频分量就会在同相输入端Pin的高频三角波控制下得到晶体管Ml和M2的 栅级驱动信号。放大器的增益由电阻Rf和Ri的比值确定。通过反馈调制，当输入音频信号改变时，此系统会自适应调制SW信号，使得 反相输入端Nin端电压给始终跟随同相输入端Pin，从而达到控制输出的目的，当然开关 频率并非保持绝对恒定，而是在几百赫兹的范围内做微小的变化。导致这种微小变化的 原因是比较器反相输入端出现的小的音频正弦信号，这个信号也会对Cint进行充/放电， 导致Nin电压的变化。但由于这种变化相对于开关频率来说非常小，所以这种控制方法 仍然可以被视为定频控制。实施例2:上一实施例中，要求给定三角波的斜率要始终大于反相输入端Nin端 电压即积分电容Cint上高频充放电纹波的斜率，三角波对电容Cint的充放电效果也要强
5于反馈信号SW信号对电容Cint的充放电效果。同样，此实施例中给定方波对电容Cint 的充放电效果也要强于反馈信号SW信号对电容Cint的充放电效果。附图6电路的主要工作波形分为5个阶段第一阶段(tO-tl)；在t0时刻，方波由高变低，SW信号和方波信号同时对电容 Cint进行放电，Cint上的电压Vcint持续下降；第二阶段(tl_t2)；在tl时刻，Vcint < 1/2VCC，比较器输出翻转，SW信号由 低变高。SW信号对Cint进行充电同时方波继续对Cint进行放电，由于放电的效果更为 强烈，所以Vcint以一个较小的速率下降；第三阶段(t2_t3)在t2时刻，方波由低变高，SW信号和方波同时对Cint进行 充电，Vcint上升；第四阶段(t3_t4)在t3时刻，Vcint > 1/2VCC，比较器输出再次翻转，SW信
号由高变低，SW信号对Cint进行放电同时方波继续对Cint进行充电，由于充电的效果 更为强烈，所以Vcint以一个较小的速率上升；第五阶段(t4_t5)；在t4时刻，方波由高变低，SW信号和方波同时对Cint进行 放电，Vcint持续下降。如上所述，要实现此实例的定频反馈控制，要求Nin端电压在第二阶段SW信号 由低变高时持续下降，在第四阶段持续上升，即要求给定方波对电容Cint的充放电效果 强于反馈信号SW信号对电容Cint的充放电效果，由于方波对电容的充/放电效果要大大 强于反馈的SW信号的充/放电效果，所以虽然有几百赫兹的变化、总体上SW信号的频 率还是固定的，由方波的频率决定。实施例3 :本发明也可以应用在桥接负载(BTL)的功率放大器中，桥式拓扑的 固有差分输出结构可以消除谐波失真和直流偏置。H桥具有两个半桥开关电路，通常由单电源Vcc供电，对于给定的Vcc，H桥 电路的差分方式提供的最大输出信号幅值是单端方式的两倍，并且输出功率是其四倍， 这里只使用一个比较器，其输出经过驱动电路控制晶体管Si、S2、S3和S4，使Si、S4 和S2、S3交替导通，从而得到相位相反的SWl和SW2信号，SWl和SW2又分别经过 Li、Cl和L2、C2整流滤波送到负载的两端，在SWl和SW2两者之间只需反馈其中一 个用于反馈控制环即可，附图7中采用SW2作为反馈控制信号。图8(a)给出了图9电 路的音频输出波形，图8(b)是工作波形的局部放大，可以看到将SW2信号反相后就可以 得到SWl信号。实施例4:该实施例中每个半桥都有自己专用的比较器，从而可以独立控制两 个驱动电路，每个桥臂的开关频率都由加在节点A的同一个外部三角波设定，所以它们 的频率是一样的，除了没有隔直电容之外，每一个桥臂的控制电路结构和单端放大器一 致，增益也可以用Rf/Ri计算得到。输入的音频信号是差分信号，相位相反，分别加在 两个比较器的反相输入端Bl和B2，同时和三角波进行比较。附图10(a)给出了附图9 电路的音频输入和音频输出波形，图10(b)是工作波形的局部放大。本发明的控制方法包括以下步骤第一步骤；接收输入信号和三角波发生器生成的高频三角波或矩形波发生器生 成的高频矩形波，并输出第一信号；
第二步骤；响应第一信号而产生第二信号，即SW信号；第三步骤；对SW信号进行滤波得到输出信号；第四步骤；对SW信号进行噪声整形后得到反馈信号，并且将所述反馈信号负 反馈到接收所述输入信号的输入端，以便从所述输入信号减去所述反馈信号。与公知的
“AAM”驱动相比，本发明只需要增加一个1/2VCC的直流偏置电源和一个合适的三角波 或方波，在将这些部分都集成化之后，就能相当简便地实现对数字功率放大器的闭环定 频控制。
权利要求
1.一种数字功率放大器及其控制方法，该数字功率放大器包括输入级、输出级、滤 波器、反馈网络，其特征是所述输入级包括比较器和三角波发生器或矩形波发生器， 所述比较器接收所述输入信号和所述三角波发生器生成的高频三角波或所述矩形波发生 器生成的高频矩形波，并输出第一信号；所述输出级连接到输入级，响应所述第一信号 而产生第二信号；所述滤波器连接到所述输出级的输出节点，所述反馈网络连接在所述 输出级的输出节点与所述输入级的输入节点之间，所述反馈网络对所述第二信号进行噪 声整形后得到反馈信号，并且将所述反馈信号负反馈到所述输入级。
2.如权利要求1所述的一种数字功率放大器及其控制方法，其特征是所述比较器 的同相输入端加载所述高频三角波，反相输入端加裁所述输入信号和所述反馈信号，所 述比较器通过将所述高频三角波与所述输入信号差动所述反馈信号后得到的信号进行比 较得到所述第一信号。
3.如权利要求1所述的一种数字功率放大器及其控制方法，其特征是所述比较器 的同相输入端加裁直流偏置电压，反相输入端加裁所述输入信号、所述反馈信号和所述 高频矩形波，所述比较器通过将所述直流偏置电压与所述输入信号差动所述反馈信号后 再叠加所述高频矩形波后得到的信号进行比较得到所述第一信号。
4.如权利要求1所述的一种数字功率放大器及其控制方法，其特征是所述反馈网 络包括电容和反馈电阻，所述电容的第一端同时连接至所述输入信号、所述放大器的反 相输入端以及所述第二信号，第二端接地或者接直流偏置电压，所述反馈电阻为电容的 第一端与所述第二信号之间连接的反馈电阻。
5.如权利要求1所述的一种数字功率放大器及其控制方法，其特征是所述高频三 角波或所述高频矩形波比所述第二信号对所述电容的充放电能力大。
6.如权利要求1所述的一种数字功率放大器及其控制方法，其特征是所述输入级 具有一个比较器；所述输出级包括驱动电路和一个半桥开关电路，驱动电路连接至所述 比较器，一个半桥开关电路，连接至所述驱动电路。
7.如权利要求1所述的一种数字功率放大器及其控制方法，其特征是所述输入级 具有一个所述比较器；所述输出级包括驱动电路和两个半桥开关电路，驱动电路连接至 所述比较器，两个半桥开关电路，连接至所述驱动电路。
8.如权利要求1所述的一种数字功率放大器及其控制方法，其特征是所述输入级 具有两个所述比较器；所述输出级包括驱动电路和两个半桥开关电路，驱动电路与两个 所述比较器分别连接；两个半桥开关电路与所述驱动电路分别连接，生的驱动信号而交 替导通，以产生两个所述第二信号，并分别反馈至对应的比较器。
9.一种数字功率放大器及其控制方法，其步骤特征是第一步骤，接收输入信号和三角波发生器生成的高频三角波或矩形波发生器生成的 高频矩形波，并输出第一信号；第二步骤，响应所述第一信号而产生第二信号；第三步骤，对所述第二信号进行滤波得到输出信号；以及第四步骤，对所述第二信号进行噪声整形后得到反馈信号，并且将所述反馈信号负 反馈到接收所述输入信号的输入端，以便从所述输入信号减去所述反馈信号。
全文摘要
本发明涉及一种数字功率放大器及其控制方法。该种数字功率放大器及其控制方法可以把输出节点的信号反馈到比较器反相输入端，同时给比较器同相输入端提供一个高频三角波信号，另外，本发明也可以在比较器的同相输入端接偏置电压，在反相输入端接一个固定频率的方波信号、从输出级得到的反馈信号和放大器输入信号，本发明可以保持自适应调制控制技术优点的同时，保证开关频率基本固定，从而减小电磁干扰(EMI)对系统的影响，控制电路结构简单。
文档编号H03F3/20GK102013875SQ20101050390
公开日2011年4月13日 申请日期2010年10月8日 优先权日2010年10月8日
发明者庄磊 申请人:徐州泰思电子科技有限公司