專利名稱：Pwm比較器及d類放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及音頻功率放大器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及D類放大器技木。
背景技術(shù)：
近年來，D類音頻功率放大器在MP3、移動(dòng)電話、家庭影院等應(yīng)用領(lǐng)域快速發(fā)展，已經(jīng)成為其音頻系統(tǒng)的首選解決方案。由于D類功放的輸出功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，理論上效率可達(dá)100%，實(shí)際效率也在90%以上。而傳統(tǒng)的線性功放的效率大多在60%左右甚至更低。效率的大幅提升帶來兩個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)功耗低及發(fā)熱少。這大大減少了包含D類功放的芯片的散熱器的尺寸以及電路板的面積。因而對(duì)便攜和消費(fèi)類電子產(chǎn)品具有很強(qiáng)的吸引力?，F(xiàn)代D類音頻功放最常用的調(diào)制機(jī)制是脈沖寬度調(diào)制(PWM，Pulse Width Modulation) 0

圖1給出了基于PWM調(diào)制的半橋式D類功放的簡易示意圖。參照?qǐng)D1所示， 所述半橋式D類功放包括前置運(yùn)放、PWM比較器、邏輯電路、兩個(gè)MOS管構(gòu)成的輸出功率管和ー個(gè)用于恢復(fù)被放大的音頻信號(hào)的外接低通濾波器(電感L和電容C組成)。所述PWM調(diào)制過程為音頻輸入信號(hào)Vi經(jīng)前置運(yùn)放放大后輸出放大后的音頻信號(hào) Vsin，該放大后的音頻信號(hào)經(jīng)PWM比較器被高頻三角波V。s。調(diào)制成脈沖信號(hào)Vp，所述脈沖信號(hào)即PWM信號(hào)。所述P麗信號(hào)Vp經(jīng)邏輯電路后驅(qū)動(dòng)輸出功率管以輸出開關(guān)信號(hào)Vm，最后開關(guān)信號(hào)Vm通過LC低通濾波器還原成音頻信號(hào)V。ut。其中，PWM比較器理想的輸入輸出波形如圖2所示。參照?qǐng)D2所示，當(dāng)Vsin > Vosc 時(shí)，輸出Vp為高電平；當(dāng)Vsin < Vosc吋，Vp為低電平。這種調(diào)制方式通常也被稱作“自然采梓”，其中所述高頻三角波的頻率f。s。作為采樣頻率。實(shí)際應(yīng)用中，為了兼顧效率和成本，高頻三角波的頻率f。s。一般在250kHz左右。低于這個(gè)頻率攻放的效率更高，但是需要很大的外接濾波器；高于這個(gè)頻率，效果則正好相反。由于高頻三角波的頻率f。s。遠(yuǎn)高于音頻信號(hào)的頻率(20Hz 20kHz)，因而在每個(gè)三角波周期內(nèi)PWM信號(hào)Vp的脈沖寬度(即占空比)與放大后的音頻信號(hào)Vin的幅度成正比，即音頻信號(hào)被轉(zhuǎn)換為占空比不同的脈沖信號(hào)。通過以上分析可知，PWM比較器是產(chǎn)生PWM信號(hào)的關(guān)鍵模塊。根據(jù)其處理音頻數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用情況，良好的PWM比較器應(yīng)具有以下特性(1)大帶寬以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高速轉(zhuǎn)換； (2)高増益以獲取高精度；(3)良好的抗噪聲能力，確保在噪聲環(huán)境下，輸出PWM信號(hào)Vp正確翻轉(zhuǎn)。由圖2可見，正確的調(diào)制過程中，Vp由高到低翻轉(zhuǎn)的情況僅可能發(fā)生在三角波的上升沿；由低到高翻轉(zhuǎn)僅發(fā)生在三角波的下降沿。參照?qǐng)D3所示，傳統(tǒng)的PWM比較器包括預(yù)放大電路、判斷電路和輸出緩沖電路。 通過在判斷電路中把NMOS管M6、M7的柵漏交叉互連，以實(shí)現(xiàn)正反饋，從而提高判斷電路的増益并產(chǎn)生一定的遲滯來抑制信號(hào)上的噪聲。假設(shè)分別接收Vsin和V。s。的NMOS管Ml、M2 的跨導(dǎo)gml = gm2 = gm,匪OS管M6、M7的寬長比(W/L)6,7 = β B，匪OS管M5、M8的寬長比 (W/L) 5,8 = β A，且β B≥β A。穩(wěn)態(tài)情況下，保證NMOS管M6、M7只工作在截止區(qū)或線性區(qū)。 那么初始時(shí)，假設(shè)PMOS管M3、M4管的漏極電流分別為ID3 = Iss, Id4 = 0，則NMOS管M5、M7導(dǎo)通，NMOS管Μ6、Μ8管截止。隨著ID4逐漸增大，ID3不斷減小，NMOS管M7的漏極電位逐漸 増大’直至其進(jìn)入飽和區(qū)，此時(shí)
權(quán)利要求
1.ー種PWM比較器，其特征在干，包括預(yù)放大電路、反饋電路、判斷電路，其中，所述預(yù)放大電路，具有雙輸入端，分別接收高頻三角波信號(hào)和輸入音頻信號(hào)，并將高頻三角波信號(hào)和輸入音頻信號(hào)的波形變化情況輸出至所述反饋電路和判斷電路；所述反饋電路，與預(yù)放大電路、判斷電路及輸出緩沖電路相連，具有內(nèi)置電流源，基于從預(yù)放大電路獲取的高頻三角波信號(hào)的波形狀態(tài)，以及所述PWM比較器的PWM信號(hào)的電平狀態(tài)，調(diào)整通過所述電流源加載于所述判斷電路輸入上的電流；所述判斷電路，與所述反饋電路及輸出緩沖電路相連，基于所述判斷電路輸入上的電流變化獲取所述預(yù)放大電路輸出的高頻三角波信號(hào)和輸入音頻信號(hào)的波形變化情況，對(duì)高頻三角波信號(hào)和輸入音頻信號(hào)進(jìn)行比較并輸出比較結(jié)果。
2.如權(quán)利要求1所述的P麗比較器，其特征在于，還包括輸出緩沖電路，基于所述判斷電路輸出的比較結(jié)果，產(chǎn)生PWM信號(hào)并輸出；所述預(yù)放大電路包括第一輸入NMOS管及第ニ輸入NMOS管、第一鏡像PMOS管及第ニ 鏡像PMOS管，其中，第一輸入NMOS管的柵極接收輸入音頻信號(hào)，漏極與第一鏡像PMOS管的漏極相連，源極與第二輸入NMOS管的源極相連；第二輸入NMOS管的柵極接收高頻三角波信號(hào)，漏極與第二鏡像PMOS管的漏極相連； 第一輸入NMOS管、第二輸入NMOS管的源極與接地端之間具有第一電流源； 第一鏡像PMOS管的柵極與漏極短接，源極與電源相連； 第二鏡像PMOS管的柵極與漏極短接，源極與電源相連。
3.如權(quán)利要求2所述的PWM比較器，其特征在干，所述反饋電路包括第二電流源及第三電流源、第一開關(guān)及第ニ開關(guān)，其中，第一開關(guān)的一端與第二電流源相連，另一端依據(jù)高頻三角波信號(hào)的波形狀態(tài)而分別指向第一接觸端或第二接觸端，第一接觸端與第二鏡像PMOS管的柵極相連，第二接觸端與第 ー鏡像PMOS管的柵極相連；第二開關(guān)的一端與第三電流源相連，另一端依據(jù)PWM信號(hào)的電平狀態(tài)而分別指向第三接觸端或第四接觸端，第三接觸端與第二鏡像PMOS管的柵極相連，第四接觸端與第一鏡像 PMOS管的柵極相連。
4.如權(quán)利要求3所述的PWM比較器，其特征在干，高頻三角波信號(hào)處于上升沿吋，第一開關(guān)指向第一接觸端；高頻三角波信號(hào)處于下降沿吋，第一開關(guān)指向第二接觸端；PWM信號(hào)為低電平吋，第二開關(guān)指向第三接觸端；PWM信號(hào)為高電平吋，第二開關(guān)指向第四接觸端； 所述第二電流源與第三電流源的輸出電流相同。
5.如權(quán)利要求3所述的PWM比較器，其特征在干，所述判斷電路包括第三鏡像PMOS管及第四鏡像PMOS管、第一比較NMOS管至第四比較NMOS管，其中，第三鏡像PMOS管的源極與電源相連，柵極與第一鏡像PMOS管的柵極相連，與第一鏡像 PMOS管構(gòu)成電流鏡，漏極與第一比較NMOS管的漏極相連；第四鏡像PMOS管的源極與電源相連，柵極與第二鏡像PMOS管的柵極相連，與第二鏡像 PMOS管構(gòu)成電流鏡，漏極與第四比較NMOS管的漏極相連； 第一比較NMOS管的柵極與漏極短接，源極接地；第二比較NMOS管、第三比較NMOS管的柵漏交叉互連，源極均接地，第三比較NMOS管的柵極與第三鏡像PMOS管的漏極相連，第三比較NMOS管的漏極與第四鏡像PMOS管的漏極相連；第四比較NMOS管的柵極與漏極短接，源極接地。
6.如權(quán)利要求5所述的PWM比較器，其特征在干，所述輸出緩沖電路為雙端輸入、單端輸出的輸出緩沖電路，其雙端輸入分別與第三比較NMOS管的柵極和漏極相連，單端輸出所述PWM信號(hào)。
7.如權(quán)利要求1所述的PWM比較器，其特征在干，所述預(yù)放大電路及判斷電路采用 CMOS運(yùn)算跨導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求1所述的PWM比較器，其特征在干，所述預(yù)放大電路包括第一輸入NPN 管及第ニ輸入NPN管、第一鏡像PMOS管及第ニ鏡像PMOS管、第一鏡像NMOS管及第ニ鏡像 NMOS管，其中，第一輸入NPN管的基極接收輸入音頻信號(hào)，集電極與第一鏡像PMOS管的漏極相連，發(fā)射極與第二輸入NPN管的發(fā)射極相連；第二輸入NPN管的基極接收高頻三角波信號(hào)，集電極與第二鏡像PMOS管的漏極相連； 第一鏡像NMOS管與第二鏡像NMOS管構(gòu)成電流鏡，第一鏡像NMOS管的漏極與電流源一端相連，第二鏡像NMOS管的漏極與第一輸入NPN管、第二輸入NPN管的發(fā)射極相連，第一鏡像NMOS管及第ニ鏡像NMOS管的源極均接地；電流源的另一端與電源相連，電流源提供基準(zhǔn)電流； 第一鏡像PMOS管的柵極與漏極短接，源極與電源相連； 第二鏡像PMOS管的柵極與漏極短接，源極與電源相連。
9.如權(quán)利要求8所述的PWM比較器，其特征在干，所述反饋電路包括第一反饋NMOS管至第四反饋NMOS管、第三鏡像NMOS管及第四鏡像NMOS管，其中，第一反饋NMOS管的柵極接收外接控制信號(hào)，漏極與第二鏡像PMOS管的柵極相連，源極與第二反饋NMOS管的源極相連，并與第三鏡像NMOS管的漏極相連；第二反饋NMOS管的柵極接收基準(zhǔn)電壓，漏極與第一鏡像PMOS管的柵極相連； 第三反饋NMOS管的柵極接收基準(zhǔn)電壓，漏極與第二鏡像PMOS管的柵極相連，源極與第四反饋NMOS管的源極相連，并與第四鏡像NMOS管的漏極相連；第四反饋NMOS管的柵極與輸出緩沖電路的輸出相連，以接收PWM信號(hào)，漏極與第一鏡像PMOS管的柵極相連；第三鏡像NMOS管與第一鏡像NMOS管構(gòu)成電流鏡；第四鏡像NMOS管與第一鏡像NMOS管構(gòu)成電流鏡，第三鏡像NMOS管及第四鏡像NMOS 管的源極均接地；外接控制信號(hào)與高頻三角波信號(hào)的波形狀態(tài)對(duì)應(yīng)，當(dāng)高頻三角波信號(hào)處于上升沿吋， 外接控制信號(hào)為高電平；當(dāng)高頻三角波信號(hào)處于下降沿吋，外接控制信號(hào)為低電平。
10.如權(quán)利要求9所述的PWM比較器，其特征在干，所述判斷電路包括第三鏡像PMOS 管及第四鏡像PMOS管、第一比較NMOS管至第四比較NMOS管、第五鏡像NMOS管及第六鏡像 NMOS管、第五鏡像PMOS管及第六鏡像PMOS管，其中，第三鏡像PMOS管的源極與電源相連，柵極與第一鏡像PMOS管的柵極相連，與第一鏡像 PMOS管構(gòu)成電流鏡，漏極與第一比較NMOS管的漏極相連；第四鏡像PMOS管的源極與電源相連，柵極與第二鏡像PMOS管的柵極相連，與第二鏡像 PMOS管構(gòu)成電流鏡，漏極與第二比較NMOS管的漏極相連；第一比較NMOS管的柵極與漏極短接，源極接地；第三比較NMOS管、第四比較NMOS管的柵漏交叉互連，源極均接地，第四比較NMOS管的柵極與第三鏡像PMOS管的漏極相連，第四比較NMOS管的漏極與第四鏡像PMOS管的漏極相連；第二比較NMOS管的柵極與漏極短接，源極接地；第五鏡像NMOS管與第一比較NMOS管構(gòu)成電流鏡，第五鏡像NMOS管的源極接地，漏極與第六鏡像PMOS管的漏極相連；第六鏡像NMOS管與第二比較NMOS管構(gòu)成電流鏡，第六鏡像NMOS管的源極接地，漏極與第五鏡像PMOS管的漏極相連；第五鏡像PMOS管及第六鏡像PMOS管構(gòu)成電流鏡，第五鏡像PMOS管及第六鏡像PMOS 管的源極均與電源相連。
11.如權(quán)利要求10所述的PWM比較器，其特征在干，所述輸出緩沖電路包括依次級(jí)聯(lián)的第一反相器、施密特觸發(fā)器及第ニ反相器；第一反相器的輸入與第六鏡像PMOS管的漏極相連；第二反相器輸出PWM信號(hào)。
12.如權(quán)利要求10所述的PWM比較器，其特征在干，第一鏡像NMOS管、第三鏡像NMOS 管及第四鏡像NMOS管的寬長比相同；第二鏡像NMOS管的寬長比為第一鏡像NMOS管的寬長比的4倍；第一鏡像PMOS管、第二鏡像PMOS管、第三鏡像PMOS管及第四鏡像PMOS管的寬長比相同，且大于第二鏡像NMOS管的寬長比；第一比較NMOS管、第二比較NMOS管、第五鏡像NMOS管、第六鏡像NMOS管的寬長比相同，且大于第一鏡像NMOS管的寬長比，小于第二鏡像NMOS管的寬長比；第三比較NMOS管、第四比較NMOS管的寬長比相同，且大于第一比較 NMOS管的寬長比，小于第二鏡像NMOS管的寬長比；第五鏡像PMOS管及第六鏡像PMOS管的寬長比相同，且大于第一鏡像PMOS管的寬長比；第一反饋NMOS管至第四反饋NMOS管的寬長比相同，且小于第一鏡像NMOS管的寬長比。
13.ー種包括權(quán)利要求1 12任一項(xiàng)所述PWM比較器的D類放大器。
全文摘要
一種PWM比較器及D類放大器。所述PWM比較器引入電流反饋機(jī)制，基于所接收的高頻三角波信號(hào)的波形狀態(tài)以及比較器輸出信號(hào)的電平狀態(tài)，動(dòng)態(tài)地改變遲滯。所述PWM比較器在同等分辨率下，抗噪聲能力遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)遲滯固定的比較器，從而確保輸出信號(hào)在接近或處于100％占空比狀態(tài)下，比較器能夠穩(wěn)定工作。
文檔編號(hào)H03K5/24GK102545850SQ20101058895
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者程亮 申請(qǐng)人:無錫華潤上華半導(dǎo)體有限公司, 無錫華潤上華科技有限公司