TWI697202B - 用於音頻放大的方法及其設備 - Google Patents

Abstract

改良的D類放大器，可包含接收數位音頻訊號、並提供PWM訊號作為對D類放大器的類比PWM調變器的輸入的數位PWM調變器。數位PWM調變器可經配置以接收數位訊號，並基於數位訊號產生第一PWM訊號。數位PWM驅動器可耦接至數位PWM調變器。數位PWM驅動器可經配置以接收第一PWM訊號，並基於第一PWM訊號產生參考PWM訊號。類比PWM調變器可耦接至數位PWM驅動器。類比PWM調變器可經配置以接收參考PWM訊號，並基於參考PWM訊號產生輸出PWM訊號。

Description

用於音頻放大的方法及其設備

對相關申請案的交互參照：本申請案主張對於申請於2017年3月3日、名為「Digital Pulse Width Modulation(PWM)Modulator Feeding an Analog PWM Modulator of a Class-D Amplifier」的美國臨時專利申請案第62/466,450號的優先權，在此明確併入此美國申請案全文以作為參照。本申請案相關於揭示於Yongjie Cheng等人於2017年4月28日申請、名為「Control of Switches in a Variable Impedance Element」的美國專利申請案第15/582,257號中的技術主題，在此明確併入此美國申請案全文以作為參照。

本揭示內容相關於音頻放大。更特定而言，本揭示內容的部分相關於音頻放大器，其中數位PWM調變器饋送D類放大器的類比PWM調變器。

D類音頻放大器(Class-D audio amplifier)在音頻系統中是被期望的，因為他們有效率，且因為他們可處理高功率訊號。高效率允許較小的電源供應器與較小的散熱器。通常而言，D類放大器的切換輸出級係由脈衝寬度調變(PWM)調變器驅動，PWM調變器輸出單位元訊號，單位元訊號代表可由切換輸出級輸出的兩個電壓位準。由切換輸出級輸出的單位元電壓訊號，通常被透過單純的低通濾波器（LPF）濾波並驅動入揚聲器。

第1圖為圖示說明根據先前技術的開迴路數位驅動式D類放大器100的示意模塊圖。在第1圖中，數位PWM調變器104將三角積分調變器（DSM）102輸出的訊號轉換成PWM訊號。數位PWM調變器104輸出的PWM訊號被由驅動器106使用，以控制D類放大器的輸出級。第1圖圖示說明的開迴路數位驅動式D類放大器具有數個缺點。例如，驅動器106的功率切換器的非理想因素（諸如停滯時間(dead time)、訊號相依性延遲、以及扭轉率(slew rate)），作為失真的來源，並可加入額外雜訊至總體D類系統。此外，對於未經調節的電源供應器，開迴路數位驅動式D類放大器具有幾乎為零的電源供應拒斥比（PSRR）。低PSRR可能產生可聽見的缺陷。

類比閉迴路D類放大器已被用於處理開迴路數位驅動式D類放大器（諸如第1圖圖示者）中存在的問題。第2A圖為圖示說明根據先前技術的閉迴路類比驅動式D類放大器200的示意模塊圖。在第2A圖中，類比PWM調變器（三角積分調變器202）接收數位輸入電壓V_IN ，並接收從PWM輸出功率級204饋送回的回饋電壓。類比輸入電壓V_IN 與回饋電壓之間的差異，被傳過三角積分調變器202的迴路濾波器，三角積分調變器202包含積分器與PWM轉換方塊，以及隨後的PWM輸出功率級204。此拓樸的閉迴路本質，允許減少來自功率切換器非理想因素（諸如停滯時間、訊號相依性延遲、以及扭轉率）的失真，獲得校正。此外，相對於第1圖圖示說明的開迴路D類系統，第2A圖中圖示說明的總體D類系統的PSRR亦有改良。因此，未經調節的電源供應器漣波不再是問題。

相關聯於閉迴路類比驅動式D類放大器200的一個缺點，為需要數位類比轉換器（DAC）以將數位輸入提供至閉迴路類比驅動式D類放大器200。例如，在使用數位訊號處理器（DSP）處理資料並產生音頻訊號以輸入到放大器時，需要此DAC。在音頻訊號已被處理之後，DAC被用於將數位音頻訊號轉換成可由閉迴路類比驅動式D類放大器200接收的連續時間電壓波形。

第2B圖為圖示說明根據先前技術的另一閉迴路類比驅動式D類放大器250的示意模塊圖，其中由DAC提供D類放大器的類比PWM調變器的類比輸入訊號。第2B圖中圖示說明的DAC，可為切換電容式DAC（SC-DAC）或電流調控式（current-steering）DAC或R-2R DAC。DAC加入額外雜訊至總和D類放大器系統，並限制了類比PWM調變器的積分器增益的最佳化。此外，由於回饋訊號的切換本質與慢速移動的DAC輸出訊號，輸入訊號與回饋訊號之間的誤差訊號被透過類比PWM調變器的積分器積分，如第3A圖與第3B圖圖示說明。

第3A圖與第3B圖為圖示說明根據先前技術的D類放大器的類比PWM調變器內處理的訊號的繪圖。在第3A圖中，提供作為類比PWM調變器的輸入的差動類比輸入訊號係由訊號312A與312B代表，且被圖示為具有1 V差動DC電壓。從PWM輸出功率級饋送回，且亦被提供作為對於類比PWM調變器的輸入的差動回饋電壓訊號，在第3A圖中由訊號314A與314B代表。在第3B圖中，訊號322A與322B代表類比PWM調變器的第一積分器的輸出電壓訊號，第一積分器分別接收輸入電壓訊號與回饋電壓訊號。類比PWM調變器的第一積分器的輸出擺幅，由訊號324代表。如第3B圖圖示說明，訊號324的峰對峰輸出擺幅可高至1 V。因為類比PWM調變器的第一積分器的增益受限於類比PWM調變器中第一積分器輸出處可允許的固有電壓擺幅，僅由輸入電壓訊號與回饋電壓訊號之間的誤差訊號產生的1 V輸出擺幅，限制了可用於積分器的總體增益。

第3A圖與第3B圖圖示說明由於輸入訊號與回饋訊號之間的誤差被透過類比PWM調變器的積分器積分，積分器的增益被限制以防止訊號裁切（signal clipping）。因為提升積分器的增益允許減少電阻（或其等效者）提供用於減少閉迴路類比驅動式D類放大器中的雜訊底（noise floor）的一種機制，由於使用DAC對增益所造成的限制，也限制了閉迴路類比驅動式D類放大器可達成的雜訊底。在其他應用中，電子裝置的被動部件的尺寸可被提升，以減少雜訊底。然而在習知D類放大器中（諸如圖示說明於第1圖與第2A圖至第2B圖中的D類放大器），縮放D類放大器被動部件尺寸以減少雜訊底並不是可行的，因為這種縮放將把功率與矽面積提升到超過可允許的限制。

在此所提及的缺點僅為代表性的，本文包含這些缺點僅單純意為強調需要改良電性部件，特別是對於改良的音頻放大器，諸如可使用在行動裝置中的音頻放大器。本文所說明的具體實施例處理了一些缺點，但並非必需處理在此所說明的（或本發明所屬技術領域中所習知的）所有缺點。

改良的D類放大器，可包含接收數位音頻訊號、並提供PWM訊號作為對類比PWM調變器的輸入的數位PWM調變器。數位PWM驅動器接續數位PWM調變器。因此，D類放大器的具體實施例可在不需要DAC之下，接收來自數位訊號處理器(DSP)的輸出，DSP處理音頻訊號以在換能器處重製。在一些具體實施例中，放大器包含減少放大器積分器處的訊號擺幅的閉迴路回饋，允許積分器的增益被提升以獲得較低的閒置通道雜訊，而不會對面積與功率產生負面影響。本揭示內容的改良D類放大器可提供超低閒置通道雜訊與失真，同時維持高第一積分器增益、佔用最少的矽面積、並消耗少量的功率。

根據一個具體實施例，一種設備可包含：數位脈衝寬度調變（PWM）調變器，數位PWM調變器經配置以接收數位訊號，並至少部分基於數位訊號而產生第一PWM訊號；數位PWM驅動器，數位PWM驅動器耦接至數位PWM調變器，並經配置以接收第一PWM訊號並至少部分基於第一PWM訊號產生參考PWM訊號；以及類比PWM調變器，類比PWM調變器耦接至數位PWM驅動器，並經配置以接收參考PWM訊號並至少部分基於參考PWM訊號而產生輸出PWM訊號。

在另一具體實施例中，一種方法包含以下步驟：由數位脈衝寬度調變（PWM）調變器接收數位訊號；由數位PWM調變器至少部分基於數位訊號而產生第一PWM訊號；由耦接至數位PWM調變器的數位PWM驅動器，至少部分基於該第一PWM訊號而產生參考PWM訊號；以及由耦接至數位PWM驅動器的類比PWM調變器，至少部分基於參考PWM訊號而產生輸出PWM訊號。

在又另一具體實施例中，一種設備，包含音頻控制器，音頻控制器經配置以執行步驟，包含：由數位脈衝寬度調變（PWM）調變器接收數位訊號；由數位PWM調變器至少部分基於數位訊號而產生第一PWM訊號；由耦接至數位PWM調變器的數位PWM驅動器，至少部分基於該第一PWM訊號而產生參考PWM訊號；以及由耦接至數位PWM驅動器的類比PWM調變器，至少部分基於參考PWM訊號而產生輸出PWM訊號。

上文概述了相當寬廣的本發明的具體實施例的一些特徵與技術優點，以期更佳瞭解下面的實施方式。以下將說明形成本發明申請專利範圍的技術主題的額外特徵與優點。在本發明領域中具有通常知識者將理解到，所揭示的概念與特定具體實施例，可被輕易利用作為用於修改或設計其他結構以實施相同或類似目的的基礎。在本發明領域中具有通常知識者亦將理解到，此種均等建置不會脫離如附加申請專利範圍所闡述的本發明的精神與範圍。在連同附加圖式一併考慮下文說明下，將可更佳瞭解額外特徵。然而應明確瞭解到，每一圖式係僅為了圖示說明與描述而提供，且並非亦為限制本發明。

第4A圖為根據本揭示內容的一些具體實施例圖示說明D類放大器系統的示意模塊圖。D類放大器系統400包含數位PWM調變器410、數位PWM驅動器420、類比PWM調變器430、與參考緩衝器440。數位PWM調變器410接收數位音頻輸入訊號405，並產生PWM訊號425以輸入至類比PWM調變器430。在一些具體實施例中，D類放大器系統400可提供超低閒置雜訊，而不會將D類放大器系統400的晶粒面積或功率提升超過可接受的位準。

數位PWM調變器410可經配置以接收數位音頻輸入訊號405。例如，數位音頻輸入訊號405可為代表音頻訊號的數位訊號。在一些具體實施例中，數位音頻輸入訊號405可為DSP輸出的數位訊號。在另一具體實施例中，數位音頻輸入訊號405可為三角積分調變器(DSM)輸出的數位訊號。

數位PWM調變器410經配置以至少部分基於數位訊號405來產生第一PWM訊號415。例如，數位PWM調變器410可將數位音頻輸入訊號405轉換成第一PWM訊號415，藉由改變數位PWM調變器410輸出的波形的工作週期。在一些具體實施例中，數位PWM調變器410涉及接收數位輸入訊號並輸出包含數個脈衝的訊號的功能模塊，其中藉由數位PWM調變器基於數位輸入訊號來改變輸出訊號脈衝的寬度。在一些具體實施例中，數位PWM調變器410輸出的第一PWM訊號415可為差動PWM訊號。數位PWM驅動器420可耦接至數位PWM調變器410，以接收由數位PWM調變器410輸出的第一PWM訊號415。

數位PWM驅動器420可經配置以至少部分基於第一PWM訊號415來產生參考PWM訊號425。例如，PWM驅動器420可經配置以驅動電流經過複數個電阻器436之至少一者，電阻器436將數位PWM驅動器420與類比PWM調變器430介面連接。數位PWM驅動器420可經配置以藉由驅動電流經過複數個電阻器436之至少一者來產生參考PWM訊號425。由數位PWM驅動器420產生的參考PWM訊號425，可被提供作為對於類比PWM調變器430的輸入。根據一種具體實施例，參考PWM訊號可為電壓訊號。根據另一具體實施例，參考PWM訊號可為電流訊號。

D類放大器系統400亦包含參考緩衝器440。參考緩衝器440可耦接至數位PWM驅動器420。參考緩衝器440可為電源供應模塊，電源供應模塊經配置以接收輸入功率，並經配置以提供輸出功率至數位PWM驅動器420以對數位PWM驅動器420供電。

D類放大器系統400的類比PWM調變器430可被耦接至數位PWM驅動器420並接收參考PWM訊號425。在第4A圖中，類比PWM調變器430可透過第一積分器431接收參考PWM訊號425以作為輸入。此外，類比PWM調變器430亦可接收參考PWM訊號425，或參考PWM訊號425的衰減版本，以作為對於LPF 433的輸入。參考PWM訊號425經過LPF 433至PWM脈衝產生器434的路徑，可被稱為參考PWM訊號425在類比PWM調變器430中的前饋路徑(feed-forward path)，其中參考PWM訊號425被經由LPF 433直接前饋至PWM脈衝產生器434。

類比PWM調變器430可經配置以使用揚聲器驅動器435，至少部分基於參考PWM訊號425產生輸出PWM訊號427。例如，類比PWM調變器430亦可包含類比PWM脈衝產生器434與揚聲器驅動器435，類比PWM脈衝產生器434與揚聲器驅動器435兩者可被用於產生輸出PWM訊號427。在一些具體實施例中，由類比PWM調變器430產生的輸出PWM訊號427，可被輸出至其他部件，最終透過這些其他部件使得音頻訊號可被人類聽見。例如，類比PWM調變器430的揚聲器驅動器435輸出的輸出PWM訊號427，可被輸出至LPF（未圖示），且隨後至揚聲器或其他將訊號轉換成人類可聽見的聲音的換能器（未圖示）。

在一些具體實施例中，類比PWM脈衝產生器434可為接收類比訊號並輸出包含數個脈衝的訊號的功能模塊，其中藉由類比PWM調變器434基於輸入至類比PWM脈衝產生器434的類比訊號來改變輸出訊號脈衝的寬度。類比PWM脈衝產生器434可透過積分器431與432或透過LPF 433接收輸入訊號。在第二積分器432已處理第一積分器431輸出的訊號之後，類比PWM脈衝產生器434亦可接收第二積分器432輸出的訊號以作為輸入訊號。在LPF 433已處理參考PWM訊號425之後，類比PWM脈衝產生器434可進一步接收LPF 433輸出的訊號。

基於所接收的輸入訊號，類比PWM脈衝產生器434可產生第四PWM訊號428。第四PWM訊號428可被揚聲器驅動器435接收作為輸入。在一些具體實施例中，揚聲器驅動器435可操作在高於D類放大器系統400內許多其他功能模塊（諸如數位PWM調變器410、數位PWM驅動器420、積分器431與432、LPF 433、及（或）類比PWM脈衝產生器434）的電壓位準。例如，揚聲器驅動器435可操作在電壓位準V_spk 上。在一些具體實施例中，電壓位準V_spk 可為高於用於操作D類放大器系統400內其他模塊（諸如數位PWM調變器410、數位PWM驅動器420、積分器431與432、LPF 433、及（或）類比PWM脈衝產生器434）的電壓的電壓。

如第4A圖圖示說明，揚聲器驅動器435可經配置以產生輸出PWM訊號427。在一些具體實施例中，揚聲器驅動器435可接收類比PWM脈衝產生器434輸出的第四PWM訊號428，並放大第四PWM訊號428的振幅，以產生輸出PWM訊號427。因為係基於參考PWM訊號425來判定第四PWM訊號428，揚聲器驅動器435的功能性亦可被說明為參考PWM訊號425的放大。輸出PWM訊號427亦可為差動訊號，諸如當參考PWM訊號425為差動訊號時。在一些具體實施例中，輸出PWM訊號的帶內(in-band)振幅，可大於或等於參考PWM訊號的振幅。

類比PWM調變器430亦可經配置以將參考PWM訊號425與輸出PWM訊號427以相反極性相加，以產生誤差訊號。例如，類比PWM調變器430可包含具有電阻值R_fb 的回饋電阻器437，電阻值R_fb 不同於電阻器436的電阻值R_in ，可透過回饋電阻器437將輸出PWM訊號427回饋至第一積分器431的輸入。類比PWM調變器430的第一積分器431可接收參考PWM訊號425以作為輸入，透過由數位PWM驅動器420驅動電流經過複數個電阻器436之至少一者。因此，輸出PWM訊號427與參考PWM訊號425之兩者，可被分別透過回饋電阻器437與複數個輸入電阻器436之至少一者提供作為第一積分器431的輸入。為了獲得誤差訊號（其中參考PWM訊號與輸出PWM訊號彼此相消），輸出PWM訊號427可被回饋至第一積分器431的輸入，使得輸出PWM訊號427的正端耦接至參考PWM訊號425的負端所耦接的相同節點。例如在第4A圖中，若端點421為數位PWM驅動器420的負端而使得端點421為參考PWM訊號420的負端，則端點422（揚聲器驅動器435的正端）可被回饋至第一積分器431的輸入，使得端點421與端點422被耦接至第一積分器431的相同輸入端點。在一些具體實施例中，所產生的誤差訊號的峰對峰電壓振幅，可位於0至200 mV的範圍內。根據一些具體實施例，即時誤差仍可為全訊號位準誤差。然而，異相的回饋訊號可允許大多數的誤差的積分被抵銷。

在一些具體實施例中，在類比PWM調變器430的輸入處（亦即在第一積分器431的輸入處），參考PWM訊號425的電壓位準可被修改為匹配輸出PWM訊號427的電壓位準，使得參考PWM訊號425與輸出PWM訊號427彼此相消。因此，數位PWM驅動器420可經配置以放大第一PWM訊號415，使得所產生的參考PWM訊號425的振幅約等於輸出PWM訊號427的振幅。在一些具體實施例中，輸出PWM訊號427的電壓位準可改變。因此，為了能夠匹配輸出PWM訊號427的各種電壓位準，D類放大器系統400可被製為可調整式，使得第一PWM訊號415的放大可被調整，使得數位PWM驅動器420輸出的參考PWM訊號425的電壓位準約等於輸出PWM訊號427的電壓位準。

第4B圖為根據本揭示內容的一些具體實施例圖示說明另一D類放大器系統的示意模塊圖。特定而言，第4B圖圖示說明第4A圖D類放大器系統的延伸，包含多個數位PWM調節器輸出及其隨後的相關的數位PWM驅動器。因此，如第4B圖圖示說明，一般而言本揭示內容的D類放大器系統可包含多於一個數位PWM調節器輸出，以及對應的數位PWM驅動器。在一些具體實施例中，額外的數位PWM調節器與對應的數位PWM驅動器的操作方式，可類似於數位PWM調節器410與數位PWM驅動器420。

第5圖為根據本揭示內容的一些具體實施例圖示說明可調整式D類放大器系統的示意模塊圖。第5圖圖示說明的可調整式D類放大器系統500類似於第4圖圖示說明的D類放大器系統400，且具有額外的可調整功能性以調整參考PWM訊號525的電壓位準。在一些具體實施例中，為了調整參考PWM訊號525的電壓位準，可調整式D類放大器系統500可包含可變參考緩衝器540及（或）可變輸入電阻器串536。

在一個具體實施例中，可變參考緩衝器540可經配置以具有可配置式輸出供應電壓，使得供應至數位PWM驅動器520的電壓可被配置。在輸出PWM訊號527的電壓位準高於參考PWM訊號525時，可變參考緩衝器540可經配置以提升供應至數位PWM驅動器520的電壓，使得數位PWM驅動器520產生的參考PWM訊號525的電壓振幅約等於輸出PWM訊號527的電壓振幅。可變參考緩衝器540可經配置以追蹤輸出PWM訊號527的電壓訊號的平均位準，且隨後基於輸出PWM訊號527的電壓訊號的平均位準修改供應至數位PWM驅動器520的電壓。

第6圖為根據本揭示內容的一些具體實施例圖示說明驅動電流經過輸入電阻器串的數位PWM驅動器的示意模塊圖。數位PWM驅動器620與可變輸入電阻器串636可用於調整參考PWM訊號625的電壓位準。數位PWM驅動器620可包含一或更多個反相器或緩衝器618a-n以驅動電阻器636。一或更多個反相器或緩衝器618可由參考緩衝器供電，諸如第4圖圖示說明的參考緩衝器440或第5圖圖示說明的可變參考緩衝器540。在一些具體實施例中，第6圖圖示說明的數位PWM驅動器620中的一或更多個反相器或緩衝器618，亦可用於第4圖與第5圖圖示說明的數位PWM驅動器中，以驅動第4圖與第5圖圖示說明的電阻器。此外在一些具體實施例中，第6圖圖示說明的可變輸入電阻器串636可作為第5圖圖示說明的可變輸入電阻器串，及（或）第4圖圖示說明的複數個電阻器的至少一者。

數位PWM驅動器620與可變輸入電阻器串636可一起操作以調整參考PWM訊號625的電壓位準。換言之，數位PWM驅動器620與可變電阻器串636可一起操作以改變第一PWM訊號615的電壓振幅的放大，使得數位PWM驅動器620產生的參考PWM訊號625的電壓振幅，約等於回饋輸出PWM訊號（諸如輸出PWM訊號427或527）的電壓振幅。特定而言，數位PWM驅動器620可經配置以改變第一PWM訊號615的振幅的放大，藉由改變電流被驅動經過的複數個電阻器636的至少一者。作為範例，為了提供參考PWM訊號625至第一積分器631的輸入，數位PWM驅動器620可包含不同的20對反相器或緩衝器618以及不同的20對輸入電阻器636，每一對輸入電阻器具有不同的尺寸。例如，第一電阻器尺寸R_{in_1} 可對應於產生第一增益（諸如1 dB）的電阻器尺寸，且第二十個電阻器尺寸R_{in_20} 可對應於產生較高增益（諸如20 dB）的電阻器尺寸。在回饋輸出PWM訊號（諸如輸出PWM訊號427或527）的電壓位準使得僅需要1 dB的放大以讓參考PWM訊號625的電壓振幅位準約等於回饋輸出PWM訊號的電壓振幅位準時，數位PWM驅動器620可經配置以僅啟用驅動電阻器Rin_1的緩衝器Buf_1，使得第一PWM訊號615被僅放大1 dB以產生參考PWM訊號625，此參考PWM訊號625的電壓振幅位準約等於回饋輸出PWM訊號的電壓振幅位準。類似的，在輸出PWM訊號的電壓位準使得需要20 dB的放大以讓參考PWM訊號625的電壓振幅位準約等於輸出PWM訊號的電壓振幅位準時，數位PWM驅動器620可經配置以啟用驅動電阻器Rin_20的緩衝器Buf_20，使得第一PWM訊號615被放大20 dB以產生參考PWM訊號625，此參考PWM訊號625的電壓振幅位準約等於輸出PWM訊號的電壓振幅位準。作為範例，在數位PWM驅動器620經設計以輸出具有5 V電壓擺幅的訊號以匹配輸出PWM訊號的電壓擺幅，但隨後輸出具有10 V電壓擺幅的輸出PWM訊號時，數位PWM驅動器620可透過改變可變參考緩衝器（諸如可變參考緩衝器540），或透過啟用經配置以調整參考PWM訊號625的電壓擺幅的反相器618、緩衝器618、或電阻器636，使得參考PWM訊號625的電壓擺幅也為10 V以匹配現在亦為10 V的輸出PWM訊號的經調整電壓擺幅。

在本技術領域中具有通常知識者將輕易認知到，雖然第6圖圖示說明了二十個電阻器尺寸以代表二十個不同的增益步級，但亦可對可變輸入電阻器串使用不同數量的電阻器尺寸以代表不同數量的增益步級，而不脫離本揭示內容的精神與範圍。類似的，可在數位PWM驅動器內使用不同於二十個的對應反相器或緩衝器對，而不脫離本揭示內容的精神或範圍。再者，在本技術領域中具有通常知識者將輕易認知到，數位PWM驅動器與可變輸入電阻器串所能達成的最大增益與增益步級，可分別為不同於20 dB與1 dB的值，而不脫離本揭示內容的精神與範圍。

與用於提供參考PWM訊號625作為對於第一積分器631的輸入訊號者不同的反相器（或緩衝器）618與電阻器636，可用於提供參考PWM訊號625至LPF 633。如第4圖與第5圖圖示說明，在一些具體實施例中，參考PWM訊號可被直接從數位PWM驅動器提供至LPF。在其他具體實施例中，與用於提供參考PWM訊號作為對於第一積分器的輸入訊號者相同的反相器（或緩衝器）與電阻器，可用於提供參考PWM訊號至LPF。

在一些具體實施例中，因為本揭示內容的D類放大器系統的類比PWM調變器的輸入訊號，可由以一或更多個反相器或緩衝器來實施數位PWM驅動器來提供（這些反相器或緩衝器驅動介面連接類比PWM調變器的電阻器），可不需要DAC即能對類比PWM調變器提供輸入。因此，本揭示內容的D類放大器系統可移除相關聯於在D類放大器系統中使用DAC的許多缺點，以提供輸入至D類放大器系統的類比PWM調變器。

在先前的系統中，切換器通常為三通閘（T-gates），且為在180 nm節點中的6伏特裝置。此外在先前的系統中，通常一次僅致能一個切換器，且此切換器連接至經歷大共模變異的加總節點。因此，由於相關聯的裝置限制，這種先前的系統非常難以由55 nm製程來實施。通常而言，在先前的系統中需要精細的共模追蹤系統與電荷泵，以控制V_gs 性質。然而，本揭示內容的具體實施例不會受到先前系統的缺點的影響，且因此允許增強的增益切換器實施例。可使用在第4圖至第6圖中的增益切換器的範例，說明於美國專利申請案第15/582,257號中（此後稱為「'257申請案」），在此併入'257申請案以作為參照。

第7A圖與第7B圖為根據本揭示內容的一些具體實施例圖示說明D類放大器系統的可調整性的繪圖。在第7A圖中，訊號702代表由數位PWM驅動器輸出，並由本揭示內容的類比PWM調變器的第一積分器接收作為輸入的參考PWM訊號區段，且訊號704代表從揚聲器驅動器回饋，並由本揭示內容的類比PWM調變器的第一積分器接收作為輸入的輸出PWM訊號區段。如第7A圖圖示說明，訊號702與704的寬度與電壓振幅位準約等於彼此。因此，在相反極性的參考PWM訊號702與輸出PWM訊號704被加在一起以獲得誤差訊號時，所產生的誤差訊號約等於零。

在第7B圖中，訊號712代表由揚聲器驅動器回饋，並由本揭示內容的類比PWM調變器的第一積分器接收作為輸入的輸出PWM訊號區段，且訊號714代表從數位PWM驅動器輸出而未經放大，並由本揭示內容的類比PWM調變器的第一積分器接收作為輸入的參考PWM訊號區段。因為訊號712與714的電壓振幅位準並非約為相同，在相反極性的參考PWM訊號714與輸出PWM訊號712被加在一起以獲得誤差訊號時，所產生的誤差訊號將並非約等於零。訊號716代表在第一PWM訊號放大之後由數位PWM驅動器輸出，並由本揭示內容的類比PWM調變器的第一積分器接收作為輸入的參考PWM訊號區段。如第7B圖圖示說明，訊號712與716的寬度與電壓振幅位準約等於彼此。因此，在相反極性的參考PWM訊號716與輸出PWM訊號712被加在一起以獲得誤差訊號時，所產生的誤差訊號約等於零。

第8A圖與第8B圖為根據本揭示內容的一些具體實施例圖示說明D類放大器系統內處理的訊號的繪圖。在第8A圖中，訊號802代表由本揭示內容的類比PWM調變器的第一積分器輸出的差動訊號的第一訊號，且訊號804代表由本揭示內容的類比PWM調變器的第一積分器輸出的差動訊號的第二訊號。訊號802與804一起形成由本揭示內容的類比PWM調變器的第一積分器輸出的差動訊號。第8B圖圖示說明單端訊號806，單端訊號806為由本揭示內容的類比PWM調變器的第一積分器輸出的差動訊號的單端表示。在一些具體實施例中，訊號806代表第一積分器的輸出處的誤差訊號，在於第一積分器輸入處的參考與輸出PWM訊號加至彼此而彼此相消時。如第8B圖圖示說明，誤差訊號的峰對峰電壓振幅，可位於0至200 mV的範圍內。

在一些具體實施例中，因為參考與輸出PWM訊號在他們以相反極性在本揭示內容的類比PWM調變器的第一積分器輸入處相加時可實質上彼此相消，類比PWM調變器中的積分器可不對大電壓訊號操作。相對的，積分器可對小誤差訊號操作。例如，因為本揭示內容的類比PWM調變器的第一積分器的輸入可為參考PWM訊號與輸出PWM訊號，為參考PWM訊號與輸出PWM訊號之間的差異的誤差訊號可為非常小，並可造成主要由於揚聲器驅動器的非線性度以及一些路徑延遲。

因為小誤差訊號，本揭示內容的類比PWM調變器中的積分器的增益，可被製為高於習知D類放大器系統所能允許的增益。在一些具體實施例中，藉由提升積分器增益，本揭示內容的D類放大器系統可達成其他優點，諸如更多雜訊拒斥，而不用提升本揭示內容的D類放大器系統的面積或使用功率。

第9圖為圖示說明根據揭示內容的一個具體實施例的用於D類音頻放大的範例方法的流程圖。方法900可被由本揭示內容所說明的系統或其他系統實施。方法900開始於模塊902，由數位PWM調變器接收數位訊號。在模塊904，由數位PWM調變器至少部分基於數位訊號來產生第一PWM訊號。在模塊906，由耦接至數位PWM調變器的數位PWM驅動器至少部分基於第一PWM訊號來產生參考PWM訊號。在模塊908，由耦接至數位PWM驅動器的類比PWM調變器至少部分基於參考PWM訊號來產生輸出PWM訊號。

第9圖的示意流程圖被一般地闡述為邏輯流程圖。因此，所述次序與所標註的步驟，係指示所揭示方法的態樣。可思及到在功能上、邏輯上、或效果上均等於所說明方法的一或更多個步驟（或其部分）的其他步驟與方法。此外，所採用的格式與符號被提供為用以解釋方法的邏輯步驟，且應被瞭解為並非限制方法的範圍。雖然可在流程圖中採用各種箭頭類型與線類型，但應瞭解到他們並非意為限制所對應之方法的範圍。當然，一些箭頭或其他連接器可被用以僅指示方法的邏輯流程。例如，箭頭可指示所繪製方法所列舉的步驟之間的未指定持續時間的等待或監測時段。此外，特定方法發生的次序，可或不可緊密遵循所圖示的對應步驟的次序。

對於包含本文所述音頻放大系統的音頻處理器的一個有益的具體實施例，為用於播放音樂、高傳真音樂、及（或）電話通話語音的個人媒體裝置。第10圖為圖示說明用於播放音頻的範例個人媒體裝置的圖示，此範例個人媒體裝置包含根據揭示內容的一個具體實施例經配置以放大音頻訊號的音頻控制器。個人媒體裝置1000可包含顯示器1002，以允許使用者選擇音樂檔案以播放，音樂檔案可包含高傳真音樂檔案與一般音樂檔案。在使用者選擇音樂檔案時，應用處理器（未圖示）可從記憶體1004取得音頻檔案，並提供音頻檔案至音頻控制器1006。音頻控制器1006可包含D類放大器系統1006A。D類放大器系統1006A可實施音頻處理以修改輸入音頻訊號，諸如根據第4圖或第5圖的具體實施例。音頻控制器1006的輸出可由放大器1008放大。在一些具體實施例中，放大器1008可被包含在音頻控制器1006內。放大器1008可被耦接至音頻輸出1010（諸如耳機插孔）以驅動換能器（諸如耳機1012）。放大器1008亦可耦接至裝置1000的內部揚聲器1020。雖然音頻控制器1006接收的資料被說明為是從記憶體1004接收來的，但音頻資料亦可被從其他來源接收，諸如USB連結、透過Wi-Fi連接至個人媒體裝置1000的裝置、蜂巢式無線電、基於網際網路的伺服器、另一無線電波、及（或）另一有線連結。

上文說明的作業，可被由經配置以執行所述作業的任何電路執行。此種電路可為建置在半導體基板上的積體電路（IC），並包含邏輯電路系統（諸如經配置為邏輯閘的電晶體）與記憶體電路系統（諸如經配製為動態隨機存取記憶體（DRAM）、電子可編程式唯讀記憶體（EPROM）、或其他記憶體裝置的電晶體與電容器）。可透過硬線連結，或透過包含在韌體中的指令的編程，來配置邏輯電路系統。再者，邏輯電路系統可經配置為能夠執行包含在軟體中的指令的一般用途處理器（例如CPU或DSP）。韌體及（或）軟體可包含使本文所述的訊號處理程序被執行的指令。電路系統或軟體可被組織為經配置以執行特定功能的方塊。或者，一些電路系統或軟體可被組織為共享方塊，共享方塊可執行所述作業中的數種作業。在一些具體實施例中，作為控制器的積體電路（IC）可包含其他功能性。例如，控制器IC可包含音頻編解碼器（CODEC），以及用於執行本文所述功能的電路系統。此種IC為音頻控制器的一種範例。其他音頻功能性可被額外地或替代地與本文所述IC電路系統整合，以形成音頻控制器。

若實施於韌體及（或）軟體中，則前述功能可被儲存作為電腦可讀取媒體上的一或更多個指令或碼。範例包含由資料結構編碼的非暫態性電腦可讀取媒體，以及由電腦程式編碼的電腦可讀取媒體。電腦可讀取媒體包含實體電腦儲存媒體。儲存媒體可為可由電腦存取的任何可用的媒體。作為範例而不為限制，此種電腦可讀取媒體可包含隨機存取記憶體（RAM）、唯讀記憶體（ROM）、電子可抹除可編程式唯讀記憶體（EEPROM）、光碟唯讀記憶體（CD-ROM）或其他光碟儲存器、磁碟儲存器或其他磁性儲存裝置、或可用於由電腦可存取之指令或資料結構形式儲存所需程式碼的任何其他媒體。磁碟與碟片包含光碟（CD）、雷射碟、光學碟、數位多媒體光碟（DVD）、磁碟片與藍光光碟。一般而言，磁碟磁性地重製資料，而碟片光學地重製資料。前述之結合者亦應被包含在電腦可讀取媒體的範圍內。

除了電腦可讀取媒體上的儲存以外，指令及（或）資料可被提供為包含在通訊設備中的傳輸媒體上的訊號。例如，通訊設備可包含收發器，收發器具有指示指令與資料的訊號。指令與資料經配置以使得一或更多個處理器實施申請專利範圍中所概述的功能。

雖然已詳細說明了本揭示內容以及一些代表性的優點，但應瞭解到可在此進行各種改變、替換與修改而不脫離由附加申請專利範圍所界定的揭示內容的精神與範圍。再者，本申請案的範圍，並非意為受限於說明書中所說明的程序、機器、生產、物質組成、手段、方法以及步驟的特定具體實施例。例如，雖然前述具體實施例中說明的是D類放大器，但亦可將所揭示的發明態樣應用至其他放大器。如在本發明所屬技術領域中具有通常知識者根據本揭示內容將輕易理解到的，可利用能達成與本文所述之對應具體實施例實質相同的結果的（或執行實質相同功能的）當前已知或將被開發出的程序、機器、生產、物質組成、手段、方法以及步驟。因此，附加申請專利範圍的範圍，意為包含這種程序、機器、生產、物質組成、手段、方法以及步驟。

100‧‧‧開迴路數位驅動式D類放大器102‧‧‧三角積分調變器（DSM）104‧‧‧數位PWM調變器106‧‧‧驅動器200‧‧‧閉迴路類比驅動式D類放大器202‧‧‧三角積分調變器204‧‧‧PWM輸出功率級250‧‧‧閉迴路類比驅動式D類放大器312A‧‧‧差動類比輸入訊號312B‧‧‧差動類比輸入訊號314A‧‧‧差動回饋電壓訊號314B‧‧‧差動回饋電壓訊號322A‧‧‧第一積分器的輸出電壓訊號322B‧‧‧第一積分器的輸出電壓訊號324‧‧‧第一積分器的輸出擺幅400‧‧‧D類放大器系統405‧‧‧數位音頻輸入訊號410‧‧‧數位PWM調變器415‧‧‧第一PWM訊號420‧‧‧數位PWM驅動器421‧‧‧端點422‧‧‧端點425‧‧‧PWM訊號427‧‧‧輸出PWM訊號428‧‧‧第四PWM訊號430‧‧‧類比PWM調變器431‧‧‧第一積分器432‧‧‧第二積分器433‧‧‧低通濾波器（LPF）434‧‧‧PWM脈衝產生器435‧‧‧揚聲器驅動器437‧‧‧回饋電阻器440‧‧‧參考緩衝器500‧‧‧可調整式D類放大器系統520‧‧‧數位PWM驅動器525‧‧‧參考PWM訊號527‧‧‧輸出PWM訊號536‧‧‧輸出PWM訊號540‧‧‧可變參考緩衝器615‧‧‧第一PWM訊號618a-n‧‧‧反相器或緩衝器620‧‧‧數位PWM驅動器625‧‧‧參考PWM訊號631‧‧‧第一積分器633‧‧‧LPF636‧‧‧電阻器702‧‧‧訊號704‧‧‧訊號712‧‧‧訊號714‧‧‧訊號716‧‧‧訊號802‧‧‧訊號804‧‧‧訊號806‧‧‧訊號902-908‧‧‧模塊1000‧‧‧個人媒體裝置1002‧‧‧顯示器1004‧‧‧記憶體1006‧‧‧音頻控制器1006A‧‧‧D類放大器系統1008‧‧‧放大器1010‧‧‧音頻輸出1012‧‧‧耳機1020‧‧‧內部揚聲器

為了更完整瞭解所揭示的系統與方法，現在連同附加圖式以參照下面的說明。在附加圖式中，類似的部件或特徵可具有相同的元件符號。再者，相同類型的各種部件可藉由遵循元件符號以及辨別類似部件的第二符號來分辨。若在說明書中僅使用第一元件符號，則說明可適用至具有相同第一元件符號的類似部件之任一者而無視於第二元件符號。

第1圖為圖示說明根據先前技術的開迴路數位驅動式D類放大器的示意模塊圖。

第2A圖為圖示說明根據先前技術的閉迴路類比驅動式D類放大器的示意模塊圖。

第2B圖為圖示說明根據先前技術的另一閉迴路類比驅動式D類放大器的示意模塊圖，其中由DAC提供D類放大器的類比PWM調變器的類比輸入訊號。

第3A圖與第3B圖為圖示說明根據先前技術的D類放大器的類比PWM調變器內處理的訊號的繪圖。

第4A圖為根據本揭示內容的一些具體實施例圖示說明D類放大器系統的示意模塊圖。

第4B圖為根據本揭示內容的一些具體實施例圖示說明另一D類放大器系統的示意模塊圖。

第5圖為根據本揭示內容的一些具體實施例圖示說明可調整式D類放大器系統的示意模塊圖。

第6圖為根據本揭示內容的一些具體實施例圖示說明驅動電流經過輸入電阻器串的數位PWM驅動器的示意模塊圖。

第7A圖與第7B圖為根據本揭示內容的一些具體實施例圖示說明D類放大器系統的可調整性的繪圖。

第8A圖與第8B圖為根據本揭示內容的一些具體實施例圖示說明D類放大器系統內處理的訊號的繪圖。

第9圖為圖示說明根據揭示內容的一個具體實施例的用於D類音頻放大的範例方法的流程圖。

第10圖為圖示說明用於播放音頻的範例個人媒體裝置的圖示，此範例個人媒體裝置包含根據揭示內容的一個具體實施例經配置以放大音頻訊號的音頻控制器。

國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無

國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

400‧‧‧D類放大器系統

405‧‧‧數位音頻輸入訊號

410‧‧‧數位PWM調變器

415‧‧‧第一PWM訊號

420‧‧‧數位PWM驅動器

421‧‧‧端點

422‧‧‧端點

425‧‧‧PWM訊號

427‧‧‧輸出PWM訊號

428‧‧‧第四PWM訊號

430‧‧‧類比PWM調變器

431‧‧‧第一積分器

432‧‧‧第二積分器

433‧‧‧低通濾波器(LPF)

434‧‧‧PWM脈衝產生器

435‧‧‧揚聲器驅動器

437‧‧‧回饋電阻器

440‧‧‧參考緩衝器

Claims (25)

1. 一種用於音頻放大的設備，包含：一數位脈衝寬度調變(PWM)調變器，該數位PWM調變器經配置以接收一數位訊號，並至少部分基於該數位訊號而產生一第一PWM訊號；一數位PWM驅動器，該數位PWM驅動器耦接至該數位PWM調變器，並經配置以接收該第一PWM訊號並至少部分基於該第一PWM訊號產生一參考PWM訊號；以及一類比PWM調變器，該類比PWM調變器耦接至該數位PWM驅動器，並經配置以接收該參考PWM訊號並至少部分基於該參考PWM訊號和來自一輸出PWM訊號的回饋而產生該輸出PWM訊號，以及將該參考PWM訊號與該輸出PWM訊號以相反極性相加，以產生一誤差訊號。
2. 如請求項1所述之設備，其中該類比PWM調變器進一步經配置以放大該參考PWM訊號的該振幅以產生該輸出PWM訊號，其中該輸出PWM訊號的一帶內振幅大於或等於該參考PWM訊號的該振幅。
3. 如請求項1所述之設備，其中該數位PWM驅動器進一步經配置以放大該第一PWM訊號的該振幅，使得該所產生的參考PWM訊號的一振幅約等於該輸出 PWM訊號的該振幅。
4. 如請求項3所述之設備，其中該數位PWM驅動器進一步經配置以驅動電流經過複數個電阻器的至少一個電阻器，該複數個電阻器介面連接於該數位PWM驅動器與該類比PWM調變器之間。
5. 如請求項4所述之設備，其中該數位PWM驅動器經配置以改變該第一PWM訊號的該振幅的該放大，其係藉由改變電流被驅動經過的該複數個電阻器的該至少一個電阻器來達成。
6. 如請求項1所述之設備，其中該設備為一D類放大器。
7. 如請求項1所述之設備，該設備進一步包含一參考緩衝器，該參考緩衝器耦接至該數位PWM驅動器並經配置以提供功率至該數位PWM驅動器。
8. 如請求項7所述之設備，其中該參考緩衝器進一步經配置為具有一可配置式輸出供應電壓，使得供應至該數位PWM驅動器的一電壓為可配置式。
9. 如請求項1所述之設備，其中該參考PWM訊號與該輸出PWM訊號的至少一者為一差動訊號。
10. 如請求項1所述之設備，其中該輸出PWM訊號係由該類比PWM調變器內的一揚聲器驅動器輸出。
11. 一種用於音頻放大的方法，該方法包含以下步驟：由一數位脈衝寬度調變(PWM)調變器接收一數位訊號；由該數位PWM調變器至少部分基於該數位訊號而產生一第一PWM訊號；由耦接至該數位PWM調變器的一數位PWM驅動器，至少部分基於該第一PWM訊號而產生一參考PWM訊號；由耦接至該數位PWM驅動器的一類比PWM調變器，至少部分基於該參考PWM訊號和來自一輸出PWM訊號的回饋而產生該輸出PWM訊號；以及將該參考PWM訊號與該輸出PWM訊號以相反極性相加，以產生一誤差訊號。
12. 如請求項11所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：放大該參考PWM訊號的該振幅以產生該輸出PWM訊號，其中該輸出PWM訊號的一帶內振幅大於或等於該參考PWM訊號的該振幅。
13. 如請求項11所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：放大該第一PWM訊號的該振幅，使得該所產生的參考PWM訊號的一振幅約等於該輸出PWM訊號 的該振幅。
14. 如請求項13所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：驅動電流經過複數個電阻器的至少一個電阻器，該複數個電阻器介面連接於該數位PWM驅動器與該類比PWM調變器之間。
15. 如請求項14所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：改變該第一PWM訊號的該振幅的該放大，其係藉由改變電流被驅動經過的該複數個電阻器的該至少一個電阻器來達成。
16. 如請求項11所述之方法，其中該方法在一D類放大器內被執行。
17. 如請求項11所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：提供功率至該數位PWM驅動器。
18. 如請求項17所述之方法，其中提供至該數位PWM驅動器的該功率為可配置式。
19. 如請求項11所述之方法，其中該參考PWM訊號與該輸出PWM訊號的至少一者為一差動訊號。
20. 如請求項11所述之方法，其中該輸出PWM訊號係由該類比PWM調變器內的一揚聲器驅動器輸出。
21. 一種用於音頻放大的設備，包含：一音頻控制器，該音頻控制器經配置以執行步驟， 該等步驟包含：由一數位脈衝寬度調變(PWM)調變器接收一數位訊號；由該數位PWM調變器至少部分基於該數位訊號而產生一第一PWM訊號；由耦接至該數位PWM調變器的一數位PWM驅動器，至少部分基於該第一PWM訊號而產生一參考PWM訊號；由耦接至該數位PWM驅動器的一類比PWM調變器，至少部分基於該參考PWM訊號和來自一輸出PWM訊號的回饋而產生該輸出PWM訊號，以及將該參考PWM訊號與該輸出PWM訊號以相反極性相加，以產生一誤差訊號。
22. 如請求項21所述之設備，其中該音頻控制器進一步經配置以執行以下步驟：放大該參考PWM訊號的該振幅以產生該輸出PWM訊號，其中該輸出PWM訊號的一帶內振幅大於或等於該參考PWM訊號的該振幅。
23. 如請求項21所述之設備，其中該音頻控制器進一步經配置以執行以下步驟：放大該第一PWM訊號的該振幅，使得該所產生的參考PWM訊號的一振幅約等 於該輸出PWM訊號的該振幅。
24. 如請求項23所述之設備，其中該音頻控制器進一步經配置以執行以下步驟：驅動電流經過複數個電阻器的至少一個電阻器，該複數個電阻器介面連接於該數位PWM驅動器與該類比PWM調變器之間。
25. 如請求項24所述之設備，其中該音頻控制器進一步經配置以執行以下步驟：改變該第一PWM訊號的該振幅的該放大，其係藉由改變電流被驅動經過的該複數個電阻器的該至少一個電阻器來達成。

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