HK1132589B - 放大电路及其方法 - Google Patents

Description

放大电路及其方法

【技术领域】

本发明大体上涉及电子学，尤其是涉及形成半导体装置的方法和结构。

【背景技术】

过去，半导体工业利用各种方法和结构来生产D类放大器。现有的D类放大器有各种应用，如用于便携式电话的音频功率放大器。在这样的应用中，D类放大器将模拟信号转换成数字信号，并使用数字信号来转换具有数字开关的负载。2003年9月2日Score et al发布的美国专利号6,614,297中公开了这样的D类放大器的一个例子。这些现有的D类放大器的一个问题是电磁干扰(EMI)。如果音频输入信号的值为零或接近于零，则音频输入信号上较少量的噪声导致从D类放大器的输出辐射的高频噪声。

减少EMI的一些方法包括在D类放大器的数字逻辑部分中使用数字逻辑组件。2005年1月25日授与Edwards等人的美国专利号6,847,257中公开了这样的数字逻辑的一个例子。这些D类放大器的数字逻辑组件消除了在某一频率之上的所有噪声，该频率甚至导致消除了音频声音。这在一些音频信号的一部分期间产生完全安静的时期。安静时期通常利用如便携式电话的音频装置，认为该装置没有正确操作。

因此，期望有一种减少电磁干扰而不消除音频信号的D类放大器。

【附图说明】

图1简要示出根据本发明的包括放大电路的示例性实施例的音频系统的一部分的实施例；

图2是示出根据本发明的图1的放大电路的一些信号之间的关系的信号图；

图3是示出根据本发明的图1的放大电路的一些其它信号之间的关系的信号图；

图4简要示出根据本发明的包括图1的放大电路的半导体装置的放大平面图。

【具体实施方式】

为了说明的简洁和清楚，图式中的组成部分没有必要按比例绘制，不同图中相同的组件符号表示相同的组成部分。此外，为了描述的简要而省略了已知的步骤和组成部分的说明与详述。如这里所使用的电流负载电极表示装置的一个组成部分，其承载通过该装置(如MOS晶体管)的源极或漏极、或二极晶体管的集电极或发射极、或二极管的阴极或阳极的电流；控制电极表示装置的一个组成部分，其控制通过该装置(如MOS晶体管)的栅极或二极晶体管的基极电流。虽然这些装置在这里被解释为某个N型或P型装置，但技术领域中具有通常知识者应该认识到，依照本发明，互补装置也是可能的。技术领域中具有通常知识者应认识到，这里使用的词“在...的期间、在...同时、当...的时候”不是一个行为和初始行为同时发生的准确术语，而是在被初反应激起的反应之间可能有一些小而合理的延迟，如传播延迟。

图1简要示出包括放大电路25的示例性实施例的音频系统10的一部分的实施例。放大电路25经配置成在信号输入26上接收模拟输入信号(Vi)，并响应性地形成差动地驱动负载18的输出信号。对于图1所示的系统10的示例性实施例，负载18包括音频扬声器12。扬声器12一般为可被感应器15、电阻器13和16及电容器14和17作为模型使用的电感扬声器。本领域中具有通常知识者应认识到，电路25可用于其它应用，及负载18可为其它类型的负载。例如，扬声器12可为不同类型的扬声器，或扬声器12可由电动机或音频显示器(如行动电话)的显示器代替。本领域中具有通常知识者应认识到，负载18可具有其它没有显示的阻抗组件。

电路25被连接以在电压输入27和电压返回28之间接收用于操作电路25的输入电压。输入27和返回28通常连接到电压电源如电池20。电路25包括调制电路40，并通常还包括缓冲放大器29和D类放大器35。缓冲放大器29从输入26接收输入信号(Vi)，并形成代表输入信号(Vi)的缓冲信号(Vb)。放大器29也从电路25的其它组件缓冲输入信号。调制电路40通常包括信号产生器37和模拟加法器。在图1所示的电路25的示例性实施例中，电阻器36和电容器39显示为模拟加法器的示例性实施例。一般来说，放大器29的输出具有用Vb信号驱动电阻器36的低阻抗。这样的配置便于将电阻器36和电容器49使用为加法器电路。本领域中具有通常知识者应认识到，各种其它的电路如运算放大器或切换电容器电路可用于实现模拟加法器。放大器35可为各种已知的D类放大器的任何一种。放大器35通常包括将模拟信号转换成两个脉冲宽度调制(PWM)信号的脉冲宽度调制(PWM)电路(没有示出)。PWM电路一般包括锯齿形信号产生器和配置成接收模拟信号和锯齿信号的两个电容器，并形成两个PWM信号。放大器35还可包括H电桥驱动器，其接收两个PWM信号并驱动输出信号OP和ON。这样的D类放大器对本领域中具有通常知识者是习知的。

图2为显示电路25的输出信号OP和ON之间的两个关系的信号图。曲线43示出输出OP上的信号，而曲线44示出输出ON上的信号。本描述参考图1和图2。正如本领域中具有通常知识所习知的，D类放大器(如放大器35)基于由放大器所接收的输入信号的振幅来形成输出信号，例如信号OP和ON。对于放大器35，输出31上正OP信号的脉冲宽度具有脉冲宽度Tp，而输出32上负ON信号的脉冲宽度具有脉冲宽度Tn(见图2)。当输入信号的振幅大于输入信号的中点时，在正输出(如OP)上形成第一脉冲，且脉冲的宽度(如Tp)由该幅度超过中点的量所确定。同样，在负输出(如ON)上形成第二脉冲，且脉冲的宽度(如Tn)由该幅度超过中点的量所确定。对于这种类型的输入信号，Tp大于Tn。类似的，当输入信号的振幅小于输入信号的中点时，在负输出(如ON)上形成第三脉冲，且脉冲的宽度(如Tn)由该幅度小于中点的量所确定。同样，在正输出(如OP)上形成第四脉冲，且脉冲的宽度(Tp)由该幅度小于中点的量所确定。对于这种类型的输入信号，Tn大于Tp。只要OP和ON信号具有相同的极性，就没有电流流经扬声器12。电流流经扬声器12只有当信号具有正极时的这个时候。在OP和ON信号的标为I1的这部分期间，OP高而ON低，且信号具有不同的极性。不同极性引起扬声器12两端的电位和流经扬声器12的电流脉冲。类似地，在OP和ON信号的标为I2的这部分期间，OP低而ON高，且信号具有不同的极性。不同极性引起扬声器12两端的电位和流经扬声器12的电流脉冲。当信号具有正极时，信号的这些部分是指OP和ON信号的差异或信号差异。

在现有技术的电路中，由于在I1和I2期间流过的电流脉冲的窄带宽，在信号的I1和I2部分期间流过的电流引起EMI。

正如下文将进一步看到的，电路25经配置成确保在I1和I2期间流过的电流脉冲的最小宽度足够宽，以确保EMI具有在目标值之下的频谱，例如三十兆赫兹(30Mhz)。正如从图2可看到的，这意味着保持I1或I2的宽度足够宽，例如大于约三十三纳秒(33nsec)，以确保EMI具有在约三十兆赫兹(30Mhz)之下的频谱。保持EMI频谱在约三十兆赫兹之下确保没有EMI干扰能干扰其它电子电路，例如在电子装置如行动电话等内部的FM调谐器或RF功率放大器内的内部组件。电路25通过调制来自放大器29的Vb信号来控制I1和I2的宽度，因此控制音频输入信号(Vi)和形成调制信号(Vm)的调制信号。产生器37在节点38形成调制信号。在节点38(V38)的调制信号通常具有一个频率，该频率高于通常所理解的能被人类感知的最高频率，通常视为约二十千赫兹(20Khz)。该频率确保调制信号不在可听得见的范围内并能被听到。信号产生器37可为任何习知的电路，其在理想的最大电压值处产生模拟或数字信号，例如RC振荡器或Gm-C振荡器，且较佳地为环形振荡器。

电路25从外部源11接收模拟音频信号作为在输入26上的音频输入信号(Vi)。去耦电容器通常被插入在源11和输入26之间，以阻断来自输入26的DC电压。放大器29接收Vi并形成由Vi表示的Vb。放大器29形成在共模电压附近变化的Vb，使得Vb在共模电压附近具有正负偏移。信号产生器37在节点38处的产生器37的输出上形成调制信号(V38)。由产生器37形成的调制信号一般具有的振幅有利于确保D类放大器35形成差分信号的I1和I2宽度，该差分信号宽度足以保证EMI具有低于大约30Mhz的频谱。电阻器36和电容器39的模拟加法器将来自节点38的调制信号增加给缓冲信号(Vb)，以在节点34上形成已调制信号(Vm)。调制信号(V38)的峰至峰振幅增加至Vb信号，以形成不小于将EMI频谱保持为低于30Mhz的目标电压的Vm的最小峰至峰振幅。D类放大器35接收已调制信号(Vm)并形成数字输出信号OP和ON。

图3是以大致形式示出电路25的Vb、V38以及Vm的信号图。调制信号(V38)由标记为V38的波形表示。图3中图示出的节点34上的已调制信号(Vm)由标记为Vm的波形表示。该描述参照图1至图3。I1和I2的宽度(T)由下列等式给出：

T＝(G＊Vm)/(2＊(Fe*Vp))

其中，

T＝差分脉冲的宽度(I1或I2)；

G＝放大器35的增益；

Vm＝相对于共模电压的节点34上的已调制信号值；

Fe＝放大器35对信号Vm进行取样时的频率；以及

Vp＝用于操作放大器35的电压值(输入27和回馈28之间的值)。

如从等式中所见，I1或者I2的宽度(T)是由放大器35接收的Vm信号值的函数。将调制信号增加至Vb，使得节点Vm上的已调制信号具有非零最小化峰至峰值。因此，即使Vi，甚至Vb都具有零值，Vm仍然具有基本上等于调制信号的峰至峰值的非零最小峰至峰值。选择调制信号V38的最大峰至峰振幅，从而确保I1和I2的宽度(T)大于大约33纳秒(33ns)，以在输入信号Vi为零，从而Vb的值为零时，将EMI频谱保持在低于大约30Mhz的状态。这样就确保对于输入信号Vi的任何值，从而对于Vb的任何值，I1和I2的宽度(T)都将EMI频谱保持在低于大约30Mhz。

在一个示意性实施例中，由产生器37产生的调制信号是一种方波，该方波具有大约10mv的振幅，10mv的振幅对于大约10mv的信号Vm产生了最小的峰至峰振幅。对于该实施例，增益(G)为6，取样频率(Fe)为250Khz，并且输入电压(Vp)为大约3.6v，该输入电压使得I1或I2的最小宽度为大约33ns。本领域中具有通常知识者应该理解，节点38处的调制信号的波形可以具有各种波形状，包括：方波、正弦波、三角波或者其它的波形状。

为了帮助实现电路25的该功能性，输入26连接至具有连接至节点30处的放大器29的输入。电阻器36的第一端子连接至节点30，并且第二端子连接至节点34。调制电路40的输出连接至节点34。电容器39的第一端子连接至节点34，而第二端子连接至节点38。产生器37的输出连接至节点38。产生器37连接在输入27和回馈28之间，以接收操作功率。放大器35的输入连接至节点34。放大器35的第一输出连接至输出31，以及第二输出连接至输出32。放大器35和放大器29连接在输入27和回馈28之间，以接收用于操作放大器35和放大器29的功率。

图4示意性地示出了在半导体晶粒51上所形成的半导体装置或集成电路50的实施例的一部分的放大的平面图。电路25形成在晶粒51上。晶粒51还可以包括为了简化图式而未在图4中示出的其它电路。电路25和装置或集成电路50经由本领域中具有通常知识者众所周知的半导体制备技术形成在晶粒51上。

在所有以上的视图中，明显地揭露了一种新颖的装置和方法。包括的其它特征正将调制信号添加给输入信号，以调整输入信号的振幅。添加调制信号保证已调制信号具有用于由D类放大器接收的最小峰至峰振幅的零值。添加调制信号还使得调整信号的振幅基本确保由D类放大器形成的脉冲具有低于大约30Mhz的频谱。

尽管伴随具体的较佳实施例对本发明的主旨进行了描述，但是，显然对于半导体技术领域中具有通常知识者而言很多替换和修饰是显而易见的。例如，加法器可以是任何众所周知的加法器电路。信号产生器37可以是众所周知的信号产生器电路。另外，为了清楚地描述，在全文中使用词语“连接(connect)”，但是，其旨在与词语“耦连(couple)”具有相同的意思。此外，应该将“连接”解释为包括直接连接或间接连接。

Claims (12)

1.一种放大电路，其包括：

输入，被配置为接收音频输入信号；

信号产生器，被配置为形成具有不小于20Khz的频率的调制信号；

加法器电路，被耦连为将该调制信号与该音频输入信号进行合并以形成已调制的信号，其中所述调制信号具有非零振幅，使得对于等于零的该音频输入信号的值该已调制的信号具有非零最小振幅；以及

D类放大器，被耦连为从该加法器电路的输出端接收所述已调制的信号，并且驱动具有第一输出信号和第二输出信号的该放大电路的输出，其中对于小于所述音频输入信号的中点的音频输入信号值所述第一输出信号的脉冲宽度比所述第二输出信号的脉冲宽度更宽，其中对于大于所述音频输入信号的中点的音频输入信号值所述第二输出信号的脉冲宽度比所述第一输出信号的脉冲宽度更宽，并且其中所述第一输出信号和第二输出信号在不小于33纳秒的时间上总是具有相反极性。

2.如权利要求1所述的放大电路，其中，该调制信号具有至少10mv的振幅。

3.如权利要求1所述的放大电路，其中，该放大电路的输出被配置为驱动音频扬声器。

4.如权利要求1所述的放大电路，其中，该调制信号具有为方波的波形。

5.如权利要求1所述的放大电路，其中，该加法器电路包括电阻器和电容器。

6.如权利要求1所述的放大电路，其中，该加法器电路包括运算放大器。

7.一种音频放大方法，其包括以下步骤：

接收音频输入信号；

向该音频输入信号增加具有不小于20Khz的频率的调制信号，以形成已调制的信号；

使该调制信号形成为具有非零值，使得对于等于零的该音频输入信号的值该已调制的信号具有非零最小振幅；以及

利用D类放大器接收所述已调制的信号并且利用所述D类放大器放大该已调制的信号，其中所述D类放大器形成第一输出信号和第二输出信号，所述第一输出信号和第二输出信号在从不小于33纳秒的时间上具有相反极性，包括当所述音频输入信号具有零值时。

8.如权利要求7所述的方法，还包括以下步骤：利用该D类放大器的输出驱动音频扬声器。

9.如权利要求7所述的方法，其中，向该音频输入信号增加调制信号的步骤包括：增加具有不小于10mv的振幅的调制信号。

10.一种形成放大电路的方法，其包括以下步骤：

配置该放大电路以接收音频信号；

配置调制电路以利用具有不小于20Khz的频率的调制信号调制该音频信号，以形成已调制的信号，该步骤包括配置该调制电路以形成具有非零振幅的已调制的信号，使得对于等于零的该音频信号的值该已调制的信号的振幅为非零；以及

耦连D类放大器以放大该已调制的信号，其中该已调制的信号的非零振幅使得该D类放大器形成具有相反极性从不小于33纳秒的脉冲宽度的第一和第二输出信号。

11.如权利要求10所述的方法，其中，配置该调制电路以利用该调制信号调制该音频信号的步骤包括：配置该调制电路以形成具有不小于10mv的振幅的该调制信号。

12.如权利要求10所述的方法，其中，配置该调制电路以利用该调制信号调制该音频信号的步骤包括：配置信号产生器以形成该调制信号，以及耦连加法器以将该调制信号增加至该音频信号。