用于d類音頻放大器的多相脈沖寬度調制器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及多相脈沖寬度調制器，該調制器產生具有預定周期的N個相互相移脈沖寬度調制信號。多相脈沖寬度調制器具體而言十分適合應用在D類音頻放大器中。多相脈沖寬度調制器包括N+1個模擬三角波發(fā)生器，該發(fā)生器配置為產生相應的N+1個相互相移模擬三角波。多相脈沖寬度調制器進一步包括N+1個比較器，每個包括可操作地耦接至N+1個相互相移模擬三角波中的相應的相互相移模擬三角波的第一輸入；以及耦接至音頻信號的第二輸入以生成至少N+1個相互相移脈沖寬度調制相位信號。交叉點開關或矩陣開關包括N+ 1個輸入端子，耦接至N+1個相互相移脈沖寬度調制相位信號中的相應的相互相移脈沖寬度調制相位信號，以及N個輸出端子，配置用于供應N個相互相移脈沖寬度調制信號中的相應的相互相移脈沖寬度調制相位信號。交叉點開關的交叉點開關控制器配置為以預時序間順序，將N+1個輸入端子的各個選擇性連接至N個輸出端子的各個輸出端子持續(xù)預定周期的持續(xù)時間，以同時生成N個相互相移脈沖寬度調制信號，從而每個信號包括N+1個相互相移脈沖寬度調制相位信號的交錯時間段;N為大于或等于2的正整數(shù)。
【背景技術】
[0002]D類音頻放大器為眾所周知類型的音頻功率放大器，該放大器一般被認為，通過在揚聲器負載上切換脈沖寬度調制(PWM)或脈沖密度調制(PDM)信號，來提供揚聲器的能效音頻驅動。D類音頻放大器通常包括耦接至揚聲器負載的基于H橋的輸出級，以在揚聲器上應用相反相位脈沖寬度調制音頻信號。電感電容(LC)低通濾波器通常插入在基于H橋的輸出級和揚聲器負載之間，以抑制HVM或PDM輸出信號中的載波成分。用于脈沖寬度調制音頻信號的幾個調制方案在現(xiàn)有技術中已被用在基于PWM的D類放大器中。在所謂AD調制中，H橋的每個輸出端子或節(jié)點處的脈沖寬度調制音頻信號在相反相位的兩個不同電平之間轉變或切換。所述兩個不同電平通常分別與較高和較低供電軌相對應，如D類放大器的正和負DC供電軌。在所謂BD調制中，在揚聲器負載上的脈沖寬度調制信號在三個電平之間交替切換，三個電平的其中兩個電平與上文所提的較高和較低DC供電軌相對應，且第三電平為通過將揚聲器負載的兩端同時拉至DC供電軌的其中之一而獲得的零電平。當D類放大器正在空閑時(空閑導致顯著功率損失)，這些調制方案都在LC低通濾波器的輸出電感中生成相當大的紋波電流。通過對LC低通濾波器使用相對較大的電感器，這個缺點通常已被容忍和控制至一定程度。但是，此類大的電感器導致D類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調制對于音頻和其他信號的脈沖寬度調制具有特別的優(yōu)勢形式，且具備許多優(yōu)于在申請人的PCT申請WO 2012/055968號中詳細描述的傳統(tǒng)AD和BD調制的好處。這個種類的多電平PWM調制通常包括耦接至輸出級的一個或幾個所謂飛跨電容器，以在外部電容器上存儲自身或內部生成的半電源電壓水平。這個半電源電壓水平是PWM輸出信號的第三電壓水平的來源。一個或多個飛跨電容器的平衡關系到多相PWM信號的準確性。因此，多電平PWM調制要求準確的多相PWM信號，以實現(xiàn)最優(yōu)性能。優(yōu)選地，這些多相PWM信號通過多相脈沖寬度調制器生成，該調制器從各個高精度多相模擬三角波得出多相PWM信號。該高精度多相模擬三角波被用來經由各個比較器電路，規(guī)定多電平D類放大器的模擬環(huán)路濾波器的輸出信號的采樣。
[0004]但是，由于各種原因，生成此類準確多相PWM信號呈現(xiàn)出顯著挑戰(zhàn)，具體而言，生成多相模擬三角波(由若干個獨立模擬三角波發(fā)生器產生)的足夠良好匹配的信號相位。雖然通過應用時鐘頻率鎖定數(shù)字控制信號，可以數(shù)字控制這些模擬三角波的每個的相移和頻率或時間周期，保持對多相三角波(由此類獨立三角波發(fā)生器產生)的幅度和偏移電壓的準確控制具有挑戰(zhàn)性。后述信號特性通常由三角波發(fā)生器的有源和無源模擬部件和元件(如，電流發(fā)生器、電容器、電阻器和開關)確定。由于產生散差或公差，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計和布局技術可被利用來減少獨立模擬三角波發(fā)生器之間的這些部件變化，但這些技術對于使此類獨立生成多相三角波足夠準確以達到多電平D類放大器的最優(yōu)性能來說，是不足的或不實際的。
[0005]多相PWM信號的準確性或匹配的缺乏使多電平D類放大器的各種重要的性能指標(如能效、飛跨電容器穩(wěn)定性和一般音頻性能)劣化。藉此，本領域存在對多相脈沖寬度調制器的需求，該多相脈沖寬度調制器產生具有提高的準確性和匹配的多相脈沖寬度調制信號。

【發(fā)明內容】

[0006]該發(fā)明的第一方面涉及多相脈沖寬度調制器，該調制器產生具有預定周期的N個相互相移脈沖寬度調制信號。多相脈沖寬度調制器具體而言十分適合于在D類音頻放大器中應用，但可在很多其他應用中是有用的，如得益于準確和良好匹配的相移脈沖寬度調制信號的功率逆變器。多相脈沖寬度調制器包括N+1個模擬三角波發(fā)生器，該發(fā)生器配置為產生N+1個相互相移模擬三角波中的相應的相互相移模擬三角波，產生N+1個相互相移模擬三角波中的每個包括具有大體上線性增加的信號幅度的上升段、具有大體上線性降低的信號幅度的下降段和具有大體上不變的信號幅度的空閑信號段，從而上升段和下降段的持續(xù)時間與所述預定周期相對應，且空閑段的持續(xù)時間與N個相互相移脈沖寬度調制信號的兩個相鄰相位之間的相相移對應。多相脈沖寬度調制器進一步包括N+1個比較器，每個比較器包括可操作地耦接至N+1個相互相移模擬三角波中的相應的相互相移模擬三角波的第一輸入；以及耦接至音頻信號的第二輸入，以生成至少N+1個相互相移脈沖寬度調制相位信號。交叉點開關或矩陣開關包括N+1輸入端子，耦接至N+1個相互相移脈沖寬度調制相位信號中的相應的相互相移脈沖寬度調制相位信號；以及N個輸出端子，配置用于供應N個相互相移脈沖寬度調制信號中的相應的相互相移脈沖寬度調制信號。交叉點開關的交叉點開關控制器配置為以預時序間順序將N+1個輸入端子的每個選擇性連接至N個輸出端子的每個輸出端子持續(xù)預定周期的持續(xù)時間內，以同時生成N個相互相移脈沖寬度調制信號，從而每個信號包括N+1個相互相移脈沖寬度調制相位信號的交錯時間段；
[0007]N為大于或等于2的正整數(shù)。
[0008]該多相脈沖寬度調制器能夠生成N個高度準確或良好匹配的相互相移脈沖寬度調制信號，該信號對于用在多電平D類放大器的多電平輸出級中特別具有優(yōu)勢，如在上文所討論的。交叉點或矩陣開關的操作將預時序間順序的N+1個相互相移脈沖寬度調制相位信號的交錯時間段插入N個相互相移脈沖寬度調制信號的每個中。因而，由前文所討論的N+1個單獨的脈沖寬度調制相位信號之間的匹配問題而造成(例如由N+1個三角波發(fā)生器之間的變化或不匹配以及N+1個比較器之間的不匹配造成的)的信號錯誤在3(或一般為N)個脈沖寬度調制信號之間均勻分布。這是可實現(xiàn)的，因為所生成的脈沖寬度調制信號中的每個包括每個脈沖寬度調制相位信號的相同數(shù)量的交錯時間段，從而任何特定脈沖寬度調制相位信號的不匹配錯誤在所有脈沖寬度調制信號中均勻分布，而非局限于例如從不匹配三角波發(fā)生器/比較器的單個元件得到的單個脈沖寬度調制信號。
[0009]優(yōu)選地，交叉點開關包括開關網絡，該開關網絡包括多個半導體開關，該半導體開關配置用于根據交叉點開關控制器的數(shù)字控制信號，將N+1個輸入端子電連接至N個輸出端子中的相應輸出端子。在數(shù)字控制信號的控制下，根據預時序間順序將N+1個輸入端子以選擇性方式連接至N個輸出端子的相應輸出端子。技術人員將明白，交叉點開關的開關網絡可包括不同類型的電子或機電開關，如半導體開關，例如，MOSFET JOSFET開關在數(shù)字集成電路的標準CMOS半導體過程中容易被利用，且具備很多優(yōu)勢特點，如緊湊布局、低導通電阻、短開關時間等。交叉點開關可包括在其輸入側并行耦接的N+1個多路復用器。交叉點開關可包括N個多路復用器，其中每個具有N+1個多路復用器輸入和多路復用器輸出。優(yōu)選地，每個多路復用器的N+1個多路復用器輸入耦接至交叉點開關的N+1個輸入端子中的相應輸入端子，且每個多路復用器輸出耦接至交叉點開關的N個輸出端子的其中之一。N個多路復用器的每個可通過一組選擇信號控制，該組選擇信號選擇N+1個多路復用器輸入中的哪一個路由至多路復用器輸出。
[0010]交叉點開關的交叉點開關控制器可包括數(shù)字狀態(tài)機，例如其與該多相脈沖寬度調制器的剩余部件一起集成于ASIC上或適當配置的現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)上。相關D類音頻放大器的各種電路也可集成于ASIC或FPGA上。交叉點開關控制器的其他實施方式可包括數(shù)字信號處理器(DSP)，該數(shù)字信號處理器例如包括軟件可編程DSP核或硬件定制DSP。
[0011]本領域的技術人員將明白，由于一個或幾個附加或多余三角波可由相應模擬三角波發(fā)生器生成，因此此處所使用的術語“N+1”(例如，結合N+1個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多電平輸出級的單獨相位的要求數(shù)量。因而，對于更大數(shù)量的實際多電平輸出級，N可具有2和5之間的值。
[0012]優(yōu)選地，交叉點開關控制器配置為在每個點及時地將至少N+1個可用輸入的N個輸入的