用于d類(lèi)音頻放大器的多相脈沖寬度調(diào)制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多相脈沖寬度調(diào)制器，該調(diào)制器產(chǎn)生具有預(yù)定周期的N個(gè)相互相移脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。多相脈沖寬度調(diào)制器具體而言十分適合應(yīng)用在D類(lèi)音頻放大器中。多相脈沖寬度調(diào)制器包括N+1個(gè)模擬三角波發(fā)生器，該發(fā)生器配置為產(chǎn)生相應(yīng)的N+1個(gè)相互相移模擬三角波。多相脈沖寬度調(diào)制器進(jìn)一步包括N+1個(gè)比較器，每個(gè)包括可操作地耦接至N+1個(gè)相互相移模擬三角波中的相應(yīng)的相互相移模擬三角波的第一輸入；以及耦接至音頻信號(hào)的第二輸入以生成至少N+1個(gè)相互相移脈沖寬度調(diào)制相位信號(hào)。交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)或矩陣開(kāi)關(guān)包括N+ 1個(gè)輸入端子，耦接至N+1個(gè)相互相移脈沖寬度調(diào)制相位信號(hào)中的相應(yīng)的相互相移脈沖寬度調(diào)制相位信號(hào)，以及N個(gè)輸出端子，配置用于供應(yīng)N個(gè)相互相移脈沖寬度調(diào)制信號(hào)中的相應(yīng)的相互相移脈沖寬度調(diào)制相位信號(hào)。交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)的交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制器配置為以預(yù)時(shí)序間順序，將N+1個(gè)輸入端子的各個(gè)選擇性連接至N個(gè)輸出端子的各個(gè)輸出端子持續(xù)預(yù)定周期的持續(xù)時(shí)間，以同時(shí)生成N個(gè)相互相移脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，從而每個(gè)信號(hào)包括N+1個(gè)相互相移脈沖寬度調(diào)制相位信號(hào)的交錯(cuò)時(shí)間段;N為大于或等于2的正整數(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]D類(lèi)音頻放大器為眾所周知類(lèi)型的音頻功率放大器，該放大器一般被認(rèn)為，通過(guò)在揚(yáng)聲器負(fù)載上切換脈沖寬度調(diào)制(PWM)或脈沖密度調(diào)制(PDM)信號(hào)，來(lái)提供揚(yáng)聲器的能效音頻驅(qū)動(dòng)。D類(lèi)音頻放大器通常包括耦接至揚(yáng)聲器負(fù)載的基于H橋的輸出級(jí)，以在揚(yáng)聲器上應(yīng)用相反相位脈沖寬度調(diào)制音頻信號(hào)。電感電容(LC)低通濾波器通常插入在基于H橋的輸出級(jí)和揚(yáng)聲器負(fù)載之間，以抑制HVM或PDM輸出信號(hào)中的載波成分。用于脈沖寬度調(diào)制音頻信號(hào)的幾個(gè)調(diào)制方案在現(xiàn)有技術(shù)中已被用在基于PWM的D類(lèi)放大器中。在所謂AD調(diào)制中，H橋的每個(gè)輸出端子或節(jié)點(diǎn)處的脈沖寬度調(diào)制音頻信號(hào)在相反相位的兩個(gè)不同電平之間轉(zhuǎn)變或切換。所述兩個(gè)不同電平通常分別與較高和較低供電軌相對(duì)應(yīng)，如D類(lèi)放大器的正和負(fù)DC供電軌。在所謂BD調(diào)制中，在揚(yáng)聲器負(fù)載上的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)在三個(gè)電平之間交替切換，三個(gè)電平的其中兩個(gè)電平與上文所提的較高和較低DC供電軌相對(duì)應(yīng)，且第三電平為通過(guò)將揚(yáng)聲器負(fù)載的兩端同時(shí)拉至DC供電軌的其中之一而獲得的零電平。當(dāng)D類(lèi)放大器正在空閑時(shí)(空閑導(dǎo)致顯著功率損失)，這些調(diào)制方案都在LC低通濾波器的輸出電感中生成相當(dāng)大的紋波電流。通過(guò)對(duì)LC低通濾波器使用相對(duì)較大的電感器，這個(gè)缺點(diǎn)通常已被容忍和控制至一定程度。但是，此類(lèi)大的電感器導(dǎo)致D類(lèi)放大解決方法或組件的成本和尺寸的顯著增大。
[0003]所謂多電平PWM調(diào)制對(duì)于音頻和其他信號(hào)的脈沖寬度調(diào)制具有特別的優(yōu)勢(shì)形式，且具備許多優(yōu)于在申請(qǐng)人的PCT申請(qǐng)WO 2012/055968號(hào)中詳細(xì)描述的傳統(tǒng)AD和BD調(diào)制的好處。這個(gè)種類(lèi)的多電平PWM調(diào)制通常包括耦接至輸出級(jí)的一個(gè)或幾個(gè)所謂飛跨電容器，以在外部電容器上存儲(chǔ)自身或內(nèi)部生成的半電源電壓水平。這個(gè)半電源電壓水平是PWM輸出信號(hào)的第三電壓水平的來(lái)源。一個(gè)或多個(gè)飛跨電容器的平衡關(guān)系到多相PWM信號(hào)的準(zhǔn)確性。因此，多電平PWM調(diào)制要求準(zhǔn)確的多相PWM信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能。優(yōu)選地，這些多相PWM信號(hào)通過(guò)多相脈沖寬度調(diào)制器生成，該調(diào)制器從各個(gè)高精度多相模擬三角波得出多相PWM信號(hào)。該高精度多相模擬三角波被用來(lái)經(jīng)由各個(gè)比較器電路，規(guī)定多電平D類(lèi)放大器的模擬環(huán)路濾波器的輸出信號(hào)的采樣。
[0004]但是，由于各種原因，生成此類(lèi)準(zhǔn)確多相PWM信號(hào)呈現(xiàn)出顯著挑戰(zhàn)，具體而言，生成多相模擬三角波(由若干個(gè)獨(dú)立模擬三角波發(fā)生器產(chǎn)生)的足夠良好匹配的信號(hào)相位。雖然通過(guò)應(yīng)用時(shí)鐘頻率鎖定數(shù)字控制信號(hào)，可以數(shù)字控制這些模擬三角波的每個(gè)的相移和頻率或時(shí)間周期，保持對(duì)多相三角波(由此類(lèi)獨(dú)立三角波發(fā)生器產(chǎn)生)的幅度和偏移電壓的準(zhǔn)確控制具有挑戰(zhàn)性。后述信號(hào)特性通常由三角波發(fā)生器的有源和無(wú)源模擬部件和元件(如，電流發(fā)生器、電容器、電阻器和開(kāi)關(guān))確定。由于產(chǎn)生散差或公差，后述部件的值本身具有一定的變化量。雖然某些眾所周知的集成電路設(shè)計(jì)和布局技術(shù)可被利用來(lái)減少獨(dú)立模擬三角波發(fā)生器之間的這些部件變化，但這些技術(shù)對(duì)于使此類(lèi)獨(dú)立生成多相三角波足夠準(zhǔn)確以達(dá)到多電平D類(lèi)放大器的最優(yōu)性能來(lái)說(shuō)，是不足的或不實(shí)際的。
[0005]多相PWM信號(hào)的準(zhǔn)確性或匹配的缺乏使多電平D類(lèi)放大器的各種重要的性能指標(biāo)(如能效、飛跨電容器穩(wěn)定性和一般音頻性能)劣化。藉此，本領(lǐng)域存在對(duì)多相脈沖寬度調(diào)制器的需求，該多相脈沖寬度調(diào)制器產(chǎn)生具有提高的準(zhǔn)確性和匹配的多相脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]該發(fā)明的第一方面涉及多相脈沖寬度調(diào)制器，該調(diào)制器產(chǎn)生具有預(yù)定周期的N個(gè)相互相移脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。多相脈沖寬度調(diào)制器具體而言十分適合于在D類(lèi)音頻放大器中應(yīng)用，但可在很多其他應(yīng)用中是有用的，如得益于準(zhǔn)確和良好匹配的相移脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的功率逆變器。多相脈沖寬度調(diào)制器包括N+1個(gè)模擬三角波發(fā)生器，該發(fā)生器配置為產(chǎn)生N+1個(gè)相互相移模擬三角波中的相應(yīng)的相互相移模擬三角波，產(chǎn)生N+1個(gè)相互相移模擬三角波中的每個(gè)包括具有大體上線(xiàn)性增加的信號(hào)幅度的上升段、具有大體上線(xiàn)性降低的信號(hào)幅度的下降段和具有大體上不變的信號(hào)幅度的空閑信號(hào)段，從而上升段和下降段的持續(xù)時(shí)間與所述預(yù)定周期相對(duì)應(yīng)，且空閑段的持續(xù)時(shí)間與N個(gè)相互相移脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的兩個(gè)相鄰相位之間的相相移對(duì)應(yīng)。多相脈沖寬度調(diào)制器進(jìn)一步包括N+1個(gè)比較器，每個(gè)比較器包括可操作地耦接至N+1個(gè)相互相移模擬三角波中的相應(yīng)的相互相移模擬三角波的第一輸入；以及耦接至音頻信號(hào)的第二輸入，以生成至少N+1個(gè)相互相移脈沖寬度調(diào)制相位信號(hào)。交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)或矩陣開(kāi)關(guān)包括N+1輸入端子，耦接至N+1個(gè)相互相移脈沖寬度調(diào)制相位信號(hào)中的相應(yīng)的相互相移脈沖寬度調(diào)制相位信號(hào)；以及N個(gè)輸出端子，配置用于供應(yīng)N個(gè)相互相移脈沖寬度調(diào)制信號(hào)中的相應(yīng)的相互相移脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)的交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制器配置為以預(yù)時(shí)序間順序?qū)+1個(gè)輸入端子的每個(gè)選擇性連接至N個(gè)輸出端子的每個(gè)輸出端子持續(xù)預(yù)定周期的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，以同時(shí)生成N個(gè)相互相移脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，從而每個(gè)信號(hào)包括N+1個(gè)相互相移脈沖寬度調(diào)制相位信號(hào)的交錯(cuò)時(shí)間段；
[0007]N為大于或等于2的正整數(shù)。
[0008]該多相脈沖寬度調(diào)制器能夠生成N個(gè)高度準(zhǔn)確或良好匹配的相互相移脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)對(duì)于用在多電平D類(lèi)放大器的多電平輸出級(jí)中特別具有優(yōu)勢(shì)，如在上文所討論的。交叉點(diǎn)或矩陣開(kāi)關(guān)的操作將預(yù)時(shí)序間順序的N+1個(gè)相互相移脈沖寬度調(diào)制相位信號(hào)的交錯(cuò)時(shí)間段插入N個(gè)相互相移脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的每個(gè)中。因而，由前文所討論的N+1個(gè)單獨(dú)的脈沖寬度調(diào)制相位信號(hào)之間的匹配問(wèn)題而造成(例如由N+1個(gè)三角波發(fā)生器之間的變化或不匹配以及N+1個(gè)比較器之間的不匹配造成的)的信號(hào)錯(cuò)誤在3(或一般為N)個(gè)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)之間均勻分布。這是可實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樗傻拿}沖寬度調(diào)制信號(hào)中的每個(gè)包括每個(gè)脈沖寬度調(diào)制相位信號(hào)的相同數(shù)量的交錯(cuò)時(shí)間段，從而任何特定脈沖寬度調(diào)制相位信號(hào)的不匹配錯(cuò)誤在所有脈沖寬度調(diào)制信號(hào)中均勻分布，而非局限于例如從不匹配三角波發(fā)生器/比較器的單個(gè)元件得到的單個(gè)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。
[0009]優(yōu)選地，交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)包括開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，該開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括多個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，該半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)配置用于根據(jù)交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制器的數(shù)字控制信號(hào)，將N+1個(gè)輸入端子電連接至N個(gè)輸出端子中的相應(yīng)輸出端子。在數(shù)字控制信號(hào)的控制下，根據(jù)預(yù)時(shí)序間順序?qū)+1個(gè)輸入端子以選擇性方式連接至N個(gè)輸出端子的相應(yīng)輸出端子。技術(shù)人員將明白，交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)可包括不同類(lèi)型的電子或機(jī)電開(kāi)關(guān)，如半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，例如，MOSFET JOSFET開(kāi)關(guān)在數(shù)字集成電路的標(biāo)準(zhǔn)CMOS半導(dǎo)體過(guò)程中容易被利用，且具備很多優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，如緊湊布局、低導(dǎo)通電阻、短開(kāi)關(guān)時(shí)間等。交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)可包括在其輸入側(cè)并行耦接的N+1個(gè)多路復(fù)用器。交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)可包括N個(gè)多路復(fù)用器，其中每個(gè)具有N+1個(gè)多路復(fù)用器輸入和多路復(fù)用器輸出。優(yōu)選地，每個(gè)多路復(fù)用器的N+1個(gè)多路復(fù)用器輸入耦接至交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)的N+1個(gè)輸入端子中的相應(yīng)輸入端子，且每個(gè)多路復(fù)用器輸出耦接至交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)的N個(gè)輸出端子的其中之一。N個(gè)多路復(fù)用器的每個(gè)可通過(guò)一組選擇信號(hào)控制，該組選擇信號(hào)選擇N+1個(gè)多路復(fù)用器輸入中的哪一個(gè)路由至多路復(fù)用器輸出。
[0010]交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)的交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制器可包括數(shù)字狀態(tài)機(jī)，例如其與該多相脈沖寬度調(diào)制器的剩余部件一起集成于ASIC上或適當(dāng)配置的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列(FPGA)上。相關(guān)D類(lèi)音頻放大器的各種電路也可集成于ASIC或FPGA上。交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制器的其他實(shí)施方式可包括數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，該數(shù)字信號(hào)處理器例如包括軟件可編程DSP核或硬件定制DSP。
[0011]本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，由于一個(gè)或幾個(gè)附加或多余三角波可由相應(yīng)模擬三角波發(fā)生器生成，因此此處所使用的術(shù)語(yǔ)“N+1”(例如，結(jié)合N+1個(gè)相互相移模擬三角波)意指“至少N+1”。優(yōu)選地，N值可被選取為其符合相關(guān)多電平輸出級(jí)的單獨(dú)相位的要求數(shù)量。因而，對(duì)于更大數(shù)量的實(shí)際多電平輸出級(jí)，N可具有2和5之間的值。
[0012]優(yōu)選地，交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制器配置為在每個(gè)點(diǎn)及時(shí)地將至少N+1個(gè)可用輸入的N個(gè)輸入的