專利名稱：自振蕩d類放大設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明針對一種放大設(shè)備，其包括用于接收設(shè)備輸入信號的設(shè)備輸入端；放大器單元，其包括零交叉檢測器單元、輸出濾波器和超前滯后(lead-lag)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，所述零交叉檢測器單元設(shè)置為比較所述設(shè)備輸入信號與參考電勢，并根據(jù)所述比較使脈寬調(diào)制檢測器輸出信號在第一電壓電平和第二電壓電平之間切換，其中所述放大器單元設(shè)置為提供所述設(shè)備輸入信號的放大表示作為實際設(shè)備輸出信號，并且所述放大設(shè)備包括提供所述實際設(shè)備輸出信號的設(shè)備輸出端。

背景技術(shù)：
脈寬調(diào)制技術(shù)是一種通過將模擬信號和周期參考信號相比較來將模擬信號轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制信號的技術(shù)。此外應(yīng)用了脈寬調(diào)制的D類放大器常用于便攜式視聽設(shè)備。D類放大器以它們相對高的功率效率(能量損失小)以及相對簡單的電路設(shè)計聞名。這使得這些放大設(shè)備能夠做的小巧，使它們適用于便攜式應(yīng)用。D類放大器基于的原理是將輸入信號和例如鋸齒波或三角波的周期參考信號相比較。放大設(shè)備包括開關(guān)式放大器，其根據(jù)輸入電壓是否高于或低于參考電壓或參考信號的電壓電平在第一和第二電壓電平之間切換。
該開關(guān)式放大器的輸出是具有變化的占空比的高頻方波。在輸送到負(fù)載之前，該信號首先通過LC低通濾波器低通濾波。低通濾波器阻止信號的快速開/關(guān)部分到達(dá)負(fù)載，同時沒有衰減地讓平均值通過。
以這種方式構(gòu)造的放大器存在各種缺陷。第一和第二電壓電平一般都不會穩(wěn)定，并且動態(tài)地影響整體增益。開關(guān)式輸出級(stage)利用有限的時間從第一電壓電平切換到第二電壓電平或者反過來，并且在此期間輸出狀態(tài)是不確定的。這表現(xiàn)為諧波失真。而且，從負(fù)載來看，LC輸出濾波器構(gòu)成了一個并聯(lián)諧振電路，該并聯(lián)諧振電路在濾波器的截止頻率附近具有高輸出阻抗。期望有低輸出阻抗以使得放大器的頻率響應(yīng)獨(dú)立于負(fù)載阻抗。
采用反饋誤差控制能最有效地解決這些問題。除了提高D類放大器的一致性(reproduction quality)，有利地也可以采用反饋回路來產(chǎn)生受控振蕩，因而使放大器工作在自振蕩模式下，而不需要例如由三角波振蕩器提供的外部周期參考信號。
具有至少一個幅度受限狀態(tài)變量的高階控制回路通常有幾個穩(wěn)定的極限循環(huán)(振蕩條件)或“模式”。在線性(即非開關(guān))系統(tǒng)中，運(yùn)行在任何這些極限循環(huán)下被認(rèn)為是不穩(wěn)定的。在開關(guān)系統(tǒng)中，有意地運(yùn)行在這些模式之一下被稱為“自振蕩”。具體地，自振蕩可以應(yīng)用于D類放大器作為顯著提高它們的回路增益的手段。由于在自振蕩D類放大器中不再需要提供周期參考信號，可以大大簡化設(shè)計。
自振蕩控制回路僅在一個特定模式，一般是最高頻模式下運(yùn)行良好。在其它模式下運(yùn)行會導(dǎo)致性能極大惡化甚至崩潰。通過閉合圍繞零交叉檢測器，即圍繞例如D類放大器的合適的反饋回路，可實現(xiàn)自振蕩。
自振蕩D類放大器的振蕩模式通常采用下面兩個標(biāo)準(zhǔn)計算，其基于正弦波振蕩器的Barkhausen標(biāo)準(zhǔn) Arg(H(j·2·π·f))＝0(方程式1a) 和 d(Arg(H(j·2·π·f)))/df＜0 (方程式1b) 其中H(s)是振蕩回路的回路函數(shù)(loop function)，f是頻率。這個公式基本說明系統(tǒng)能在回路相移為2π(或0)弧度時振蕩。這些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定了幾個頻率，也稱為運(yùn)行模式。
高階回路控制引起很多問題。首先，當(dāng)包含一個或多個積分器的放大器過調(diào)制(削波(clipped))時，輸入和輸出之間的誤差很大。積分器在輸出持續(xù)削波的整個時間內(nèi)持續(xù)積分該誤差。當(dāng)輸入信號回到正常范圍，輸出保持削波直到積分的誤差重新變成零。因此從削波恢復(fù)相當(dāng)緩慢，導(dǎo)致輸出信號一直失真直到電路完全恢復(fù)。
其次，根據(jù)Barkhausen標(biāo)準(zhǔn)，有可能回路在不期望的頻率振蕩。當(dāng)回路優(yōu)化到最大回路增益時，這幾乎肯定會發(fā)生。那么設(shè)計者根據(jù)增益余量(超過整體回路量響應(yīng)的剩余增益高于當(dāng)相位差為2π(的倍數(shù))時的整體)，而不是相位余量，來防止電路在不期望的頻率振蕩。然而，當(dāng)高階控制回路削波時，增益余量顯著減弱，給予該電路在較低(不穩(wěn)定)頻率模式下振蕩的機(jī)會。
再者，對設(shè)計者來說，控制回路僅對于閉環(huán)響應(yīng)(除此外發(fā)生開環(huán)響應(yīng))或開環(huán)響應(yīng)(除此外發(fā)生閉環(huán)響應(yīng))具有足夠的自由度，而不是同時對兩者具有足夠的自由度。D類放大器的正常程序設(shè)計為用于回路增益和修正外部頻率響應(yīng)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決上述問題，并提供一種基于零交叉檢測器單元的穩(wěn)定的自振蕩驅(qū)動放大設(shè)備。
本發(fā)明的這些和其它的目的是提供一種放大設(shè)備，包括設(shè)備輸入端，用于接收設(shè)備輸入信號；放大器單元，其包括零交叉檢測器單元、輸出濾波器和超前滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，所述零交叉檢測器單元設(shè)置為比較所述設(shè)備輸入信號與參考電勢，并根據(jù)所述比較使脈寬調(diào)制檢測器輸出信號在第一電壓電平和第二電壓電平之間切換，其中所述放大器單元設(shè)置為提供實際設(shè)備輸出信號，所述實際設(shè)備輸出信號是所述設(shè)備輸入信號的放大表示；以及設(shè)備輸出端，用于提供所述實際設(shè)備輸出信號；其中所述放大設(shè)備進(jìn)一步包括控制回路，該控制回路圍繞所述放大器單元設(shè)置，并且包括用于增加回路增益來提高所述實際設(shè)備輸出信號的信噪比的前向濾波器，所述前向濾波器包括積分濾波器；以及偏差檢測單元，其設(shè)置為檢測所述放大器單元的過調(diào)制；其中所述放大設(shè)備設(shè)置為當(dāng)所述放大器單元發(fā)生過調(diào)制時，使所述前向濾波器對于所述放大設(shè)備的功能失效。
在本發(fā)明的設(shè)備中，當(dāng)放大器單元過調(diào)制時，前向濾波器對于放大設(shè)備的功能就失效。具體地，當(dāng)發(fā)生過調(diào)制時，前向濾波器就停止其正常運(yùn)行，以阻止過調(diào)制持續(xù)的影響。這可通過多種不同方式實現(xiàn)。前向濾波器可以，例如飽和，以停止任何對于大的干擾的積分?？蛇x地，前向濾波器可以將自身切換到不向放大單元提供有效或顯著的貢獻(xiàn)的模式。例如，這可通過使積分器功能失效、使前向濾波器功能失效或者切斷整個控制回路來實現(xiàn)。另一個選擇是將積分器增益減弱到其貢獻(xiàn)很小或無意義的水平，或者通過抑制或減弱所述積分器的輸入信號。在此情況下，放大設(shè)備的放大器單元僅剩下或主要剩下對設(shè)備輸入信號的響應(yīng)，而控制回路僅提供或主要提供DC分量(理想的是盡可能小)或者根本沒信號時。這使得能從消波快速恢復(fù)。
由于放大設(shè)備的閉環(huán)響應(yīng)獨(dú)立于前向濾波器的傳遞函數(shù)，閉環(huán)響應(yīng)和開環(huán)響應(yīng)能設(shè)定為彼此獨(dú)立。放大設(shè)備的頻率響應(yīng)僅取決于放大器單元的傳遞函數(shù)，而回路增益僅取決于前向濾波器響應(yīng)，這解決了上述現(xiàn)有技術(shù)中D類放大器設(shè)計中存在的設(shè)計問題。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，偏差檢測單元包括檢測濾波器，該檢測濾波器設(shè)置為接收設(shè)備輸入信號，并修改該設(shè)備輸入信號以提供與放大器單元的實際設(shè)備輸出信號相對應(yīng)的期望設(shè)備輸出信號，這是優(yōu)選地而非必須地。具體地，期望設(shè)備輸出信號與來自未削波的或在較高電壓電平削波的放大器單元的輸出類似。這樣可以檢測來自放大器單元的實際設(shè)備輸出信號和來自偏差檢測單元的期望設(shè)備輸出信號之間的偏差。
根據(jù)另一實施例，檢測單元或控制回路設(shè)置為比較期望設(shè)備輸出信號與實際設(shè)備輸出信號，并提供期望設(shè)備輸出信號偏離實際設(shè)備輸出信號的誤差信號。這可通過將期望設(shè)備輸出信號引入到控制回路來簡單地實現(xiàn)，例如通過減法單元從通過控制回路接收到的實際設(shè)備輸出信號中減去期望設(shè)備輸出信號，或反過來。
所述前向濾波器這樣定制，當(dāng)響應(yīng)于所述接收到的誤差信號的前向濾波器輸出信號具有超出飽和閾值的電壓電平時，所述前向濾波器飽和。該飽和閾值可任意選擇，但也可為了有效地響應(yīng)削波而選擇為盡可能的小。然而在這方面要注意的是，為了達(dá)到預(yù)期功能，飽和閾值不需要也不必要為最小，然而它確實提供了有效響應(yīng)削波的額外優(yōu)點(diǎn)。還應(yīng)注意到前向濾波器的功能是提高信噪比(其中本發(fā)明的“噪聲”可包括失真)，因為它提高了整體回路增益。因此，期望前向濾波器對在其輸入端接收到的小信號有一定程度的容忍，以防止前向濾波器飽和得過快。當(dāng)前向濾波器飽和時，控制回路就不再對回路增益有貢獻(xiàn)。
在設(shè)備輸入端接收到的輸入信號不僅提供到偏差檢測單元，還提供到放大器單元用于正常運(yùn)行。根據(jù)實施例，前向濾波器的輸出與在設(shè)備輸入端接收到的輸入信號相結(jié)合，并用作放大器單元的輸入信號。用于結(jié)合來自設(shè)備輸入端的輸入信號和前向濾波器的輸出信號的裝置可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員了解的加法單元。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，零交叉檢測器可包括用于減少由比較器產(chǎn)生的干擾的修正反饋回路。除了上述之外，要注意的是本發(fā)明提供一種方便且簡單的方法來控制自振蕩D類放大器中削波的發(fā)生。由此產(chǎn)生的電路設(shè)計比較簡明，因此可能保持小巧。具體地，模擬本發(fā)明放大器單元的行為的偏差檢測電路可能只包括另一個放大器單元。簡單的RC電路是很好，但也可考慮其他替代方式。另一個放大器電路基于另一個零交叉檢測器，該放大器電路設(shè)定為在較高電壓電平削波，基于簡單的觀點(diǎn)而不是最優(yōu)選的解決方案，其也可以工作。因此，該另一個放大單元僅用于誤差檢測而不用于放大目的。
前向濾波器的積分器可定制成在第一次接收到誤差信號時飽和，完全鎖止控制回路的運(yùn)行，留下放大單元在自身的一個剩余的振蕩模式運(yùn)行。在這一個振蕩模式下的運(yùn)行是穩(wěn)定的。主放大器單元快速恢復(fù)，沒有受到持續(xù)過調(diào)制的高階控制回路的影響。
根據(jù)第二方面，本發(fā)明針對一種放大設(shè)備，其包括接收設(shè)備輸入信號的設(shè)備輸入端；放大器單元，其包括零交叉檢測器單元，所述零交叉檢測器單元設(shè)置為比較所述設(shè)備輸入信號與參考電勢，并根據(jù)所述比較使脈寬調(diào)制檢測器輸出信號在第一電壓電平和第二電壓電平之間切換，其中所述放大器單元設(shè)置為提供實際設(shè)備輸出信號，所述實際設(shè)備輸出信號是所述設(shè)備輸出信號的放大表示；以及用于提供所述實際設(shè)備輸出信號的設(shè)備輸出端；其中所述放大設(shè)備進(jìn)一步包括控制回路，該控制回路圍繞所述放大器單元設(shè)置，并且包括用于增加回路增益來提高所述實際設(shè)備輸出信號的信噪比的前向濾波器，所述前向濾波器包括積分濾波器；以及偏差檢測單元，設(shè)置為檢測所述放大器單元的過調(diào)制；其中所述放大設(shè)備設(shè)置為當(dāng)所述偏差檢測單元檢測到所述放大器單元發(fā)生過調(diào)制時，使所述前向濾波器對于所述放大設(shè)備的功能減弱。
根據(jù)第三方面，本發(fā)明提供了一種通過放大設(shè)備來放大設(shè)備輸入信號的方法，來提供實際設(shè)備輸出信號，所述實際設(shè)備輸出信號是設(shè)備輸入信號的放大表示，所述方法包括步驟設(shè)備輸入端接收所述設(shè)備輸入信號；放大器單元包括零交叉檢測器單元，所述零交叉檢測器單元執(zhí)行步驟比較所述設(shè)備輸入信號與參考電勢，并根據(jù)所述比較使脈寬調(diào)制檢測器輸出信號在第一電壓電平和第二電壓電平之間切換；所述放大器單元提供所述實際設(shè)備輸出信號給設(shè)備輸出端；所述方法進(jìn)一步包括步驟控制回路增加回路增益來提高所述實際設(shè)備輸出信號的信噪比，其中所述控制回路圍繞所述放大器單元設(shè)置并包括前向濾波器，所述前向濾波器包括積分濾波器；偏差檢測單元一檢測到所述放大器單元的過調(diào)制就提供誤差信號給所述放大設(shè)備；以及當(dāng)由所述偏差檢測單元檢測到所述放大器單元發(fā)生過調(diào)制時，所述放大設(shè)備使所述前向濾波器對于所述放大設(shè)備的功能減弱或失效。
除了上述，要注意到本發(fā)明的教導(dǎo)不限于僅一個控制回路。通過將預(yù)期設(shè)備輸出信號應(yīng)用于每一個積分單元，并且一削波就使它們每一個飽和，可根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)來使得包括多個積分單元和控制回路的高階系統(tǒng)運(yùn)行。



下面參照附圖通過具體的、非限制的實施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，其中 圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)已知的高階受控自振蕩D類放大器設(shè)備； 圖2A簡要地公開了與圖1相同的放大器設(shè)備； 圖2B公開了根據(jù)本發(fā)明的高階受控自振蕩D類放大器設(shè)備； 圖3A公開了在正常狀態(tài)下的根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的相位頻率圖； 圖3B公開了處于飽和中的根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的相位頻率圖； 圖4為本發(fā)明的另一實施例； 圖5A到5C描繪了與本發(fā)明一同使用的前向濾波器的實施例。

具體實施例方式 圖1中示出了現(xiàn)有技術(shù)的高階受控自振蕩D類放大設(shè)備1。在圖中，該設(shè)備包括基于零交叉檢測器單元并且包括比較器7和輸出濾波器15的放大器單元5。比較器7接收要與參考信號Vref 9相比較的輸入信號8。超前滯后補(bǔ)償回路13圍繞比較器7和輸出濾波器14設(shè)置。具有濾波器Hcomp14的超前滯后補(bǔ)償回路13與低通濾波器15、比較器7的傳播延遲一起，使得放大器單元5運(yùn)行于自振蕩模式。由于放大設(shè)備1是自振蕩的，參考信號Vref通常是DC信號，特別是參考電勢，通常為接地。盡管不期望本領(lǐng)域技術(shù)人員在常規(guī)情況和普通應(yīng)用下有貢獻(xiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以采用任意參考信號，而不必是以接地作為固定電勢，也不必是DC信號。
如果輸入信號8的電壓電平高于Vref的電壓電平，則比較器7在輸出端10上提供電壓電平V+的信號。如果輸入信號8的電壓電平小于Vref 9的電壓電平，則在輸出端10上提供電壓電平V-。通過輸入端11和12給比較器7提供用于開關(guān)的電壓電平(V+，V-)，即比較器7的最后級的供應(yīng)電壓，其也是放大設(shè)備的功率級(stage)。從而在比較器7的輸出端提供脈寬調(diào)制(PWM)信號Vpwm。輸出濾波器15將此PWM信號轉(zhuǎn)換成輸出信號Vout，其是輸入信號Vin的放大表示。Vout例如可以作為音頻輸出提供給揚(yáng)聲器(未示出)。
從輸出端17，控制回路19將輸出信號Vout饋送回到回路的開始處，并通過加法器21將此信號加到輸入端3的設(shè)備輸入Vin。該回路包括具有傳遞函數(shù)H(s)的前向濾波器20。前向濾波器20可為將回路的階數(shù)至少加一的任何合適類型的濾波器。前向濾波器20例如可為積分器。積分前向濾波器20的功能是通過積分噪聲信號來提高環(huán)路增益，從而提高信噪比。
放大器單元5具有傳遞函數(shù)K(s)，但對輸出信號增加了由ε表示的干擾。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所了解的，誤差項ε不是傳遞函數(shù)的一部分。誤差項ε也出現(xiàn)在被前向濾波器20積分的控制信號Vcontrol中。在正常條件下，該誤差項不會導(dǎo)致回路在振蕩頻率(即回路趨于轉(zhuǎn)向低振蕩模式)不穩(wěn)定。然而，當(dāng)放大器單元5被過調(diào)制和誤差項ε變大時，出現(xiàn)了問題。
當(dāng)PWM輸出信號的占空比達(dá)到0％或100％時，放大設(shè)備被稱為過調(diào)制。在這種情況下，對設(shè)備來說輸入信號太強(qiáng)而不能將它轉(zhuǎn)換成有意義的PWM信號。如果輸入超過最大允許電平，PWM占空比將為100％，并且Vout將被固定在其最大電平。當(dāng)放大器單元5過調(diào)制并且系統(tǒng)削波時，輸出信號Vout中的相當(dāng)大的誤差項通過控制回路19反饋到加法單元21，并在這里加到(具有相差)輸入信號設(shè)備輸入端3。前向濾波器20在將誤差通過輸入端8應(yīng)用于比較器7之前將誤差積分，使得情況變得更糟。因此削波狀態(tài)持續(xù)，并且設(shè)備要的需要花很長時間恢復(fù)。
圖2B示出了根據(jù)本方面的放大設(shè)備。為了比較，圖2A簡要的示出了圖1的放大設(shè)備，其中為了清晰，部件已被濾波器單元代替。按照下文的描述，通過比較圖2A和2B可以很好地理解本發(fā)明。然而要注意的是，圖2B的實施例僅作為實例解釋，例如圖4所示的可能的變體都落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
圖2A中示出了前向濾波器單元20和放大器單元5各自具有傳遞函數(shù)H(s)和K(s)。放大器單元5將干擾ε增加到輸出信號。接收輸入信號Vin的設(shè)備輸入端3在加法單元21中與來自控制回路19的控制信號相結(jié)合，并應(yīng)用到前向濾波器20。濾波后，信號被應(yīng)用到放大器單元5，在設(shè)備輸出端17提供實際設(shè)備輸出信號Vout。該實際設(shè)備輸出信號Vout通過控制回路19反饋并作為控制信號Vcontrol提供給加法單元21，用于與設(shè)備輸入端3的輸入信號Vin相結(jié)合。
在圖2B中，輸入信號Vin通過連接線24引導(dǎo)到加法單元27，在這里與來自前向濾波器20的信號相結(jié)合，然后提供給放大器單元5。正如以上根據(jù)圖1和2A所述，放大器單元5具有傳遞函數(shù)K(s)，并增加(通常很小)干擾ε到實際輸出信號Vout。實際設(shè)備輸出信號Vout從設(shè)備輸出端17進(jìn)入控制回路19，回到加法單元26?？刂苹芈?9和前向濾波器20顯著地提高了圖2B所示的放大設(shè)備的回路增益。超前滯后補(bǔ)償器14，與零交叉檢測器7和輸出濾波器Hout一起，形成了具有明確界定的增益和頻率響應(yīng)K(s)的自振蕩放大器單元5。用于自振蕩的振蕩模式是導(dǎo)致2π(即0)弧度相差的可能性最大的頻率。
在本發(fā)明的放大設(shè)備中，偏差檢測單元28包含具有傳遞函數(shù)K’(s)的檢測單元25。該檢測單元接收來自設(shè)備輸入端3的輸入信號Vin。由于傳遞函數(shù)K’(s)在檢測濾波器25的輸出端模仿或模擬放大器單元5的傳遞函數(shù)K(s)，該信號不帶誤差項ε，是Vout的理想形式。減法單元26從通過控制回路19接收到的信號中減去來自檢測濾波器25的輸出信號。因此，前向濾波器20僅接收到干擾ε，即通過控制回路19接收到的信號與接收自檢測濾波器25的信號之間的差。干擾ε在正常條件下被認(rèn)為很小，因此前向濾波器20的輸出很小。檢測單元25可實現(xiàn)為直通(straightforward)RC濾波器。
當(dāng)放大設(shè)備1過調(diào)制時，PWM輸出信號的占空比達(dá)到其極限，不再提供輸入信號Vin的電壓電平的有意義的表示。結(jié)果誤差項ε變得相對大。因此，通過控制回路19接收到的信號偏離通過檢測濾波器25接收到的信號的差到了相對大的程度。該相對大的誤差項ε被前向濾波器20接收。
根據(jù)實施例，前向濾波器20設(shè)計成一接收到平均起來比正常條件下接收到的誤差信號ε更強(qiáng)的誤差信號ε就相對快地飽和。因此，當(dāng)放大設(shè)備1過調(diào)制并開始削波時，由于ε變大，前向濾波器20H(s)就飽和并且不再對提供到放大器單元5的輸入信號有貢獻(xiàn)。具體地，飽和使得濾波器20的輸出提供了連續(xù)DC分量(理想地，其要盡可能的小)。因此，控制回路的影響失效，放大設(shè)備作為低階系統(tǒng)運(yùn)行。放大器單元5接收到的輸入信號僅包含作為變量的設(shè)備輸入信號Vin。因此，由于控制回路在前向濾波器20飽和時沒有貢獻(xiàn)，因此本發(fā)明的放大設(shè)備中不會有不期望的持續(xù)削波的影響。設(shè)備從過調(diào)制快速恢復(fù)。
上述實施例采用飽和使控制回路19的影響失效。本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解在一般情況下，本發(fā)明意在當(dāng)誤差信號ε表示的干擾變得過大時，就抑制積分控制回路的正常運(yùn)行。這可通過使前向濾波器飽和來實現(xiàn)，但也可通過限制或限定回路的輸出來使回路或其影響失效來實現(xiàn)。作為上述實例的替代，本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解，誤差信號ε可用于驅(qū)動例如晶體管形式的開關(guān)，來使得控制回路的影響失效。這例如可設(shè)計為在ε變得太大時通過閉合短路來重置前向濾波器20。這種情況下，不會發(fā)生誤差項ε的積分?？蛇x地，控制回路19對前向濾波器20的影響可通過如下來失效利用誤差信號ε來驅(qū)動晶體管導(dǎo)通，使得前向濾波器20的輸入接地。在這種情況下，當(dāng)放大器單元5發(fā)生過調(diào)制時，前向濾波器20就不再接收輸入信號。
一般地，與上述背景技術(shù)中所描述的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中采用的標(biāo)準(zhǔn)不同，下面的具體方程式準(zhǔn)確的推算出了振蕩頻率，其為占空比的函數(shù) (方程式2) 在上式中，h是占空比。
圖3A和3B示出了放大設(shè)備在正常條件下(圖3A)和飽和情況下(圖3B)的相位頻率圖。在圖3A和3B兩圖中，附圖標(biāo)記30表示頻率軸，附圖標(biāo)記31表示相位軸。頻率軸是對數(shù)刻度。設(shè)備的相位頻率響應(yīng)取決于信號的占空比。因此，圖3A和圖3B均包含對應(yīng)不同占空比的多條相位頻率曲線32和33。
圖3A示出了上述公式中兩個方程式中第一個的左側(cè)，其對應(yīng)于本發(fā)明的放大設(shè)備在正常條件下(前向濾波器未飽和或失效時)的行為。
在飽和時，圖3B示出了放大設(shè)備的相位頻率圖，其清楚地示出于對不同的占空比，其僅包含一個振蕩解決方案(oscillation so1ution)(取決于占空比)，由34表示。因此，在飽和時，放大設(shè)備顯然被迫運(yùn)行于自振蕩模式，因為這是系統(tǒng)唯一可用的穩(wěn)定模式。
圖4公開了本發(fā)明的實施例。圖5A至5C示出了本發(fā)明的前向濾波器45的多個可替代實現(xiàn)。每個可選的和具體的部件可通過電路設(shè)計單獨(dú)地、獨(dú)立地或組合地實現(xiàn)，來替代或體現(xiàn)圖2B中簡單示出的具體單元和部件。盡管圖4和5A至5C公開了具體單元的組合，這些圖的實施例不意味著限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。例如，檢測濾波器單元48可以實現(xiàn)為在常規(guī)條件下(即沒有過調(diào)制)模擬放大單元37的運(yùn)行的任何具體的電子單元。放大器單元37可為任何類型的自振蕩D類放大器單元。
圖4中，放大器單元37包括輸出濾波器Hout41，其例如可實現(xiàn)為低通濾波器。在電路設(shè)計中增加了包括具有傳遞函數(shù)Hcomp的補(bǔ)償濾波器40的超前滯后補(bǔ)償回路，以迫使單元37運(yùn)行于自振蕩模式并獲得確定的響應(yīng)K(s)。放大器單元37基于接收輸入信號Vin的開關(guān)式比較器單元39，并比較輸入信號Vin與參考信號Vref。Vref簡單地可以是DC信號并通常接地。在比較器39的輸出端提供脈寬調(diào)制信號，該脈寬調(diào)制信號根據(jù)電壓電平Vin是高于或低于電壓電平Vref在兩個電壓電平之間切換。
實際設(shè)備輸出信號Vout提供給回路44和前向濾波器45。加法單元46接收設(shè)備輸出Vout和來自檢測濾波器48的經(jīng)提高的或理想化后的輸出信號Vout。實際上，盡管常規(guī)的基于RC的濾波器可能夠用并且考慮到簡化設(shè)計是優(yōu)選的，但是檢測濾波器48也可以模仿放大器單元37的電路設(shè)計。加法單元46提供誤差項ε到前向濾波器45。
根據(jù)本發(fā)明，由于放大器單元37過調(diào)制，干擾ε將很大，前向濾波器45的輸入端50上的信號可用來抑制積分前向濾波器45的常規(guī)操作。濾波器45可設(shè)計為將前向濾波器45驅(qū)動到飽和。反饋回路44由于單元45的飽和而被鎖止(block)，并且出現(xiàn)在放大器單元37的輸入端的信號(不包括單元37的內(nèi)部反饋信號)中的唯一變量將是Vin?？蛇x地，濾波器45可設(shè)計為當(dāng)收到大的干擾ε時就自我關(guān)閉。而且，濾波器45可自我短路，或者抑制積分影響，例如采用電壓調(diào)節(jié)將電壓限制到邊界值(Vmax或Vmin)。
前向濾波器45的輸出在加法單元38中與Vin相結(jié)合，然后提供到放大器單元。
圖5A至5C描繪了前向濾波器45的三種實施例，其可與圖4公開的電路設(shè)計，或與本發(fā)明教導(dǎo)相對應(yīng)的其它電路設(shè)計相結(jié)合。
在圖5A中，示意地示出了前向濾波器45′。該單元可用來替代圖4中的單元45。圖5A示出了前向濾波器45′的輸入端50和輸出端51。前向濾波器45′包括作為基本組成塊的有源積分塊52。該積分塊包括運(yùn)算放大器57和圍繞其設(shè)置的電容器58。電阻器59與運(yùn)算放大器57和電容器58串聯(lián)。基本塊52是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的有源積分單元的簡單布局。前向濾波器45包括兩個與電容器58并聯(lián)的齊納二極管55和56。如果適當(dāng)選擇齊納二極管55和56的齊納電壓，優(yōu)選地稍高于干擾信號ε中的常規(guī)干擾電壓水平，齊納二極管55和56將調(diào)節(jié)前向濾波器45′在輸出端51的電壓。具體地，當(dāng)誤差項ε由于圖4中的放大器單元37過調(diào)制而變大時，齊納二極管55和56將運(yùn)算放大器57兩側(cè)的電壓限制在齊納電壓。因而在輸出端51提供的DC信號的電壓固定在齊納電壓，直到ε再次回到其正常運(yùn)行范圍內(nèi)。從而，在過調(diào)制期間，前向濾波器45′的積分影響失效。
在圖5B中簡要示出了前向濾波器45′’的另一個實施例。前向濾波器單元45′’包括輸入端50和輸出端51。同樣，前向濾波器45′’的基本組成塊是常規(guī)的集成單元52，其包括運(yùn)算放大器57、在運(yùn)算放大器57的輸出和反相輸入之間并聯(lián)的電容器58、以及與運(yùn)算放大器57和電容器58串聯(lián)的電阻器59。
前向濾波器單元45′’還包括開關(guān)60，其由邏輯或門65提供的信號控制。邏輯或門65的輸入由兩個比較器電路63和64提供，它們分別將輸入端50的輸入信號與最大電壓Vmax與最小電壓Vmin相比較。如果誤差項ε超過最大電壓Vmax，或者低于最小(負(fù))電壓電平Vmin，或門65上的輸出信號變高，驅(qū)動開關(guān)60閉合。這使得電容器58短路，使得向濾波器單元45′’失效并且使得前向濾波器單元45′’重置。前向濾波器單元45′’接收到具有超過閾值(Vmax和Vmin)的電壓電平的干擾信號ε時則失去積分影響，從而積分前向濾波器單元45′’的階數(shù)降低。
圖5C示出了圖4中前向濾波器單元45的另一個可選實施例。圖5C簡要示出了積分前向濾波器塊45″’。濾波器單元45″’包括輸入端50和輸出端51。前向濾波器單元45″’的基本組成塊是積分濾波器塊52，例如圖5C中所示的有源積分電路。在本實施例中，其包括運(yùn)算放大器57和與它并聯(lián)的電容器58，以及與它們串聯(lián)的電阻器59。
前向濾波器單元45″’的輸入端50處的輸入信號也提供給比較器電路68和69，它們將該輸入信號分別與電壓電平Vmin和Vmax相比較。電路68和69的輸出作為輸入提供給邏輯與端口70。運(yùn)行時，當(dāng)輸入端50的輸入信號，即干擾信號ε，在Vmin和Vmax的范圍內(nèi)時，電路68和69二者的輸出都為高，導(dǎo)致邏輯與端口的輸出變高。這引起開關(guān)71閉合，導(dǎo)致圖4中的控制回路44通過前向濾波器單元45″’閉合。
換言之，在誤差項ε相對小的正常條件下，開關(guān)71閉合且電路正常運(yùn)行。如果前向濾波器單元45″’的輸入端50的輸入信號ε大于Vmax或小于Vmin，電路68和69的輸出的至少一個為低，導(dǎo)致與端口70提供低輸出。這導(dǎo)致開關(guān)71保持打開狀態(tài)，使得圖5C中的前向濾波器單元45″’失效，并從而使得圖4中的積分反饋回路44失效。
盡管在圖5A至5C所示的每個實施例中，前向濾波器單元的基本組成塊是有源積分濾波器塊52，但本領(lǐng)域技術(shù)人員理解其可通過任何其它的積分濾波器塊或者任何其它能增加D類自振蕩放大器單元的回路增益的濾波器塊來實現(xiàn)。而且，盡管圖5A至5C的實施例公開了一階積分濾波器單元，其可被任何更高階的積分濾波器單元取代以進(jìn)一步增加回路增益。
公開的實施例的大部分依靠前向濾波器的功能失效，尤其是積分器的功能失效。要認(rèn)識到，響應(yīng)于從偏差檢測單元接收到的誤差信號，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)某種程度上是通過減少積分器的增益，或者通過鉗制或減弱積分器的輸入信號，來減弱整個放大設(shè)備中的控制回路的影響而實現(xiàn)的。
如上所述，本發(fā)明的教導(dǎo)已經(jīng)說明了自振蕩D類放大器。這里要注意的是這些教導(dǎo)可應(yīng)用于那些不是設(shè)計為運(yùn)行在自振蕩模式下的D類放大器，即，沒有超前滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)并且提供周期參考信號給零交叉檢測器來提供脈寬調(diào)制信號。應(yīng)用于這樣的放大器的本發(fā)明具有穩(wěn)定非自振蕩D類放大器的運(yùn)行的效果。
在上面的詳細(xì)說明中，為了解釋而不是限制目的，示例性實施例公開了詳盡解釋的具體細(xì)節(jié)，以充分理解根據(jù)本發(fā)明的實施例。然而，對于已了解本發(fā)明益處的本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，根據(jù)不脫離這里公開的具體細(xì)節(jié)的本發(fā)明教導(dǎo)的其他實施例權(quán)益也在附加的權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。而且，省略了公知設(shè)備和方法的描述以使得實施例的描述清楚。這些方法和設(shè)備顯然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.放大設(shè)備，包括
設(shè)備輸入端，用于接收設(shè)備輸入信號；
放大器單元，包括零交叉檢測器單元、輸出濾波器和超前滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，所述零交叉檢測器單元設(shè)置為比較所述設(shè)備輸入信號與參考電勢，并根據(jù)所述比較使脈寬調(diào)制檢測器輸出信號在第一電壓電平和第二電壓電平之間切換，其中所述放大器單元設(shè)置為提供實際設(shè)備輸出信號，所述實際設(shè)備輸出信號是所述設(shè)備輸入信號的放大表示；以及
設(shè)備輸出端，用于提供所述實際設(shè)備輸出信號；
其中所述放大設(shè)備進(jìn)一步包括控制回路，該控制回路圍繞所述放大器單元設(shè)置，并且包括用于增加回路增益來提高所述實際設(shè)備輸出信號的信噪比的前向濾波器，所述前向濾波器包括積分濾波器；以及
偏差檢測單元，設(shè)置用于檢測所述放大器單元的過調(diào)制；
其中所述放大設(shè)備設(shè)置為，當(dāng)所述放大器單元發(fā)生過調(diào)制時，使所述前向濾波器對于所述放大設(shè)備的功能失效。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大設(shè)備，其中當(dāng)所述放大器單元發(fā)生過調(diào)制時，所述設(shè)備設(shè)置為使所述前向濾波器失效。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大設(shè)備，其中在所述放大器單元發(fā)生過調(diào)制時，為了使所述前向濾波器失效，所述偏差檢測單元和所述控制回路設(shè)置為提供濾波器輸入信號給所述前向濾波器以驅(qū)動所述前向濾波器飽和。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的放大設(shè)備，其中所述偏差檢測單元包括檢測濾波器，所述檢測濾波器設(shè)置為接收所述設(shè)備輸入信號，并修改所述設(shè)備輸入信號以提供與所述放大器單元的所述實際設(shè)備輸出信號相對應(yīng)的期望設(shè)備輸出信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的放大設(shè)備，其中所述偏差檢測單元或所述控制回路設(shè)置為比較所述期望設(shè)備輸出信號和所述實際設(shè)備輸出信號，并提供所述期望設(shè)備輸出信號偏離所述實際設(shè)備輸出信號的誤差信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的放大設(shè)備，其中所述偏差檢測單元被連接以使所述期望設(shè)備輸出信號接入所述控制回路，來提供所述誤差信號給所述前向濾波器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的放大設(shè)備，其中所述控制回路包括減法單元，用于將所述期望設(shè)備輸出信號和所述實際設(shè)備輸出信號相結(jié)合，來提供作為所述期望設(shè)備輸出信號和所述實際設(shè)備輸出信號之間的差信號的所述誤差信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的放大設(shè)備，其中所述前向濾波器定制為，在提供了響應(yīng)于所述誤差信號的前向濾波器輸出信號時飽和，該前向濾波器輸出信號具有超出飽和閾值的電壓電平。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的放大設(shè)備，其中所述前向濾波器定制為使得所述飽和閾值最小化。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的放大設(shè)備，進(jìn)一步包括結(jié)合裝置，用于將來自所述設(shè)備輸入端的輸入信號和所述振蕩回路的振蕩回路輸出信號相結(jié)合，并且將結(jié)合的信號提供給所述放大器單元。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的放大設(shè)備，其中所述結(jié)合裝置包括加法單元。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的放大設(shè)備，其中所述放大器單元進(jìn)一步包括修正反饋回路，用于減弱由所述比較器產(chǎn)生的干擾。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的放大設(shè)備，其中所述前向濾波器設(shè)置為，當(dāng)所述放大器單元發(fā)生過調(diào)制時，使所述積分濾波器功能失效或抑制所述積分濾波器的功能。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的放大設(shè)備，其中所述前向濾波器包括信號操控開關(guān)，所述信號控制開關(guān)響應(yīng)于提供給所述前向濾波器的前向濾波器輸入信號。
15.一種放大設(shè)備，包括
設(shè)備輸入端，用于接收設(shè)備輸入信號；
放大器單元，包括零交叉檢測器單元，所述零交叉檢測器單元設(shè)置為比較所述設(shè)備輸入信號與參考電勢，并根據(jù)所述比較使脈寬調(diào)制檢測器輸出信號在第一電壓電平和第二電壓電平之間切換，其中所述放大器單元設(shè)置為提供實際設(shè)備輸出信號，所述實際設(shè)備輸出信號是所述設(shè)備輸入信號的放大表示；以及
設(shè)備輸出端，用于提供所述實際設(shè)備輸出信號；
其中所述放大設(shè)備進(jìn)一步包括控制回路，該控制回路圍繞所述放大器單元設(shè)置，并且包括用于增加回路增益來提高所述實際設(shè)備輸出信號的信噪比的前向濾波器，所述前向濾波器包括積分濾波器；以及
偏差檢測單元，設(shè)置為檢測所述放大器單元的過調(diào)制；
其中所述放大設(shè)備設(shè)置為，當(dāng)由所述偏差檢測單元檢測到所述放大器單元發(fā)生過調(diào)制時，減弱所述前向濾波器對于所述放大設(shè)備的功能。
16.一種通過放大設(shè)備來放大設(shè)備輸入信號的方法，用于提供實際設(shè)備輸出信號，所述實際設(shè)備輸出信號是所述設(shè)備輸入信號的放大表示，所述方法包括步驟
設(shè)備輸入端接收所述設(shè)備輸入信號；
放大器單元包括零交叉檢測器單元，零交叉檢測器單元執(zhí)行步驟比較所述設(shè)備輸入信號與參考電勢，并根據(jù)所述比較使脈寬調(diào)制檢測器輸出信號在第一電壓電平和第二電壓電平之間切換；
所述放大器單元提供所述實際設(shè)備輸出信號給設(shè)備輸出端；
所述方法進(jìn)一步包括步驟
控制回路增加回路增益來提高所述實際設(shè)備輸出信號的信噪比，其中所述控制回路圍繞所述放大器單元設(shè)置并且包括前向濾波器，所述前向濾波器包括積分濾波器；
偏差檢測單元在檢測到所述放大器單元發(fā)生過調(diào)制時提供誤差信號給所述放大設(shè)備；以及
當(dāng)所述偏差檢測單元檢測到所述放大器單元發(fā)生過調(diào)制時，所述放大設(shè)備使所述前向濾波器對于所述放大設(shè)備的功能減弱或失效。
全文摘要
一種自振蕩D類放大設(shè)備，包括接收設(shè)備輸入信號的設(shè)備輸入端；包括零交叉檢測器單元、輸出濾波器和超前滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的放大器單元。零交叉檢測器單元比較設(shè)備輸入信號和參考電勢，以及根據(jù)該比較使脈寬調(diào)制檢測器輸出信號在第一電壓電平和第二電壓電平之間切換。放大器單元提供為設(shè)備輸入信號的放大表示的實際設(shè)備輸出信號。放大設(shè)備還包括提供該實際設(shè)備輸出信號的設(shè)備輸出端，以及橋接放大器單元且包括用于增加回路增益來提高該實際設(shè)備輸出信號的信噪比的前向濾波器的控制回路。前向濾波器包括積分濾波器。放大設(shè)備還包括檢測放大器單元的過調(diào)制的偏差檢測單元，其中放大器單元過調(diào)制時，使前向濾波器對于放大設(shè)備的功能失效。
文檔編號H03F3/217GK101814899SQ20101015158
公開日2010年8月25日 申請日期2010年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月18日
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