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TWI738335B - 放大器、其操作方法以及放大器電路 - Google Patents

放大器、其操作方法以及放大器電路 Download PDF

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TWI738335B
TWI738335B TW109115765A TW109115765A TWI738335B TW I738335 B TWI738335 B TW I738335B TW 109115765 A TW109115765 A TW 109115765A TW 109115765 A TW109115765 A TW 109115765A TW I738335 B TWI738335 B TW I738335B
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analog
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馬丁 金紐亞
艾力克 蘇寧
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台灣積體電路製造股份有限公司
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Abstract

本發明提供一種放大器，所述放大器包含輸入電路，輸入電路被配置成接收類比輸入信號及回饋信號且基於類比輸入信號及回饋信號輸出類比誤差信號。類比/數位轉換器被配置成在相域中將類比誤差信號轉換成數位信號。數位控制電路被配置成基於相域中的數位信號產生數位控制信號。輸出電路被配置成基於數位控制信號產生經放大輸出信號，且回饋電路被配置成基於經放大輸出信號產生回饋信號。

Description

放大器、其操作方法以及放大器電路
本發明的實施例是有關於放大器，且特別是有關於一種放大器、其操作方法以及放大器電路。
基於某些操作特性對放大器進行分類。與A類放大器、B類放大器或AB類放大器相反，D類放大器使用電晶體的切換模式來調節功率遞送。D類放大器較佳用於許多應用，因為選通信號的完全「開」或完全「關」特性確保電路的驅動器部分為功率非常高效的。D類放大器歸因於高效率及低散熱特性而常常用作低頻放大器。實例低頻放大器應用為音訊放大器。
本發明實施例提供一種放大器，包括：輸入電路，被配置成接收類比輸入信號及回饋信號且基於所述類比輸入信號及所述回饋信號輸出類比誤差信號；類比/數位轉換器，被配置成在相域中將所述類比誤差信號轉換成數位信號；數位控制電路，被配置成基於所述相域中的所述數位信號產生數位控制信號；輸出電路，被配置成基於所述數位控制信號產生經放大輸出信號；以及 回饋電路，被配置成基於所述經放大輸出信號產生所述回饋信號。
本發明實施例提供一種放大器電路，包括：輸入電路，被配置成接收類比輸入信號及回饋信號且基於所述類比輸入信號及所述回饋信號輸出類比誤差信號；類比/數位轉換器，包含壓控振盪器，所述壓控振盪器被配置成接收所述類比誤差信號且基於所述類比誤差信號輸出頻率信號；量化器，被配置成接收所述頻率信號且將所述頻率信號與參考信號進行比較以基於所述頻率信號輸出相位信號；以及數位控制電路，被配置成接收所述相位信號且基於所述相位信號輸出脈衝寬度調製信號。
本發明實施例提供一種放大器的操作方法，包括：接收類比輸入電壓信號；將所述類比輸入信號與回饋信號進行比較以判定類比誤差信號；基於所述類比誤差信號將所述類比誤差信號轉換成頻率信號；將所述頻率信號轉換成相位信號，包含將所述頻率信號與參考信號進行比較；基於所述相位信號將所述相位信號轉換成數位控制信號；以及基於所述數位控制信號產生輸出信號。
10:輸入節點
20:ADC
30:數位控制電路
40:輸出電路
50:回饋電路
60:負載
100:放大器
102:第一輸入端子
104:第二輸入端子
106:第一求和區塊/求和區塊
108:第二求和區塊/求和區塊
112:輸入濾波器/濾波器
114:壓控振盪器
116:相位量化器
118:劃分器
120:互斥或閘極
122:數位/類比轉換器
124、132:輸入埠
126:迴路濾波器
128:補償濾波器
130:數位脈衝寬度調製單元
140A:第一預驅動器/預驅動器
140B:第二預驅動器/預驅動器
150A、150B:輸出驅動器
152:P型電晶體
154:N型電晶體
160A、160B:輸出端子
180:環形振盪器
182:反相器/延遲單元
184:緩衝器
186:N位暫存器
200:Z域方塊圖
210:第一求和區塊
220:ADC傳遞函數區塊
230:迴路濾波器傳遞函數區塊
240:補償濾波器傳遞函數區塊
250:第二求和節點
260:回饋區塊
300:方法
310、312、314、316、318、320:步驟
CF:濾波電容器
D(z)、Fb(z)、H(z)、Vtune(z):z域表達
Fbw:預定頻率
Fs:取樣頻率
G:增益因數
IN、Vin(s):輸入信號
INp、INm:差分輸入信號
M:因數
M1_a、M1_b、M2_a、M2_b、M3_a、M3_b、M4_a、M4_b:電晶體
NTF(z):雜訊傳遞函數
OUTp、OUTm、Out(z):輸出信號
P(z):PWM誤差信號
q(s):量化誤差
q(z):量化誤差信號
RF1:第一回饋電阻器
RF2:第二回饋電阻器
Verr:類比誤差信號
Vfb:回饋信號
Vfbp:第一回饋信號
Vfpm:第二回饋信號
Vin:類比輸入信號
VINM:第二輸入信號/輸入
VINP:第一輸入信號/輸入
Vout:經放大輸出信號
Voutm、Voutp:輸出信號
Vtune、Vtune(s):誤差信號
x(z):數位信號
Φout:數位輸出信號
結合附圖閱讀以下詳細描述會最佳地理解本揭露的態樣。應注意，根據業界中的標準慣例，各種特徵未按比例繪製。事實上，可出於論述清楚起見，任意地增大或減小各種特徵的尺寸。
圖1為示出根據一些實施例的放大器系統的態樣的方塊圖。
圖2為示出根據一些實施例的放大器系統的態樣的電路圖。
圖3為示出根據一些實施例的放大器系統的態樣的電路圖。
圖4為根據一些實施例的環形振盪器的實例的電路圖。
圖5為根據一些實施例的環形振盪器的延遲單元(delay cell)的實例的電路圖。
圖6為根據一些實施例的量化器的實例的電路圖。
圖7為根據一些實施例的D類放大器的Z域方塊圖。
圖8為示出根據一些實施例的方法的流程圖。
以下揭露內容提供用於實施所提供的主題的不同特徵的許多不同實施例或實例。下文描述組件及配置的特定實例以簡化本揭露。當然，這些組件及配置僅為實例且並不意欲為限制性的。舉例而言，在以下描述中，第一特徵在第二特徵上方或上的形成可包含第一特徵及第二特徵直接接觸地形成的實施例，且亦可包含額外特徵可在第一特徵與第二特徵之間形成以使得第一特徵與第二特徵可不直接接觸的實施例。另外，本揭露可在各種實例中重複附圖標號及/或字母。此重複是出於簡單及清楚的目的，且本身並不指示所論述的各種實施例及/或配置之間的關係。
另外，為易於描述，本文中可使用諸如「在...之下」、「在...下方」、「下部」、「在...上方」、「上部」以及其類似者的空間相對術語，以描述如諸圖中所示出的一個元件或特徵相對於另一元件或特徵的關係。除諸圖中所描繪的定向之外，空間相對術語亦意欲涵蓋裝置在使用或操作中的不同定向。設備可以其他方式定向(旋轉90度或處於其他定向)，且本文中所使用的空間相對描述詞可 同樣相應地進行解譯。
基於某些操作特性對放大器進行分類。舉例而言，D類放大器使用電晶體的切換模式以調節功率遞送。D類放大器歸因於高效率及低散熱特性而常常用作低頻放大器。實例低頻放大器應用為音訊放大器。
在一些應用中，使用類比輸入D類放大器；然而，所述放大器通常需要高精度類比組件且通常需要複雜的類比控制。一些類比輸入D類放大器應用中所需的類比組件，諸如類比積分器及其中的斜坡產生器，在一些當今的半導體製造製程中難以在足夠精確度的情況下可靠地製作。
在一些所揭露實施例中，D類放大器具有允許放大器的許多信號處理操作在封閉迴路數位域中執行的類比/數位轉換器(analog-to-digital converter；ADC)。ADC將類比信號轉換成數位信號。ADC配置包含作為管線化、快閃、三角信號、逐次近似暫存器(successive approximation register；SAR)等。
一般而言，所揭露實施例的態樣包含放大器，其中前端回饋誤差ADC之後為數位迴路濾波器、補償濾波器、數位PWM產生器以及回饋迴路中的輸出驅動器。在一些實例中，回饋誤差信號使用基於壓控振盪器(voltage controlled oscillator；VCO)的三角積分ADC來量化。用三角積分ADC，將變化類比信號編碼成脈衝串流。調製的準確度藉由使此數位輸出穿過數位/類比轉換器(digital to analog converter；DAC)且在負回饋配置中自類比輸入信號減去所得類比信號來提高。
圖1為示出根據一些實施例的放大器100的態樣的方塊 圖。輸入節點10接收類比輸入信號Vin及回饋信號Vfb，且基於類比輸入信號Vin及回饋信號Vfb輸出類比誤差信號Verr。ADC 20被配置成在相域中將類比誤差信號Verr轉換成數位輸出信號Φout，且數位控制電路30基於數位信號產生脈衝寬度調製(pulse width modulated；PWM)信號。輸出電路40被配置成基於PWM信號產生對應於第一類比輸入信號的經放大輸出信號Vout，接收所述經放大輸出信號Vout來提供給負載60。回饋電路50被配置成基於經放大輸出信號產生回饋信號Vfb。在一些實例中，放大器100為D類放大器，其接收音訊信號作為類比輸入信號Vin，且負載60為揚聲器，其接收經放大輸出Vout。
圖2為示出根據一些實施例的放大器100的其它態樣的電路圖。在圖2中所示的實例中，輸入信號Vin為差分信號，所述差分信號包含第一輸入信號VINP及第二輸入信號VINM，且輸入電路10因此包含相應第一輸入端子102及第二輸入端子104。第一求和區塊106及第二求和區塊108接收相應輸入VINP及輸入VINM以及第一回饋信號Vfbp及第二回饋信號Vfpm，且將相應誤差信號輸出至ADC 20。
所示實例中的ADC 20為基於VCO的三角積分ADC。基於VCO的三角積分ADC 20往往為面積及功率高效的，因為其主要經建構為簡單逆變器結構，如下文將進一步論述。所述基於VCO的三角積分ADC 20在低功率供應下良好地操作且適合於在深奈米級製程技術中實施。ADC 20包含輸入濾波器112，所述輸入濾波器112接收差分誤差信號且將輸入提供至壓控振盪器(VCO)114。濾波器112具有由s域表達H(s)表示的傳遞函數。VCO為產 生具有受輸入電壓控制的頻率的振盪信號的電路，所述振盪信號諸如自求和區塊106、求和區塊108接收到的誤差信號。ADC 20進一步接收具有取樣頻率Fs的時脈信號。在一些實施例中，類比輸入信號VINP及類比輸入信號VINM具有範圍介於零頻率至預定頻率Fbw的信號頻寬，且取樣頻率Fs不小於預定頻率Fbw的預定倍數。在一些實施例中，預定倍數至少為2。在一些實施例中，預定倍數為64、128或256。如先前所提及，在一些實施例中，放大器100為D類放大器且因此可用於處理人類可聽音訊信號。因而，預定頻率Fbw可介於8千赫茲至20千赫茲的範圍內。
VCO 114將第一差分頻率信號及第二差分頻率信號輸出至相位量化器116，所述相位量化器116接收取樣時脈信號Fs作為輸入且基於VCO 114輸出的所接收頻率信號輸出相位信號。量化器116輸出相位信號與取樣時脈信號Fs相比較，且所得相位信號Φout輸出至數位控制電路30。相位信號Φout亦藉由數位/類比轉換器(DAC)122轉換為類比信號且饋送回ADC 20的輸入端子。更特定言之，在所示實例中，量化器116的輸出相位信號與藉由劃分器118測定的參考相位相比較，所述劃分器118以因數M劃分取樣時脈頻率信號Fs。比較是藉由接收量化器116及劃分器118的輸出的互斥或(exclusive OR；XOR)閘極120進行。
數位控制電路30包含接收來自ADC 20的相位信號Φout的輸入埠124。在一些實施例中，數位控制電路30輸入埠124為N位埠。數位控制電路30被配置成基於數位相位信號Φout產生數位輸出信號。在所示實例中，數位控制電路30包含迴路濾波器126，隨後為補償濾波器128。迴路濾波器126具有由z域表達H(z) 表示的傳遞函數，且被配置成在預定頻帶內具有高增益，所述預定頻帶諸如零頻率至預定頻率Fbw，且被配置成將ADC 20的截斷誤差及其他誤差移出預定頻帶。補償濾波器128具有由z域表達D(z)表示的傳遞函數且被配置成增加放大器100的總傳遞函數的穩定性。
在一些實施例中，迴路濾波器126的傳遞函數H(z)首先基於關於放大器100的傳遞函數的量值或增益態樣的設計要求判定。隨後，判定補償濾波器128的傳遞函數D(z)，以引入一或多個極點或零以使放大器100的傳遞函數穩定。在一些實施例中，迴路濾波器126及補償濾波器128是指放大器100中的兩個可分開的電路單元。在一些實施例中，迴路濾波器126及補償濾波器128為指兩個設計步驟的結果的概念單元，但仍由積體電路實施。在一些實施例中，迴路濾波器126及補償濾波器128可指執行一組數位信號處理(digital signal processing；DSP)指令的DSP單元。
數位脈衝寬度調製(pulse width modulation；PWM)單元130具有輸入埠132，所述輸入埠132接收補償濾波器128的輸出且被配置成基於補償濾波器128的輸出產生第一PWM信號及第二PWM信號。在一些實施例中，第一PWM信號及第二PWM信號邏輯上彼此互補。在一些實施例中，僅產生第一PWM信號及第二PWM信號中的一者。
輸出電路40包含接收來自PWM產生器130的相應第一PWM輸出及第二PWM輸出的第一預驅動器140A及第二預驅動器140B。預驅動器140A、預驅動器140B被配置成基於PWM信 號產生控制信號，所述控制信號輸出至相應輸出驅動器150A、輸出驅動器150B。輸出驅動器150A、輸出驅動器150B被配置成基於自預驅動器140A、預驅動器140B接收到的控制信號在輸出端子160A、輸出端子160B處產生相應輸出信號Voutp、輸出信號Voutm。
輸出驅動器150A、輸出驅動器150B各自包含P型電晶體152及N型電晶體154。P型電晶體152各自具有耦接至VBAT電源節點的源極端子、耦接至相應輸出節點160A、輸出節點160B的汲極端子以及耦接至相應預驅動器140A、預驅動器140B的輸出的閘極端子。N型電晶體154各自具有耦接至接地端子的源極端子、耦接至相應輸出節點160A、輸出節點160B的汲極端子以及耦接至相應預驅動器140A、預驅動器140B的輸出的閘極端子。在一些實施例中，由預驅動器140A、預驅動器140B輸出的控制信號被配置成根據來自PWM產生器130的PWM信號控制電晶體152、電晶體154。因此，來自輸出驅動器150A、輸出驅動器150B的輸出信號亦為在等於VBAT電壓位準的高電壓位準與等於接地的低電壓位準之間切換的PWM信號。
輸出端子160A、輸出端子160B上的輸出信號Voutp、輸出信號Voutm電性耦接至負載60且可用以驅動負載60。在一些實施例中，負載60包含揚聲器。在一些實施例中，負載60進一步包含低通濾波器。
輸出信號Voutp、輸出信號Voutm亦通過回饋電路50分別饋送回求和區塊106、求和區塊108，所述回饋電路50包含充當分壓器的相應電阻網路。電阻網路包含第一回饋電阻器RF1及第 二回饋電阻器RF2。第一回饋電阻器RF1耦接在相應輸出節點160A、輸出節點160B與求和區塊106、求和區塊108之間。第二回饋電阻器RF2耦接在求和區塊106、求和區塊108與接地之間。回饋信號Vfbp、回饋信號Vfbm由此亦為基於輸出信號Voutp、Voutm的PWM信號。
輸出信號Voutp、輸出信號Voutm的回饋路徑因此限定為自輸出節點160A、輸出節點160B通過包含第一回饋電阻器RF1、第二回饋電阻器RF2的電阻網路到達輸入節點10的求和區塊106、求和區塊108。在一些實施例中，回饋路徑不含低通濾波裝置，所述低通濾波裝置具有低於ADC的取樣頻率FS的截止頻率。在一些實施例中，除寄生電容在回饋路徑中的電氣特徵的情況下出現外，不再存在電容式裝置，諸如金屬氧化物半導體(metal-oxide semiconductor；MOS)電容器、金屬絕緣層金屬(metal-insulator-metal；MIM)電容器或積體電路晶片外部的電容器，所述積體電路晶片含有與回饋路徑電性耦接的放大器100。
因此，在不大於取樣頻率FS的頻帶內，回饋路徑僅藉由電阻網路在無任何額外類比電路分析或用於諸如電容式裝置或電感裝置的能夠儲存能量的裝置的任何額外區域的情況下將輸出信號Voutp、輸出信號Voutm按比例調整至ADC 20可接受的電壓位準。信號處理操作將主要在數位域中執行，且減少或消除對精確類比電路的需求。放大器100的迴路特性主要藉由數位控制電路30來測定，其中增益、極點以及零適合於藉由數位域中的第一階迴路、第二階迴路或高階迴路在不限制類比電路(諸如脆弱性)的情況下實施以處理變化、雜訊以及有限的可實現的增益。在一 些實施例中，放大器100的頻帶內迴路增益適合於任意地得出(>100分貝)以有效遏制PWM產生器130及輸出驅動器40的非線性且達到足夠電源抑制(Power Supply Rejection；PSR)。頻帶內迴路增益包含ADC 20的增益、迴路濾波器增益、補償濾波器126增益、PWM產生器130增益以及回饋因數(例如在一些實例中為0.4)。
所示出放大器100具有可用以處理所述對差分類比輸入信號VINP、差分類比輸入信號VINM且輸出一對輸出信號Voutp、輸出信號Voutm的差分模式配置。在一些實施例中，放大器100可修改以具有單端模式配置以處理單端類比信號。在此類實施例中，ADC 20被配置成接收參考信號及類比信號，諸如類比信號VINP及類比信號VINM中的一者。因而，僅產生輸出信號Voutp、輸出信號Voutm中的一者，且僅需要預驅動器140A、預驅動器140B以及輸出驅動器150A、輸出驅動器150B中的一者。
圖3示出放大器100的另一實施例。在圖式的實施例中，數位控制30及輸出電路40類似於結合圖2所示的實施例所揭露的數位控制30及輸出電路40。這些元件因此未在圖3的論述中詳細闡述。在圖3的實例中，除包含電阻器RF1、電阻器RF2的電阻網路之外，回饋電路50亦包含濾波電容器CF。來自輸出節點160A、輸出節點160B的濾波PWM回饋信號由求和區塊106、求和區塊108接收。因為回饋電路50包含濾波電容器CF，因此省略圖2中所示的實施例的輸入濾波器112。
圖3中所示的實施例亦採用實施為基於VCO的三角積分拓樸結構的前端誤差ADC 20。圖3中的求和區塊106、求和區塊 108輸出的誤差信號指定為Vtune，且由VCO 114接收。因為輸入信號Vtune至VCO 114的範圍相對較小，且實質上與輸出信號Voutp、輸出信號Voutm去相關，因此基本上排除任何VCO電壓與頻率的非線性的影響。
如上文所提及，量化器116相位藉由XOR閘極120與參考相位相比較。藉由將取樣時脈頻率Fs除以因數M來獲得參考相位，所述參考相位由劃分器118輸出至XOR閘極120。輸出節點124處的所得誤差信號通過DAC 122饋送回VCO 114的輸入端。有效地，此回饋迴路對應於第一階連續時間ADC迴路，且含有具有無限DC增益(如由VCO 114所供應)的積分器。
因為相位為頻率的積分，因此基於相位的VCO量化器116的調諧電壓可受限於極小操作區域(例如小於50mV)，同時仍使得能夠完全發揮其動態範圍。因而，實質上藉由使用相位作為ADC 20的輸出變數減少了VCO 114電壓與頻率非線性的任何影響。
VCO 114產生具有受輸入電壓Vtune控制的頻率的振盪信號。圖4示出在VCO 114的實施例中所採用的環形振盪器180的實例。環形振盪器180包含級聯連接的一系列反相器182。在實現總計180度的相移以形成正回饋時，獲得振盪。亦稱為延遲單元的每一反相器182具有相關聯的固有延遲，且所有反相器182的固有延遲的求和使電路在某一頻率下振盪。在使用差分控制信號的實施例中，偶數或奇數個反相器182可用於實現振盪。在接收單一輸入信號的單端實施例中，奇數個反相器182用於實現振盪。環形振盪器的調諧可藉由使電壓供應變化從而控制反相器的 電流來實現。
在一些實施例中，環形振盪器使用簡單反相器結構且由此提供緊湊及低功率電路。圖5示出實施環形振盪器反相器或延遲單元182的電路的實例。延遲單元182電路接收差分輸入信號INp、差分輸入信號INm且產生輸出信號OUTp、輸出信號OUTm。反相器182的差分側中的每一者包含兩個經反相器連接的PMOS及NMOS電晶體對。更具體言之，在所示實例中，正輸入信號INp側具有電晶體對M1_a/M2_a、電晶體對M3_a/M4_a，而負信號INm輸入側具有電晶體對M1_b/M2_b、電晶體對M3_b/M4_b，連接所述電晶體對以使其相應輸入INp、輸入INm反相來輸出經反相的輸出OUTp、輸出OUTm。
圖6示出基於VCO的量化器116的實例。如上文所提及，在一些實施例中，數位控制電路30包含接收來自ADC 20的相位信號Φout的N位輸入埠124。因此，VCO 114將N位輸出提供至緩衝器184，所述緩衝器184連接至N位暫存器186。VCO 114接收輸入信號IN，諸如圖3中所示的輸入信號Vtune。量化器116在時間作為其關鍵信號的情況下操作，且由此接收取樣頻率時脈信號Fs作為輸入。量化器116被配置成藉由利用VCO 114的階段的變數延遲來實現多個量化位準。VCO 114通過其電壓與頻率特性將輸入電壓IN有效轉化成時間信號，其中較高輸入信號IN轉化成較高振盪器頻率且因此轉化成較短延遲，且低輸入電壓IN轉化成較低振盪器頻率且因此轉化成更長延遲。藉由計算在給定參考時脈週期中轉移的邊緣的數目來獲得電壓輸入IN的經量化版本。
因此，基於VCO的量化器116的實例提供各種面積及功率消耗優點。舉例而言，除處於轉移中的延遲階段輸出之外，VCO延遲階段(反相器)的輸出電壓將以第一階飽和至電源或接地。由於延遲階段的數目在大多數情況下增加，因此此輸出信號屬性保持正確。因而，所揭露的基於VCO的量化器116可極為緊湊且實現高速操作而無需大功率消耗。
圖7為根據一些實施例的D類放大器的Z域方塊圖200。Z域方塊圖200示出諸如本文中所揭露的放大器100的D類放大器中的各種組件的各種信號及傳遞函數。Z域方塊圖200包含第一求和區塊210、ADC傳遞函數區塊220、迴路濾波器傳遞函數區塊230、補償濾波器傳遞函數區塊240、第二求和節點250以及回饋區塊260。
求和節點210組合具有z域表達Vin(z)的輸入信號Vin(s)及具有z域表達Fb(z)的回饋信號的反相版本，且產生具有z域表達Vtune(z)的誤差信號Vtune(s)。輸入信號Vin(s)對應於輸入信號VINP及輸入信號VINM的Z域表達。ADC傳遞函數區塊220對應於圖3的實例中所示的ADC 10的操作，所述ADC 10將誤差信號Vtune(s)轉換成數位信號x(z)。ADC傳遞函數區塊220引入量化誤差q(s)，所述量化誤差q(s)由雜訊傳遞函數NTF(z)進一步處理。換言之，數位信號x(z)滿足以下等式：x(z)=Vtune(z)+q(s)NTF(z)。
在一些實施例中，NTF(z)滿足以下等式：NTF(z)=(1-z -1 ) M ，且M為正整數。
迴路濾波器傳遞函數區塊230對應於迴路濾波器126且 具有傳遞函數H(z)。補償濾波器傳遞函數區塊240對應於補償濾波器128且具有傳遞函數D(z)。迴路濾波器傳遞函數區塊230及補償濾波器傳遞函數區塊240將數位信號x(z)轉換成數位信號y(z)，所述數位信號y(z)滿足以下等式：y(z)=x(z)H(z)D(z)。
在一些實施例中，H(z)滿足以下等式：
Figure 109115765-A0305-02-0016-1
且G1為正實數。
在一些實施例中，D(z)具有滿足以下等式的等效拉普拉斯(Laplace)傳遞函數D(s)：
Figure 109115765-A0305-02-0016-2
 且G2為正實數，z1為拉普拉斯域中的零，且p1及p2為拉普拉斯域中的極點。
求和區塊250組合數位信號y(z)及PWM誤差信號P(z)以變成輸出信號Out(z)。PWM誤差信號P(z)對應於由數位PWM產生器130引入的量化誤差及/或可歸因於預驅動器單元140A/預驅動器單元140B及輸出驅動器150A/輸出驅動器150B的其他誤差。輸出信號Out(z)對應於輸出信號Voutp及輸出信號Voutm的Z域表現。因此，求和區塊250對應於數位PWM產生器130、預驅動器單元140A/預驅動器單元140B或輸出驅動器150A/輸出驅動器150B。
回饋區塊260具有增益因數G。回饋區塊260對應於回饋電路50。在一些實施例中，增益因數G對應於電阻器RF2的電阻值與電阻器RF1及電阻器RF2的總電阻值的比率。舉例而言，若 電阻器RF1具有電阻值R1，電阻器RF2具有電阻值R2，則增益因數G滿足以下等式：G=R 2 /(R 1 +R 2 )。
因此，總傳遞函數為：
Figure 109115765-A0305-02-0017-3
圖8為示出根據所揭露實施例的方法300的流程圖。參考圖8以及圖1至圖3，方法300包含在步驟310中接收類比輸入電壓信號Vin。在步驟312中，將類比輸入信號Vin與回饋信號Vfb相比較以判定類比誤差信號Vtune。在步驟314中，例如，使用基於VCO的積分三角ADC 10基於類比誤差信號將類比誤差信號Vtune轉換成頻率信號。舉例而言，在步驟316中，藉由相位量化器116將頻率信號轉換成相位信號。在一些實例中，將頻率信號與參考頻率信號FS相比較以判定相位信號。在步驟318中，基於相位信號將相位信號轉換成數位控制信號，諸如PWM信號。隨後在操作320中產生基於數位控制信號的輸出信號。在一些實例中，輸出信號按比例調整且過濾以產生回饋信號。
根據一些所揭露的實例，放大器電路採用基於VCO的三角積分ADC，所述基於VCO的三角積分ADC經建構有簡單反相器以提供面積及功率高效的簡單設計。所揭露的實例中的信號處理主要為數位，從而消除與傳統設計相關聯的複雜類比電路。
根據一些所揭露實施例，可為D類放大器的放大器包含輸入電路，所述輸入電路被配置成接收類比輸入信號及回饋信號且基於類比輸入信號及回饋信號輸出類比誤差信號。ADC被配置 成在相域中將類比誤差信號轉換成數位信號。數位控制電路被配置成基於相域中的數位信號產生數位控制信號。輸出電路被配置成基於數位控制信號產生經放大輸出信號，且回饋電路被配置成基於經放大輸出信號產生回饋信號。
在相關實施例中，所述類比/數位轉換器包含壓控振盪器，所述壓控振盪器被配置成基於所述類比誤差信號輸出頻率信號。
在相關實施例中，所述類比/數位轉換器包含三角積分類比/數位轉換器。
在相關實施例中，所述類比/數位轉換器包含相位量化器，所述相位量化器被配置成將藉由所述壓控振盪器輸出的所述頻率信號轉換成相位信號。
在相關實施例中，所述相位量化器被配置成將所述相位信號與參考信號進行比較。
在相關實施例中，所述相位量化器包含互斥或閘極，所述互斥或閘極被配置成接收所述相位信號及所述參考信號作為輸入。
在相關實施例中，所述數位控制電路包含數位濾波器，所述數位濾波器被配置成接收所述相位信號。
在相關實施例中，所述數位濾波器包含迴路濾波器，所述迴路濾波器具有等效拉普拉斯傳遞函數以及至少一個零點及一個極點。
在相關實施例中，所述回饋電路包含分壓器。
在相關實施例中，所述回饋電路包含濾波器。
在相關實施例中，所述類比/數位轉換器包含數位/類比轉換器，所述數位/類比轉換器被配置成將所述相域中的所述數位信號轉換成藉由所述壓控振盪器所接收的類比回饋信號。
在相關實施例中，所述類比輸入信號為差分輸入信號，且其中所述經放大輸出信號為差分輸出信號。
在相關實施例中，所述壓控振盪器被配置成直接地自所述輸入電路接收所述類比誤差信號。
在相關實施例中，所述放大器為D類放大器。
根據其他實施例，一種放大器電路包含輸入電路，所述輸入電路被配置成接收類比輸入信號及回饋信號且基於類比輸入信號及回饋信號輸出類比誤差信號。包含VCO的ADC被配置成接收類比誤差信號且基於類比誤差信號輸出頻率信號。量化器被配置成接收頻率信號且將頻率信號與參考信號進行比較以基於頻率信號輸出相位信號。數位控制電路被配置成接收相位信號且基於相位信號輸出脈衝寬度調製(PWM)信號。
在相關實施例中，所述的放大器電路更包括輸出驅動器，所述輸出驅動器被配置成基於所述脈衝寬度調製信號產生輸出信號。
在相關實施例中，所述類比/數位轉換器包含三角積分類比/數位轉換器，且其中所述三角積分類比/數位轉換器包含數位/類比轉換器，所述數位/類比轉換器被配置成將所述相位信號轉換成類比回饋信號。
在相關實施例中，所述量化器包含互斥或閘極，所述互斥或閘極被配置成接收所述相位信號及所述參考信號作為輸入。
根據其他實施例，一種放大器的操作方法包含接收類比輸入電壓信號，將類比輸入信號與回饋信號進行比較以判定類比誤差信號，以及基於類比誤差信號將類比誤差信號轉換成頻率信號。頻率信號轉換成相位信號，包含將頻率信號與參考信號進行比較。基於相位信號將相位信號轉換成數位控制信號。基於數位控制信號產生輸出信號。
在相關實施例中，所述的操作方法更包括對所述輸出信號進行濾波以產生所述回饋信號。
前文概述若干實施例的特徵，以使得所屬技術領域中具有通常知識者可較好地理解本揭露的態樣。所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，其可易於使用本揭露作為設計或修改用於實施本文中所引入的實施例的相同目的且/或實現相同優點的其他製程及結構的基礎。所屬技術領域中具有通常知識者亦應認識到，此類等效構造並不脫離本揭露的精神及範疇，且所屬技術領域中具有通常知識者可在不脫離本揭露的精神及範疇的情況下在本文中進行改變、替代以及更改。
10：輸入節點 20：ADC 30：數位控制電路 40：輸出電路 50：回饋電路 60：負載 100：放大器系統 Verr：類比誤差信號 Vfb：回饋信號 Vin：類比輸入信號 Vout：經放大輸出信號 ϕout：數位輸出信號

Claims (7)

  1. 一種放大器，包括：輸入電路，被配置成接收類比輸入信號及回饋信號且基於所述類比輸入信號及所述回饋信號輸出類比誤差信號；類比/數位轉換器，被配置成在相域中將所述類比誤差信號轉換成數位信號；數位控制電路，被配置成基於所述相域中的所述數位信號產生數位控制信號；輸出電路，被配置成基於所述數位控制信號產生經放大輸出信號；以及回饋電路，被配置成基於所述經放大輸出信號產生所述回饋信號，其中所述類比/數位轉換器包含壓控振盪器及數位/類比轉換器，所述壓控振盪器被配置成基於所述類比誤差信號輸出頻率信號，所述數位/類比轉換器被配置成將所述相域中的所述數位信號轉換成藉由所述壓控振盪器所接收的類比回饋信號。
  2. 如請求項1所述的放大器，其中所述類比/數位轉換器包含相位量化器，所述相位量化器被配置成將藉由所述壓控振盪器輸出的所述頻率信號轉換成相位信號。
  3. 如請求項2所述的放大器，其中所述相位量化器被配置成將所述相位信號與參考信號進行比較。
  4. 一種放大器電路，包括：輸入電路，被配置成接收類比輸入信號及回饋信號且基於所述類比輸入信號及所述回饋信號輸出類比誤差信號； 類比/數位轉換器，包含壓控振盪器，所述壓控振盪器被配置成接收所述類比誤差信號且基於所述類比誤差信號輸出頻率信號；量化器，被配置成接收所述頻率信號且將所述頻率信號與參考信號進行比較以基於所述頻率信號輸出相位信號；以及數位控制電路，被配置成接收所述相位信號且基於所述相位信號輸出脈衝寬度調製信號，其中所述類比/數位轉換器包含三角積分類比/數位轉換器，且其中所述三角積分類比/數位轉換器包含數位/類比轉換器，所述數位/類比轉換器被配置成將所述相位信號轉換成類比回饋信號。
  5. 如請求項4所述的放大器電路，更包括輸出驅動器，所述輸出驅動器被配置成基於所述脈衝寬度調製信號產生輸出信號。
  6. 一種放大器的操作方法，包括：接收類比輸入電壓信號；將所述類比輸入信號與回饋信號進行比較以判定類比誤差信號；基於所述類比誤差信號及類比回饋信號將所述類比誤差信號轉換成頻率信號；將所述頻率信號轉換成相位信號，包含將所述頻率信號與參考信號進行比較；將所述相位信號轉換成所述類比回饋信號；基於所述相位信號將所述相位信號轉換成數位控制信號；以及 基於所述數位控制信號產生輸出信號。
  7. 如請求項6所述的操作方法，更包括對所述輸出信號進行濾波以產生所述回饋信號。
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