CN118074637A - 可降低电源噪声的d类放大器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了可降低电源噪声的D类放大器。D类放大器包含回路滤波器电路、比较器电路***、输出电路***与共模控制电路***。回路滤波器电路根据多个输入信号与输出信号产生第一信号和第二信号，并根据第一共模信号调整第一信号和第二信号的共模电平。比较器电路***将三角波信号分别与第一信号和第二信号比较以产生多个脉冲信号，其中三角波信号的共模电平基于第二共模信号被设定。输出电路***经电源电压驱动并根据所述脉冲信号产生所述输出信号。共模控制电路***对电源电压执行交流耦合操作以产生噪声信号，以根据第一共模信号和第二共模信号中的一者及噪声信号产生第一共模信号和第二共模信号中的另一者。

Description

可降低电源噪声的D类放大器

技术领域

本公开涉及D类放大器，尤其涉及可降低电源噪声的影响的D类放大器。

背景技术

D类放大器常用来操作为音频放大器。为了使输出的音频具有较好的品质，D类放大器通常需具有较高的电源电压抑制比(power supply rejection ratio,PSRR)。在现有技术中，低通滤波器被用来处理较低频的电源噪声，而未用来处理较高频的电源噪声。此外，电源噪声可能会因为D类放大器的内部电路中的不匹配无法有效地被消除。在另一些相关技术中，具有高准确度以及高回路增益的电压控制电路以及积分器被使用来降低电源噪声。然而，这种设置方式会导致功率消耗与电路面积明显增加。

发明内容

于一些实施方式中，本公开的目的之一为(但不限于)提供一种可降低电源噪声的D类放大器，以改善现有技术的不足。

于一些实施方式中，D类放大器包含回路滤波器电路、比较器电路***、输出电路***以及共模控制电路***。回路滤波器电路用以根据一第一输入信号与一第一输出信号产生一第一信号，根据一第二输入信号与一第二输出信号产生一第二信号，并根据一第一共模信号调整该第一信号与该第二信号中每一者的共模电平。比较器电路***用以比较该第一信号与一三角波信号以产生一第一脉冲信号，并比较该第二信号与该三角波信号以产生一第二脉冲信号，其中该三角波信号的共模电平基于一第二共模信号被设定。输出电路***用以经由一电源电压驱动并根据该第一脉冲信号产生该第一输出信号，并根据该第二脉冲信号产生该第二输出信号。共模控制电路***用以对该电源电压执行一交流耦合操作以产生一第一噪声信号，以根据该第一共模信号与该第二共模信号中的一者以及该第一噪声信号产生该第一共模信号与该第二共模信号中的另一者。

有关本公开的特征、实作与技术效果，兹配合附图作优选实施例详细说明如下。

附图说明

图1为根据本公开一些实施例绘制的一种D类放大器的示意图；

图2A为根据本公开一些实施例绘制的图1中的D类放大器的电路示意图；

图2B为根据本公开一些实施例绘制的图2A(或图1)中的共模控制电路***的电路示意图；以及

图3为根据本公开一些实施例绘制的图2A(或图1)中的共模控制电路***的电路示意图。

符号说明

100：D类放大器

101、102：减法器电路

110：回路滤波器电路

120：比较器电路***

130：输出电路***

140：共模控制电路***

150：三角波产生器电路

221、222：比较器电路

231、232：驱动器电路

241：高通滤波器电路

242：共模电压产生器电路

243、345：放大器电路

244：加总电路

S1、S2、SN、SP：信号

SN1、SN2：噪声信号

SP1、SP2：脉冲信号

SR：三角波信号

VCM1、VCM2：共模信号

VDD：电源电压

VIN、VIP：输入信号

VON、VOP：输出信号

具体实施方式

本文所使用的所有词汇具有其通常的含义。上述的词汇在普遍常用的字典中的定义，在本公开的内容中包含任一于此讨论的词汇的使用例子仅为示例，不应限制到本公开的范围与含义。同样地，本公开亦不仅以于此说明书所示出的各种实施例为限。

关于本文中所使用的“耦接”或“连接”，均可指两个或更多个元件相互直接作实体或电性接触，或是相互间接作实体或电性接触，亦可指两个或更多个元件相互操作或动作。如本文所用，用语“电路***(circuitry)”可为由至少一电路(circuit)形成的单一***，且用语“电路”可为由至少一个晶体管与/或至少一个主被动元件按一定方式连接以处理信号的装置。

如本文所用，用语“与/或”包含了列出的关联项目中的一个或多个的任何组合。在本文中，使用第一、第二与第三等等的词汇，是用于描述并辨别各个元件。因此，在本文中的第一元件也可被称为第二元件，而不脱离本公开的本意。为易于理解，于各附图中的类似元件将被指定为相同标号。

图1为根据本公开一些实施例绘制的一种D类(class D)放大器100的示意图。D类放大器100包含减法器电路101、减法器电路102、回路滤波器电路110、比较器电路***120、输出电路***130、共模控制电路***140以及三角波(ramp wave，斜波)产生器电路150。

回路滤波器电路110根据输入信号VIP以及输出信号VOP产生信号S1，并根据输入信号VIN以及输出信号VON产生信号S2。详细而言，减法器电路101可决定输入信号VIP与输出信号VOP之间的差值(标示为信号SP)，且减法器电路102可决定输入信号VIN与输出信号VON之间的差值(标示为信号SN)。回路滤波器电路110可对信号SP进行滤波，并将滤波后的信号SP输出为信号S1。类似地，回路滤波器电路110可对信号SN进行滤波，并将滤波后的信号SN输出为信号S2。

在一些实施例中，减法器电路101、减法器电路102以及回路滤波器电路110可整合为单一电路***。例如，回路滤波器电路110可为具有反馈网络的运算放大器，且减法器电路101与减法器电路102中每一者可包含一电阻，其可与该反馈网络连接。减法器电路101可将输入信号VIP转换成电流信号，并在该运算放大器的正输入端上从对应于输入信号VIP的电流信号减去对应于输出信号VOP的电流信号以产生信号SP。类似地，减法器电路102可将输入信号VIN转换成电流信号，并在该运算放大器的负输入端上从对应于输入信号VIN的电流信号减去对应于输出信号VON的电流信号以产生信号SN。如此，该运算放大器可根据信号SP与信号SN产生信号S1与信号S2。在一些实施例中，回路滤波器电路110还根据共模信号VCM1调整信号S1与信号S2中每一者的共模电平(例如为信号S1或信号S2的平均电压电平)。例如，共模信号VCM1可用来设定前述的运算放大器的输出共模电平与/或该反馈网络中部分元件所接收的地电压。在一些实施例中，反馈网络可为耦接于前述的运算放大器的输入端与输出端之间的主/被动网络，其可用来设定回路滤波器电路110的频率响应以实现滤波器的相关操作。

在一些实施例中，比较器电路***120可操作为脉冲宽度调制电路***，以将信号S1与信号S2分别转换为不同的脉冲信号。例如，比较器电路***120可比较信号S1与三角波信号SR以产生脉冲信号SP1，并可比较信号S2与三角波信号SP以产生脉冲信号SP2，其中三角波信号SR的共模电平可基于共模信号VCM2被设定。

输出电路***130经由电源电压VDD驱动，以根据脉冲信号SP1产生输出信号VOP，并根据脉冲信号SP2产生输出信号VON。在一些实施例中，输出电路***130可操作为全桥(full-bridge)输出级电路，以差分驱动一负载(例如为，但不限于，扬声器)。

共模控制电路***140对电源电压VDD执行交流耦合(AC-coupling)操作以产生噪声信号(例如为图2B或图3中的噪声信号SN1)，并产生共模信号VCM1与共模信号VCM2。共模控制电路***140可根据共模信号VCM1与共模信号VCM2中的一者与该噪声信号产生共模信号VCM1与共模信号VCM2中的另一者。关于此处的详细操作将于后参照图2B与图3说明。三角波产生器电路150可产生三角波信号SR，并根据共模信号VCM2调整三角波信号SR的共模电平。例如，三角波产生器电路150可利用加总电路(未示出)共模信号VCM2来加总共模信号VCM2与一预设电压(其可为三角波信号SR的共模电平所对应的一初始值)，以调整三角波信号SR的共模电平。

通过上述设置方式，共模控制电路***140可获取电源电压VDD上的电源噪声，并利用此电源噪声产生共模信号VCM1或共模信号VCM2。如此，比较器电路***120可响应共模信号VCM1或共模信号VCM2产生具有校正信号成分(其相当于负的该电源噪声)的脉冲信号SP1与脉冲信号SP2。该校正信号成分可在输出电路***130与电源电压VDD的电源噪声相互相减，以降低电源噪声对输出信号VOP与输出信号VON的影响。如此，可提高D类放大器100的电源电压抑制比(power supply rejection ratio)。

换个方式解释，在一些实施例中，在理想情形(即电源电压VDD不存在电源噪声)下，信号S1、信号S2与三角波信号SR皆具有相同的共模电平(例如为电源电压VDD的一半电平)。若电源电压VDD具有电源噪声，共模控制电路***140可基于该电源噪声调整共模信号VCM2(如图2B所示)或者调整共模信号VCM1(如图3所示)，以调整三角波信号SR的共模电平或是调整信号S1与信号S2的共模电平。于此条件下，信号S1与信号S2的共模电平将不同于三角波信号SR的共模电平，使得比较器电路***120可产生具有校正信号成分的脉冲信号SP1与脉冲信号SP2，以降低电源噪声对输出信号VOP与输出信号VON的影响。

在一些相关技术中，D类放大器仅利用输出信号的差分特性而在负载上消除电源噪声。然而，由于输出信号会反馈到D类放大器的输入端，并经过D类放大器处理后来产生后续的输出信号。若D类放大器中的内部电路因为不理想因素出现不匹配，会使得输出信号也不匹配，使得电源噪声无法有效地被差分电路特性消除。如此，将导致该D类放大器的电源电压抑制比降低。相较于前述的相关技术，在本公开的一些实施例中，可基于D类放大器100的内部电路被设定(如后提及的预定增益)来处理电源电压VDD的电源噪声以产生前述的校正信号成分，进而降低电源噪声对输出信号VOP与输出信号VON影响。如此，可使D类放大器100具有更佳的电源电压抑制比。

图2A为根据本公开一些实施例绘制的图1中的D类放大器100的电路示意图。在此例中，比较器电路***120包含比较器电路221以及比较器电路222。比较器电路221与比较器电路222的正输入端分别接收信号S1以及信号S2，且比较器电路221与比较器电路222中每一者的负输入端接收三角波信号SR。比较器电路221比较信号S1与三角波信号SR以产生脉冲信号SP1。例如，当信号S1高于三角波信号SR时，比较器电路221产生具有高电平的脉冲信号SP1。或者，当信号S1低于三角波信号SR时，比较器电路221产生具有低电平的脉冲信号SP1。类似地，比较器电路222比较信号S2与三角波信号SR以产生脉冲信号SP2。

输出电路***130包含驱动器电路231以及驱动器电路232。驱动器电路231与驱动器电路232经由电源电压VDD驱动。驱动器电路231根据脉冲信号SP1产生输出信号VOP，且驱动器电路232根据脉冲信号SP2产生输出信号VON。如前所述，在一些实施例中，输出电路***130可操作为全桥电路。例如，驱动器电路231与驱动器电路232中每一者可为一半桥电路，且输出信号VOP与输出信号VON可为差分信号。

图2B为根据本公开一些实施例绘制的图2A(或图1)中的共模控制电路***140的电路示意图。于此例中，共模控制电路***140根据电源电压VDD产生噪声信号SN1，并根据噪声信号SN1以及共模电压VCM1产生共模信号VCM2。

详细而言，共模控制电路***140包含高通滤波器电路241、共模电压产生器电路242、放大器电路243以及加总电路244。高通滤波器电路241对电源电压VDD执行交流耦合操作以产生噪声信号SN1。如此，高通滤波器电路241可抑制电源电压VDD的直流频率成分并获取出电源电压VDD的交流频率成分(相当于前述的电源噪声)以作为噪声信号SN1。在一些实施例中，高通滤波器电路241的截止频率可设定为相关于(例如为接近于)人耳听觉范围的一最低频率(例如约为20赫兹)。如此，高通滤波器电路241可衰减电源电压VDD中低于该最低频率的频率成分，并将电源电压VDD中高于或等于该最低频率的频率成分输出为噪声信号SN1。

共模电压产生器电路242用以产生共模信号VCM1，其中共模信号VCM1的电平可设定为，但不限于，电源电压VDD的一半电平。在一些实施例中，共模电压产生器电路242可为，但不限于，能隙(bandgap，带隙)参考电压电路。放大器电路243可基于预定增益调整噪声信号SN1以产生噪声信号SN2。加总电路244可加总噪声信号SN2以及共模信号VCM1以产生共模信号VCM2。

如图1或图2A所示，共模控制电路***140所产生的共模信号VCM1与共模信号VCM2可调整比较器电路***120的输入(例如为信号S1、S2以及三角波信号SR)的共模电平，以使比较器电路***120产生具有校正信号成分的脉冲信号SP1与脉冲信号SP2，进而降低电源噪声对输出电路***130的输出(例如为输出信号VOP与输出信号VON)的影响。为了使该校正信号成分的振幅可相同于或接近于输出信号VOP与输出信号VON上的电源噪声，放大器电路243可根据预定增益缩小噪声信号SN1以产生噪声信号SN2，其中该预定增益可根据输出电路***130的输出与比较器电路***120的输入之间的电压增益而定。

在一些实施例中，该预定增益可根据输出信号VOP与信号S1之间(或输出信号VON与信号S2之间)的放大倍数而定。例如，该预定增益可设定为该放大倍数的倒数。例如，若该放大倍数为A，则该预定增益可设定为1/A。在一些实施例中，可利用电路模拟或是测量来确认该放大倍数，以设定放大器电路243的预定增益。如此，可让校正信号成分经过比较器电路***120与输出电路***130放大后的振幅可相同或接近于输出信号VOP与输出信号VON上的电源噪声，进而可更完整地消除该电流噪声。换句话说，在此例中，共模控制电路***140可根据该预定增益处理噪声信号SN1以产生共模信号VCM2(在后述图3的例子中为共模信号VCM1)，其中该预定增益相关于比较器电路***120与输出电路***130两者的增益(相当于前述的放大倍数)。例如，当比较器电路***120与输出电路***130两者的增益越大时，该预定增益越小。

在此例中，共模控制电路***140是将噪声信号SN2与共模信号VCM1加总以产生共模信号VCM2，进而调整三角波信号SR的共模电平。由于比较器电路221与比较器电路222是经由负输入端接收三角模信号SR，故共模信号VCM2上的噪声信号SN2可分别经由比较器电路221与比较器电路222进行反相与放大而产生前述的校正信号成分。如此，该校正信号成分可与电源电压VDD上的电源噪声在输出电路***130内进行相消，以降低电源噪声对输出信号VOP与输出信号VON的影响。

图3为根据本公开一些实施例绘制的图2A(或图1)中的共模控制电路***140的电路示意图。于此例中，共模控制电路***140根据电源电压VDD产生噪声信号SN1，并根据噪声信号SN1以及共模电压VCM2产生共模信号VCM1。换言之，不同于图2B，在此例中，共模电压产生器电路242可产生共模信号VCM2，且共模控制电路***140可加总噪声信号SN2与共模信号VCM2以产生共模信号VCM1，进而调整信号S1与信号S2的共模电平。为了使比较器电路221与比较器电路222可产生具有正确极性的校正信号成分(例如为负的电源噪声)。在此例中，共模控制电路***140还对噪声信号SN2以及共模信号VCM2的加总结果(即加总电路244的输出)进行反相处理，以产生共模信号VCM1。

详细而言，如图3所示，共模控制电路***140还包含放大器电路345，其可调整噪声信号SN2以及共模信号VCM2的加总结果来产生共模信号VCM1。在一些实施例中，放大器电路345的放大增益可设定为-1，以执行前述的反相处理。在一些实施例中，放大器电路345可为反相缓冲器(inverting buffer)。如此，经反相后的噪声信号SN2可经由比较器电路221与比较器电路222放大而产生前述的校正信号成分，以降低电源噪声对输出信号VOP与输出信号VON的影响。

综上所述，在本公开一些实施例中所提供的D类放大器可获取出电源电压上的电源噪声，并基于D类放大器的电路设定来处理电源噪声以调整D类放大器的内部电路的共模电平。如此，可降低电源噪声对输出信号的影响，以具有更高的电源电压抑制比。

虽然本公开的实施例如上所述，然而该些实施例并非用来限定本公开，本技术领域技术人员可依据本公开的明示或隐含的内容对本公开的技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本公开所寻求的专利保护范围，换言之，本公开的专利保护范围须视本说明书的权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种D类放大器，包含：

一回路滤波器电路，用以根据一第一输入信号与一第一输出信号产生一第一信号，根据一第二输入信号与一第二输出信号产生一第二信号，并根据一第一共模信号调整该第一信号与该第二信号中每一者的共模电平；

一比较器电路***，用以比较该第一信号与一三角波信号以产生一第一脉冲信号，并比较该第二信号与该三角波信号以产生一第二脉冲信号，其中该三角波信号的共模电平基于一第二共模信号被设定；

一输出电路***，用以经由一电源电压驱动，以根据该第一脉冲信号产生该第一输出信号，并根据该第二脉冲信号产生该第二输出信号；以及

一共模控制电路***，用以对该电源电压执行一交流耦合操作以产生一第一噪声信号，并根据该第一共模信号与该第二共模信号中的一者以及该第一噪声信号产生该第一共模信号与该第二共模信号中的另一者。

2.如权利要求1所述的D类放大器，其中该共模控制电路***用以抑制该电源电压中的直流频率成分以产生该第一噪声信号。

3.如权利要求1所述的D类放大器，其中该共模控制电路***包含：

一高通滤波器电路，用以对该电源电压执行该交流耦合操作以产生该第一噪声信号；

一共模电压产生器电路，用以提供该第一共模信号与该第二共模信号中的该一者；

一第一放大器电路，用以基于一预定增益调整该第一噪声信号，以产生一第二噪声信号；以及

一加总电路，用以将该第二噪声信号与该第一共模信号与该第二共模信号中的该一者进行加总，以产生该第一共模信号与该第二共模信号中的该另一者。

4.如权利要求3所述的D类放大器，其中若该第一共模信号与该第二共模信号中的该一者为该第二共模信号，该共模控制电路***还用以对该第二噪声信号以及该第二共模信号的一加总结果进行反相处理，以产生该第一共模信号。

5.如权利要求3所述的D类放大器，其中该预定增益为基于该第一输出信号与该第一信号之间的一放大倍数设定。

6.如权利要求5所述的D类放大器，其中该预定增益为该放大倍数的倒数。

7.如权利要求1所述的D类放大器，其中该比较器电路***包含多个比较器电路，所述多个比较器电路分别产生该第一脉冲信号与该第二脉冲信号，且所述多个比较器电路中每一者的一负输入端接收该三角波信号。

8.如权利要求1所述的D类放大器，还包含：

一三角波产生器电路，用以产生该三角波信号，并根据该第二共模信号调整该三角波信号的共模电平。

9.如权利要求1所述的D类放大器，其中该回路滤波器电路用以根据该第一输入信号与该第一输出信号之间的差值产生该第一信号，并根据该第二输入信号与该第二输出信号之间的差值产生该第二信号。

10.如权利要求1所述的D类放大器，其中该比较器电路***用以响应于该第一共模信号与该第二共模信号中的该另一者产生具有一校正信号成分的该第一脉冲信号与该第二脉冲信号，以降低该电源电压的电源噪声对该第一输出信号与该第二输出信号的影响。