用于实现D 类放大器的高输出信号摆幅的方法及设备技术

公开了用于提供大于D类放大器中的供电电压的输出信号摆幅的装置和方法。放大器电路通过使用电容器来对跨负载的电压进行“电荷泵升”来升高跨诸如扬声器的放大器负载的电压，并因此临时增大电压。这通过使用两个或更多个输出桥而不是一个输出桥并且通过电容器来连接桥来完成。对于小于供电电压的信号，类似于现有技术的全桥，仅内部桥操作。对于供电电压以上的信号，外部桥对电容器进行充电，然后在D类切换时间段的短时间段内，电容器被用于“升高”桥输出上的电压。因此，仅需要相对小值的升压电容器，这是由于其无需很长时间供应电荷。

【技术实现步骤摘要】
用于实现D类放大器的高输出信号摆幅的方法及设备本申请要求于2015年9月11日提交的临时申请第62/217,596号以及于2016年7月14号提交的临时申请第62/362,347号的优先权，其全部内容通过引用合并到本文中。
本专利技术总体上涉及放大器，更具体地涉及D类放大器。
技术介绍
D类放大器或开关放大器是其中放大器件(其为晶体管，通常为场效应晶体管，即FET)作为电子开关操作而非如其他放大器中那样作为线性增益器件操作的电子放大器。本领域技术人员公知这样的放大器是可以实现高放大率以及高效率的架构。待放大的信号是一系列的恒定振幅脉冲，因此有源器件在其完全导通和完全不导通状态之间快速地来回切换。待放大的模拟信号在被施加至放大器之前通过脉冲宽度调制、脉冲密度调制或其他方法被转换成一系列数字脉冲。在放大之后，输出脉冲序列可以通过使其通过由电感器和电容器组成的无源低通滤波器来被转换回模拟信号。(在一些应用中，省略低通滤波器，并且诸如扬声器的固有带宽的换能器用作低通滤波器。)D类放大器的主要优点在于其较之相似的模拟放大器通常更高效并且在有源器件中被耗散为热的功率更小。诸如脉冲生成器中所使用的输出级的输出级为D类放大器的示例。然而，该术语主要应用于旨在再现具有远低于切换频率的带宽的信号的功率放大器。图1是基本单端输出或半桥设计中的D类放大器100的视图。输入信号102与三角波信号组合以产生固定振幅但是宽度和间隔变化的一系列方形脉冲104；信号的低频部分为待放大的信号，而高频部分使波形二元化。脉冲序列104被输出级106放大，导致具有相同频谱但具有较大振幅的脉冲序列108。然后，经放大的脉冲序列108通过使其通过去除不想要的高频分量的低通滤波器110被转换回模拟信号，然后模拟信号通过扬声器(或其他负载)112。由于仅使用了诸如电感器和电容器的反应性部件，因此低通滤波器110具有高效率。在一些应用，特别是便携式移动装置中所使用的应用中，可以省略作为低通滤波器110的一部分并且与扬声器负载串联的电感器。这是因为扬声器音圈的电感可以足以执行对于去除驱动波形的高频分量所需的切换波形的滤波。虽然负载在图1和本文的其他附图中被示出为扬声器，但是本领域技术人员将认识到，非音频应用和除了扬声器之外的负载可以从本文中所描述的专利技术获益。如本领域中已知，该放大器的输出功率受限于在输出级处使用的供电电压VDD的值。在D类放大器的许多应用中，供电电压从电池获得。例如，便携式移动装置通常由锂电池供电，在被完全充电时，锂电池可以具有约4.2伏特(V)的初始电压，随着电池被放电，电压可能降至3.2V。因此，可以被递送进具有例如通常可能为8欧姆的电阻值的扬声器负载的输出功率被限制为仅数百毫瓦特或更低。在克服该限制的一种尝试中，D类放大器电路通常被修改以创建第二赠送输出，使得扬声器负载现在由相反的相的两端来驱动。这公知为“平衡”或“差动”驱动；输出级通常被称为“全桥”或“H桥”电路，并且扬声器或其他负载被称为“桥接式”负载(“BTL”)。控制器(未示出)将输入提供至相反的相的桥的两侧。图2是使用全桥电路的差动D类放大器输出级200的视图。输出桥包括通过控制器(未示出)馈送输入信号的FET晶体管MHA、MLA、MHB和MLB。在该配置中，输出电压摆幅翻倍，这是由于现在存在第二赠送输出使得扬声器负载现在由相反的相的两端驱动。由于功率与跨负载的电压的平方成比例，因此被递送至扬声器的功率标称上增大为4倍。如本领域中已知，对于要以差动方式驱动的扬声器负载，桥的每侧必须为另一侧的镜像，并且因此能够以如上的相反的相提供相同的电压。在图2的电路中，如本领域中通常的那样，晶体管MHA和MHB为p沟道金属氧化物半导体(PMOS)晶体管，而晶体管MLA和MLB为n沟道金属氧化物半导体(NMOS)晶体管，但是这不是必需的。本领域技术人员将认识到使用NMOS晶体管而不是PMOS晶体管所涉及的困难，反之亦然。对于任何给定的物理尺寸，由于PMOS器件具有比NMOS器件低的电导率，因此通常使用所有器件均是NMOS器件的桥，即使这使得驱动波形更难以生成也是如此，这是因为被PMOS器件替代的NMOS器件需要对桥的最大供电以上的栅极驱动。然而，即使是来自电路200的功率的增加也只在移动装置中由3.6伏特供电电压进入8欧姆负载仅产生略高于1瓦特的平均功率(3.6×3.6×1/8×0.707＝1.134瓦特)。在具有12伏特供电电压和4欧姆负载的汽车应用中，平均功率将为约25瓦特(12×12×1/4×0.707＝25.4瓦特)。在这些最大功率水平下，对输出桥的控制信号将趋向于100％的占空比。即，桥在一个方向上几乎永久操作，使电流转向负载。在该情况下，放大器已变成“饱和”，并且不能响应于更大的输入信号而产生更多的功率。因此，桥不再表现为线性的，并且信号在其最大电平处被“截头(clipped)”，即一种严重失真的形式。因此，期望以避免该“截头”条件的方式设计放大器，虽然一些设计对另外降低输出功率有影响也是如此。为了增大这些功率水平，必须增大跨扬声器负载的信号摆幅。实现这一点的一种典型方式是通过将供电电压“升高(boosting)”至全桥输出级。在一些情况下，这通过使用诸如切换模式升压转换器电路的标准供电电路设计技术来实现。图3是使用与全桥输出放大器组合的这种升压转换器的D类放大器300的一种商用实现方案的框图。这种形式的供电电压升高使用离散电感器部件LX和控制器(“CONTROL”)302的设计。使用升压转换器304导致可以为例如9伏特至12伏特而不是约4伏特的标称电池电压的供电电压VCCOUT。所增大的电压VCCOUT去往输出级306以增大针对扬声器负载的功率。控制器302关注输入信号并且确定输入信号是否需要这样的供电电压的升高；如果升高是合适的，则升压转换器304被激活。然而，期望升压转换器304不是一直运行，因为这将使电池比升压转换器304没有被激活时更快地耗尽。因此，为了优化放大器300的效率，控制器302仅在放大器的期望输出信号变得足够大到需要增大升压转换器304提供的供电电压时激活升压转换器304。在一些实施方式中，可以使供电电压“追踪”信号电平，进一步提高放大器300的效率，虽然以增大电路复杂性为代价也是如此。此外，升压转换器是不方便的，这是由于电感器相对于电容器的另外的成本以及更主要的是电感器的物理尺寸两者。印刷电路板上的电感器的高度可以为2毫米至3毫米(mm)，而电容器的高度小于1mm。这对于例如智能电话的设计带来限制。最终，为了限制电感器的尺寸，期望以诸如1兆赫兹(Mhz)的高频驱动电感器，这可能导致电磁干扰。另一可能解决方案是电荷泵，其为本领域中公知的频繁用于针对许多应用创建更大或更小的供电电压的装置。电荷泵创建连续的供电电压，其可以以类似于以上的基于电感器的升压电路的方式来对电路供电。然而，具有物理上的小电容器的电荷泵必须以高速运行，这降低了其效率。此外，与电感升压电路相反，电荷泵不能高效提供连续电压并且因此不能高效追踪最优供电电平。这样的电荷泵实现方案的示例参见来自NXP半导体N.V.(以前的Philips半导体)公司的TDA1560音频放大器，其使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于向负载提供一系列输出脉冲的D类放大器，所述输出脉冲表示输入信号，所述D类放大器包括：六个半桥切换电路，每个半桥切换电路具有第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管和所述第二晶体管中的每个晶体管的栅极接收表示所述输入信号的一系列输入脉冲，每个第一晶体管的源极耦接至正电源，每个第二晶体管的源极耦接至负电源，并且每个半桥中的第一晶体管的漏极连接至同一半桥中的第二晶体管的漏极；第一半桥切换电路的两种晶体管的漏极连接至所述负载的一侧并且第二半桥切换电路的两种晶体管的漏极连接至所述负载的相对侧；第一电容器，所述第一电容器的正端子连接至所述第一半桥的两种晶体管的漏极并且所述第一电容器的负端子连接至第三半桥的两种晶体管的漏极；以及第二电容器，所述第二电容器的正端子连接至所述第二半桥的两种晶体管的漏极并且所述第二电容器的负端子连接至第四半桥的晶体管的漏极；第三电容器，所述第三电容器的负端子连接至所述第一半桥的两种晶体管的漏极并且所述第三电容器的正端子连接至第五半桥的两种晶体管的漏极；以及第四电容器，所述第四电容器的负端子连接至所述第二半桥的两种晶体管的漏极并且所述第四电容器的正端子连接至第六半桥的晶体管的漏极。...

【技术特征摘要】
2015.09.11 US 62/217,596;2016.07.14 US 62/362,347;1.一种用于向负载提供一系列输出脉冲的D类放大器，所述输出脉冲表示输入信号，所述D类放大器包括：六个半桥切换电路，每个半桥切换电路具有第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管和所述第二晶体管中的每个晶体管的栅极接收表示所述输入信号的一系列输入脉冲，每个第一晶体管的源极耦接至正电源，每个第二晶体管的源极耦接至负电源，并且每个半桥中的第一晶体管的漏极连接至同一半桥中的第二晶体管的漏极；第一半桥切换电路的两种晶体管的漏极连接至所述负载的一侧并且第二半桥切换电路的两种晶体管的漏极连接至所述负载的相对侧；第一电容器，所述第一电容器的正端子连接至所述第一半桥的两种晶体管的漏极并且所述第一电容器的负端子连接至第三半桥的两种晶体管的漏极；以及第二电容器，所述第二电容器的正端子连接至所述第二半桥的两种晶体管的漏极并且所述第二电容器的负端子连接至第四半桥的晶体管的漏极；第三电容器，所述第三电容器的负端子连接至所述第一半桥的两种晶体管的漏极并且所述第三电容器的正端子连接至第五半桥的两种晶体管的漏极；以及第四电容器，所述第四电容器的负端子连接至所述第二半桥的两种晶体管的漏极并且所述第四电容器的正端子连接至第六半桥的晶体管的漏极。2.根据权利要求1所述的D类放大器，其中每个第一晶体管是PMOS晶体管。3.根据权利要求2所述的D类放大器，其中每个第二晶体管是NMOS晶体管。4.根据权利要求1所述的D类放大器，其中每个第二晶体管是NMOS晶体管。5.根据权利要求1所述的D类放大器，还包括数字化电路，所述数字化电路具有用于接收输入信号的输入并且生成表示要施加至所述第一晶体管和所述第一晶体管的栅极的输入信号的幅值和频率的一系列输入脉冲，所述一系列输入脉冲的频率显著高于所述输入信号的频率。6.根据权利要求5所述的D类放大器，其中所述输入信号是音频信号并且所述负载是扬声器。7.一种用于向负载提供一系列输出脉冲的D类放大器，所述输出脉冲表示输入信号，所述D类放大器包括：包括八个晶体管的四个半桥切换电路，每个半桥切换电路具有第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管和所述第二晶体管中的每个晶体管的栅极接收表示所述输入信号的一系列输入脉冲，每个第一晶体管的源极耦接至正电源，每个第二晶体管的源极耦接至负电源，并且每个半桥中的第一晶体管的漏极连接至同一半桥中的第二晶体管的漏极；第一半桥切换电路的两种晶体管的漏极连接至所述负载的一侧并且第二半桥切换电路的两种晶体管的漏极连接至所述负载的相对侧；第一电容器，其负端子连接至第三半桥的两种晶体管的漏极；第二电容器，其正端子连接至第四半桥的两种晶体管的漏极；第九晶体管和第十晶体管，所述第九晶体管和第十晶体管的源极连接至所述第一电容器的正端子，所述第九晶体管的漏极连接至所述第一半桥切换电路的两种晶体管的漏极并且所述第十晶体管的漏极连接至所述第二半桥切换电路的两种晶体管的漏极；以及第十一晶体管和第十二晶体管，所述第十一晶体管和第十二晶体管的源极连接至所述第二电容器的负端子，所述第十一晶体管的漏极连接至所述第一半桥切换电路的两种晶体管的漏极并且所述第十二晶体管的漏极连接至所述第二半桥切换电路的两种晶体管的漏极。8.根据权利要求7所述的D类放大器，其中每个第一晶体管是PMOS晶体管。9.根据权利要求8所述的D类放大器，其中每个第二晶体管...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·约翰·弗里思，永盛·驱，A·马丁·马林森，罗伯特·林恩·布莱尔，
申请(专利权)人：ESS技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US