三电平半桥脉宽调制放大器及其驱动方法

专利名称：三电平半桥脉宽调制放大器及其驱动方法
技术领域：
本申请涉及一种放大器，具体来说，涉及一种半桥脉宽调制(PWM)放大器。
背景技术：
PWM是一种根据输入信号幅度来改变脉宽的技术。PWM具有高效、高分解力以及低 功耗等优点。所以，PWM通常用于如D类放大器这样的放大器以及音频系统。因而，PWM放 大器被称为D类放大器。使用PWM的音频系统在传输音频信号时，通常将音频信号嵌入到 一个频率相对于音频信号的采样率更高的PWM信号中。PWM放大器将音频信号变换成数字 PWM信号，放大该PWM信号以及将其输出到扬声器或听筒，例如耳机或耳塞。通常使用全桥PWM放大器来驱动扬声器。半桥PWM放大器则通常用来驱动头戴式 耳机等装置，基于零电压或地电平将输入信号施加到这些装置。由于PWM信号通常为二电 平信号，因而在二电平PWM驱动方法中根据PWM信号来切换一个预定的正(+)电压和地电 平或一个正电压和一个负电压。在二电平PWM驱动方法中，即使当输入信号为零时，输出端还是保持50 50的 PWM占空比和执行切换。结果是，除了音频信号消耗动态电流外，静态电流也一直在作不必 要的消耗，从而降低了输出效率。

发明内容
本发明构思的示范性实施例提供一种通过减少静态电流消耗来提高效率的三电 平半桥脉宽调制PWM放大器及其驱动方法。根据本发明构思的示范性实施例的一个方面，提供一种包含有PWM发生器以及输 出级的三电平半桥PWM放大器。PWM发生器被配置为根据输入信号的幅度来改变第一电平 和第二电平处的脉宽，以及输出具有第一电平、第二电平和参考电平的三电平PWM输出信 号。输出级被配置为基于三电平PWM输出信号，将连接于负载的一端的输出节点驱动至第 一电源电压、第二电源电压或第三电源电压中的一个电压。在一个示范性实施例中，PWM发生器可以通过将第一 PWM信号和第二 PWM信号相 加来输出三电平PWM输出信号，第一PWM信号是通过根据大于输入信号的参考电平的、输入 信号的第一输入信号的幅度来改变第一电平处的脉宽而获得的，第二 PWM信号是通过根据 小于输入信号的参考电平的、输入信号的第二输入信号的幅度来改变第二电平处的脉宽而 获得的。在一个示范性实施例中，参考电平可以是地电平，第一输入信号可以是正输入信 号，第二输入信号可以是负输入信号。在另一个示范性实施例中，PWM发生器可以包括第一比较器和第二比较器，第一比较器被配置为将正输入信号和第一锯齿波信号进行比较以及 产生第一 PWM信号，该第一锯齿波信号在第一电平和参考电平之间摆动，第二比较器被配 置为将负输入信号和第二锯齿波信号进行比较以及产生第二 PWM信号，该第二锯齿波信号 在参考电平和第二电平之间摆动。第二锯齿波信号可以是比第一锯齿波信号的电平下降一 个摆动宽度并且具有与第一锯齿波信号相同波形的信号。在另一个实施例中，第三电源电 压具有地电平，第一电源电压具有比第三电源电压高的正电压，第二电源电压具有比第三 电源电压低的负电压。在一个示范性实施例中，输出级可以包括上拉单元、下拉单元和转换单元，上拉单元被配置为响应于第一使能信号，驱动输出节点至第一电源电压，下拉单元被配置为响应 于第二使能信号，驱动输出节点至第二电源电压，转换单元被配置为响应于第三使能信号， 驱动输出节点至第三电源电压。在另一个示范性实施例中，上拉单元包含连接于输出节点 和第一电源电压之间并响应于第一使能信号导通的上拉晶体管，下拉单元包含连接于输出 节点和第二电源之间并响应于第二使能信号导通的下拉晶体管，转换单元包括至少一个连 接于输出节点和第三电源之间并响应于第三使能信号导通的开关。根据本发明构思的示范性实施例的另一个方面，一种音频系统包括三电平半桥 PMW放大器。三电平半桥PWM放大器包括PWM发生器和输出级。PWM发生器被配置为根据 输入信号的幅度改变第一电平或第二电平处的脉宽，并输出具有第一电平、第二电平和参 考电平的三电平PWM输出信号。输出级被配置为基于三电平PWM输出信号，将连接于负载 的一端的输出节点驱动至第一电源电压、第二电源电压或第三电源电压。在一个实施例中，PWM发生器可以通过将第一 PWM信号和第二信号相加来输出三 电平PWM输出信号，第一 PWM信号是通过根据大于输入信号的参考电平的、输入信号的第一 输入信号的幅度来改变第一电平处的脉宽而获得，第二 PWM信号是通过根据小于输入信号 的参考电平的、输入信号的第二输入信号的幅度来改变第二电平处的脉宽而获得。在一个实施例中，参考电平可以是地电平，第一输入信号可以正输入信号，第二输 入信号可以负输入信号。在另一个示范性实施例中，PWM发生器可以包括第一比较器和第二 比较器，第一比较器被配置为将正输入信号和第一锯齿波信号进行比较并产生第一 PWM信 号，该第一锯齿波信号在第一电平和参考电平之间摆动，第二比较器被配置为将负输入信 号和第二锯齿波信号进行比较并产生第二 PWM信号，该第二锯齿波信号在参考电平和第二 电平之间摆动。第二锯齿波信号可以是比第一锯齿波信号的电平下降一个摆动宽度并具有 与第一锯齿信号相同波形的信号。在另一个实施例中，第三电源电压具有地电平，第一电源 电压具有比第三电源电压高的正电压，第二电源电压具有比第三电源电压低的负电压。在一个实施例中，输出级可以包括上拉单元、下拉单元和转换单元，上拉单元被配 置为响应于第一使能信号，驱动输出节点至第一电源电压，下拉单元被配置为响应于第二 使能信号，驱动输出节点至第二电源电压，转换单元被配置为响应于第三使能信号，驱动输 出节点至第三电源电压。在另一个示范性实施例中，上拉单元包含连接于输出节点和第一 电源电压之间并响应于第一使能信号导通的上拉晶体管，下拉单元包含连接于输出节点和 第二电源电压之间并响应于第二使能信号导通的下拉晶体管，转换单元包括至少一个连接 于输出节点和第三电源电压之间并响应于第三使能信号导通的开关。根据本发明构思示范性实施例的另一个方面，本发明提供一种驱动三电平半桥PWM放大器的方法。该方法包括产生三电平PWM输出信号，其具有第一电平、第二电平和参 考电平并且根据输入信号的幅度而在第一电平或第二电平处改变的脉宽，以及基于三电平 PWM输出信号将连接于负载的一端的输出节点驱动至第一电源电压、第二电源电压或第三 电源电压。在一个实施例中，产生三电平输出信号包括通过根据大于输入信号的参考电平的、输入信号的第一输入信号的幅度改变第一电平处的脉宽产生第一 PWM信号，通过根据 小于输入信号的参考电平的、输入信号的第二输入信号的幅度改变第二电平处的脉宽产生 第二 PWM信号，并通过将第一 PWM信号和第二 PWM信号相加来输出三电平PWM输出信号。在 另一个实施例中，参考电平是地电平，第一输入信号是正输入信号，第二输入信号是负输入 信号。产生第一 PWM信号包括将正输入信号和第一锯齿波信号进行比较，第一锯齿波信号 在第一电平和参考电平之间摆动，产生第二 PWM信号包括将负输入信号和第二锯齿波信 号进行比较，第二锯齿波信号在参考电平和第二电平之间摆动。第二锯齿波信号是比第一 锯齿波信号的电平下降一个摆动宽度并与第一锯齿信号具有相同的波形的信号。在另一个实施例中，当输入第一输入信号时，第一电平处的脉宽根据第一输入信 号的幅度发生改变，第二电平处的脉冲具有预定的最小宽度。当输入第二输入信号时，第 二电平处的脉宽根据第二输入信号的幅度发生改变，第一电平处的脉冲具有预定的最小宽 度。在另一个实施例中，当输入信号处于参考电平时，除了在第一电平处具有最小宽度的脉 冲和在第二电平处具有最小宽度的脉冲之外三电平PWM输出信号处于参考电平。


如下图所示，从如附图中所示的本发明构思优选方面的更为具体的描述中，本发 明的前述及其它特征和优点将变得明确，贯穿不同的视图相似的参考符号指代相同的部 件。附图的重点在于图示本发明构思的原理，而不必要按比例。附图中，为了清楚起见，层 的厚度和区域有所放大。附图中图1是示范性放大器输入信号的波形图；图2A-图2C是传统二电平脉宽调制(PWM)信号的示意图，该信号是相对于图1所 示的放大器输入信号而产生；图3是根据本发明构思的一个示范性实施例的半桥PWM放大器的示意图；图4是根据本发明构思的一个示范性实施例的、图3中所示的 Δ- Σ (delta-sigma)调制器的示意图；图5是根据本发明构思的一个示范性实施例的、图3中所示的三电平PWM发生器 的框图；图6是根据本发明构思的一个示范性实施例的、图3中所示的输出级的电路图；图7和图8A和图8B是示出根据本发明构思的一个示范性实施例的PWM放大器的 操作的波形图；图9A-9C是根据本发明构思的一个示范性实施例的，根据PWM输出信号的不同电 平，图6中所示的输出级的操作的电路图；图10是根据本发明构思的一个示范性实施例的、表示图3中映射器的表格；图11是根据本发明构思的一个示范性实施例的、表示PWM输出信号的不同电平的信号的图；图12是根据本发明构思的另一个示范性实施例的放大器输入信号的波形图；和图13A-13H是根据本发明构思的一个示范性实施例的、针对图12中所示的放大器 输入信号的三电平PWM输出信号的波形图。
具体实施例方式下文将针对附图对本发明构思作更详细的描述，附图显示了本发明构思的实施 例。但是，本发明构思可以通过多种形式实现并且不应当理解为对本发明的限制。而是， 提供这些实施例以使本发明详尽而完整，并把本发明构思的整个范围传递给本领域技术人 员。附图中，为了清楚起见，层和区域的大小和相对大小有所放大。贯穿附图，相似的标号 指代相似的元素。将理解的是，当一个元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，可以认为是直 接连接或耦接至另一个元件，或是还有中间元件。反之，当一个元件被提到“直接连接”或 “直接耦接”至另一元件时，就没有中间元件。通常，术语“和/或”包括一个或多个相关联 所列项的任意一个和全部组合，并且可以简化成“/”。应当理解的是，尽管此处使用了第一、第二等术语用于描述多个元件，但是元件不 应当被这些术语所限。这些术语只用于将元件互相区别开。例如，第一信号可以称之为第 二信号，以及类似的，第二信号也可以称之为第一信号，而不脱离本公开的教导。此处所使用的术语只用于描述特定的实施例，而不是用于对本发明的限定。如此 处所使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”也可用于包括复数形式，除非上下文中清楚指 示。还应理解的是，术语“包括”、和/或、“包含”和/ “含有”当在说明书中使用时指定特 征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或元件的存在，但是不排除其中存在的或附加的一个 或多个特征、区域、整体、步骤、操作、元件、元件和/或组群。除非有别的定义，否则此处所用的所有术语(包括技术术语和科学术语)与具有 本发明所属领域的现有技术中的所通常理解含义的相同。还应理解的是，像那些在词典中 所通常定义的术语应当理解为具有与在本发明和/或相关技术的上下文中的含义一致，并 且除非此处特别进行了定义，否则不会理解为理想化或过于正式的含义。图1是示范性放大器输入信号的波形图。图2是传统二电平脉宽调制(PWM)信号 的示意图，该信号是相对于图1所示的放大器输入信号而产生。参见图1，假设放大器输入信号在正峰值电压MAX和负峰值电压MIN之间摆动。PWM 输出信号通常是一个具有两个电平VDD和VSS的脉冲信号。参见图2A-图2C，当放大器输 入信号具有正峰值电压MAX时，如图2A所示，PWM输出信号具有最长的“高”时间段，也即， PWM信号处于电平VDD的时间段，以及，当放大器输入信号具有负峰值电压MIN时，如图2C 所示，具有最长的“低”时间段，也即，PWM信号处于电平VSS的时间段。也就是说，当放大 器输入信号增加至正峰值电压MAX时，PWM输出信号逐渐为“高”的时间段，在此时间段PWM 输出信号处于VDD电平。当放大器输入信号降至负峰值电压MIN时，PWM输出信号逐渐为 “低”的时间段，在此时间段PWM输出信号处于VSS电平。当放大器输入信号为零电压时， PWM输出信号具有等于“低”时间段的“高”时间段，这样就具有50 50的占空比，如图2B 所示。
尽管PWM放大器，例如D类放大器，具有比A类放大器、B类放大器、AB类放大器更 高的效率，但是PWM放大器在电平VDD和电平VSS (或地电平)之间转换时无谓地持续消耗 静态电流。为了进一步提高PWM放大器的效率，有必要减少此类静态电流消耗。图3是根据本发明构思的示范性实施例的半桥PWM放大器10的示意图。参见图 3，半桥PWM放大器10包括A- E (delta-sigma)调制器110、三电平PWM发生器120、映射 器130和输出级140。A - E调制器110将输入信号IM量化为较小的比特数，该比特为脉冲码调制 (PCM)数据。A-E调制是一种结合了过采样的调制机制，以减少PCM数据量化噪声和用较 小比特数提供高分解力。当半桥PWM放大器10是音频系统的音频放大器时，例如，过采样 音频输入信号分解力太高而不能直接变换为PWM信号。在这种情况下，必须降低音频输入 信号的分解力到一个合适的等级，以便使用A- E调制器110来将其变换为PWM信号。图4是根据本发明构思的一个示范性实施例的、图3中所示的A- E调制器110 的示意图。参见图4，A - E调制器110包括加法器111、环路滤波器112和M比特的编码器 113。因而，A-E调制器110的输出信号0M是M比特的量化信号。在该示范性实施例中， M远小于PCM数据也就是输入信号IM的比特数。例如，当PCM数据的长度为16或20比特 时，A-E调制器110的输出信号的长度为4或5比特。图5是根据本发明构思的一个示范性实施例的、图3中所示的三电平PWM发生器 120的框图。参见图5，三电平PWM发生器120根据输入到其的输出信号0M的幅度(或电 平)来改变脉冲的宽度，由此产生PWM输出信号PWM_0ut。三电平PWM发生器120可以是模 拟PWM发生器。三电平PWM发生器120包括斜坡发生器122、第一比较器121a、第二比较器 121b以及加法器123。斜坡发生器122产生第一锯齿波信号SA1和第二锯齿波信号SA2。如图7所示，第 一锯齿波信号SA1可以在第一电平和参考电平之间周期性地上升或下降，第一电平例如是 预定的正电压，参考电平例如是地电平，第二锯齿波信号SA2可以具有与第一锯齿波信号 SA1相同的波形，但是周期性地在参考电平和第二电平之间上升或下降，第二电平例如是预 定的负电压。第一锯齿波信号SA1在第一电平和参考电平之间摆动，第二锯齿波信号SA2 在参考电平和第二电压之间摆动。第二锯齿波信号SA2可以是比第一锯齿波信号SA1的电 平下降一个摆动宽度并且可以具有与第一锯齿波信号SA1相同波形的信号。在本发明构思 的实施例中，第一电平是VDD电平，参考电平是地电平，第二电平是VSS电平；然而，本发明 构思并不局限于这些实施例。第一比较器121a将第一锯齿波信号SA1和第一输入信号0M1进行比较，并输出第 一 PWM信号PWM_01。第二比较器121b将第二锯齿波信号SA2和第二输入信号0M2比较，并 输出第二 PWM信号PWM_02。加法器123将第一比较器121a的第一 PWM信号PWM_01和第二 比较器121b的第二 P丽信号PWM_02相加，输出PWM输出信号PWM_0ut。第一输入信号可以是A-E调制器110的输出信号0M中电平比参考电平高或等 于参考电平的信号，参考电平为地电平“0”，第二输入信号可以是A- E调制器110的输出 信号0M中电平比“0”低或等于“0”的信号。当第一输入信号0M1大于第一锯齿波信号SA1 时，第一比较器121a在第一电平、也就是VDD电平处输出第一 PWM信号PWM_01，以及当第 一输入信号0M1小于第一锯齿波信号SA1时，第一比较器121a在参考电平、也就是地电平处输出第一 PWM信号PWM_01。当第二输入信号0M2大于第二锯齿波信号SA2，第二比较器121b输出第二 PWM信号PWM_02在参考电平，也就是地电平，以及当第二输入信号0M2小于 第二锯齿波信号SA2，第二比较器121b输出第二 PWM信号PWM_02在第二电平，也就是VSS 电平。因而，三电平PWM发生器120输出具有三个电平的PWM输出信号PWM_0ut，即第一 电平、第二电平和参考电平。可替换地，三电平PWM发生器120可以根据输入信号0M的电 平通过计数数字时钟产生PWM输出信号PWM_0ut。图6是根据本发明构思的一个示范性实施例的、图3中所示的输出级140的电路 图。输出级140基于三电平PWM输出信号PWM_0ut驱动输出节点NO至第一电源电压VDD、 第二电源电压VSS或第三电源电压GND。参见图6，输出级140包括上拉晶体管(pull-up transistor) PUT，下拉晶体管(pull-down transistor) PDT 和转换单元 SW。上拉晶体管PUT连接在第一电源电压VDD和输出节点NO之间，根据第一使能信号 VDD_EN驱动输出节点N0至第一电源电压。图3的半桥PWM放大器可以用于音频系统。图6 示出音频系统中输出级140。输出节点N0连接至音频系统的负载141的一端，例如，耳机、 耳塞或头戴设备。负载141的另一端连接到地。下拉晶体管PDT连接于输出节点N0和第 二电源电压VSS之间，并且响应于第二使能信号VSS_EN驱动输出节点N0至第二电源电压 VSS。转换单元SW连接于输出节点N0和第三电源电压GND之间，并且响应于第三使能 信号GND_EN来导通和关断。当转换单元SW导通时，输出节点N0连接至第三电源电压GND， 也就是接地，输出节点N0处的电压变成地电平。转换单元SW可以包括至少一个开关，该开 关可以用例如晶体管或传输门来实现。再回到图3，映射器130根据PWM输出信号PWM_0ut来产生第一至第三使能信号 VDD_EN、VSS_EN和GND_EN，这些将在下文进行详细描述。图7以及图8A和图8B是根据本发明构思的一个示范性实施例的半桥PWM放大器 10的操作的波形图。图7是输入到三电平PWM发生器120的信号0M1、0M2、SA1和SA2的 波形图。图8A和图8B是PWM输出信号PWM_0ut的波形图。半桥PWM放大器10的操作将参照图3至图8B来进行描述。在大于零输入信号(也即输出信号0M)的正输入信号(也即第一输入信号0M1)被 输入的时间段里，第一比较器121a将第一锯齿波信号SA1和第一输入信号0M1进行比较， 当第一输入信号0M1大于第一锯齿波信号SA1时输出第一电源电压VDD，并且当第一输入信 号0M1小于第一锯齿波信号SA1时输出第三电源电压GND，如图8A和8B所示。在此期间， 如图8B所示，第二比较器121b输出最小脉冲信号，该最小脉冲信号具有预定的最小脉宽并 且在第二锯齿波信号SA2的每个周期都具有第二电源电压VSS，例如，每次第二锯齿波信号 SA2为零时。PWM输出信号PWM_0ut的脉宽可以从预定的最小值变化到预定的最大值。最小 脉冲是在PWM输出信号PWM_0ut的脉冲中具有最小宽度的脉冲，并且可以称为回零脉冲 (return-zero pulse)0在小于零输入信号的负输入信号(也即第二输入信号0M2)被输入的时间段里，第 二比较器121b将第二锯齿波信号SA2和第二输入信号0M2进行比较，当第二输入信号0M2大于第二锯齿波信号SA2时，输出第三电源电压GND，并且当第二输入信号0M2小于第二锯齿波信号SA2时输出第二电源电压VSS，如图8A和图8B所示。在此期间，如图8B所示，第 一比较器121a输出最小脉冲信号，该最小脉冲信号具有预定的最小脉宽并且在第一锯齿 波信号SA1的每个周期具有第一电源电压VDD，例如，每次第一锯齿波信号SA1为零时。因此，通过将第一 P丽信号PWM_01和第二 P丽信号PWM_02总计而得到的P丽输出 信号PWM_0UT可以是一个具有第一电源电压VDD、第二电源电压VSS和第三电源电压GND的 三电平脉冲信号，其中PWM_01由第一比较器121a输出，PWM_02由第二比较器121b输出，， 如图8A所示。如果第一比较器121a和第二比较器121b输出最小脉冲，即回零脉冲，PWM输 出信号PWM_0ut可以包括脉冲，如图8B所示。为了简便起见，输入信号0M1和0M2在图7中示为模拟正弦信号；然而，与锯齿波 信号SA1和SA2相比较的信号可以是A - E调制信号并由此具有与图7中所示的输入信号 0M1和0M2不同的波形。另外，为了描述的清楚起见，在图5中所示的实施例中第一比较器121a和第二比 较器121b是分开提供的；然而本发明构思不局限于这些实施例。例如，第一比较器121a和 第二比较器121b可以组合成一个比较器，该比较器在接收正的输入信号期间将大于零的 正输入信号(即第一输入信号0M1)与第一锯齿波信号SA1进行比较并输出PWM输出信号 PWM_0ut，以及在接收负输入信号期间，将小于零的负的输入信号(即第二输入信号0M2)与 第二锯齿波信号SA2进行比较并输出PWM输出信号PWM_0ut。图9A-9C是根据本发明构思的一个示范性实施例的、根据PWM输出信号PWM_0ut 的不同电平在图6示出的输出级140的操作的电路图。图10是根据本发明构思的一个示 范性实施例的、表示图3中所示的映射器130的表格。图11是根据本发明构思的一个示范 性实施例的、表示PWM输出信号PWM_0ut的不同电平的信号的示意图。参见图9A-9C、图10和图11，根据本发明构思的一个示范性实施例的PWM发生器 的输出信号，也就是，PWM输出信号PWM_0ut具有三个电平，例如高电平VDD、零电平GND以 及低电平VSS，如图11所示。因而，输出级140根据PWM输出信号PWM_0ut的电平在三个模 式下工作，如图9A-9C所示。如图10所示，为了图9A-9C中所示的输出级140的运行，映射 器130根据PWM输出信号PWM_0ut选择性地激活使能信号VDD_EN、VSS_EN以及GND_EN。如图9A所示，当PWM输出信号PWM_0ut位于高电平VDD时，只有第一使能信号VDD_ EN激活至“0”，其它使能信号VSS_EN和GND_EN抑制为“0”，以使得输出级140驱动输出 节点NO至第一电源电压VDD。如图9C所示，当PWM输出信号PWM_0ut位于低电平VSS时， 只有第二使能信号VSS_EN激活至“ 1 ”，其它使能信号VSS_EN和GND_EN分别抑制为“ 1 ”和 “0”，以使得输出级140驱动输出节点NO至第二电源电压VSS。如图9B所示，当PWM输出信 号PWM_0ut位于零电平GND时，只有第三使能信号GND_EN激活至“ 1 ”，其它使能信号VDD_ EN和VSS_EN分别抑制为“ 1 ”和“0”，以使得输出级140驱动输出节点NO至第三电源电压 GND。图12是根据本发明构思的另一个示范性实施例的放大器输入信号IM的波形图。 图13A-13H是根据本发明构思的一个示范性实施例的、针对图12所示的放大器输入信号IM 的三电平PWM输出信号PWM_0ut的波形图。如图12所示，放大器输入信号IM在正峰值电 压MAX和负峰值电压MIN之间摆动。对于图12中放大器输入信号IM的八个不同阶段(1)到(8)，P丽输出信号PWM_0ut转换为三个电平VDD、GND和VSS中的一个，如图13A-13H所不。对于在图12中输入信号IM从零电压向正峰值电压MAX增长的阶段(1)，PWM输出 信号PWM_0ut在电平VDD上具有增加的脉宽，如图13A的波形(1)所示。此时，在PWM输出 信号PWM_0ut每个周期可以输出具有VSS电平的最小脉冲。除了具有在VDD电平处增加的 脉宽的脉冲之外，PWM输出信号PWM_0ut以地电平GND输出，从而避免了不必要的静态电流 的发生。当图12中在阶段(2)输入信号IM到达正的峰值电压MAX时，PWM输出电压在电平 VDD处具有最大的脉宽，如图13B的波形(2)所示。当图12中在阶段(3)输入信号IM从 正的峰值电压MAX向零电压下降时，PWM输出信号PWM_0ut在电平VDD上具有减少的脉宽， 如图13C的波形(3)所示。当图12中阶段⑷输入信号IM为“0”时，PWM输出信号PWM_ Out输出最长时间的地电平GND，如图13D的波形⑷所示。如图1和2所示，当输入信号为零，典型的二电平PWM输出信号以占空比50 50 在VDD电平和VSS电平之间切换，而没有地电平GND。结果是，静态电流被消耗最大。相反， 当使用根据本发明构思的一个示范性实施例的三电平PWM放大器时，对于零电压输入几乎 没有任何静态电压消耗。对于图12中输入信号IM从零电平向负峰值电压MIN下降的阶段(5)，P丽输出信 号PWM_0ut在电平VSS上具有增长的脉宽，如图13E的波形(5)所示。此时，除了在VSS电 平具有增加的脉宽的脉冲之外，PWM输出信号PWM_0ut在地电平GND输出，由此避免了不必 要的静态电流的发生。当在图12中在阶段(6)输入信号IM到达负的峰值电压MIN时，PWM输出电压在 电平VSS处具有最大的脉宽，如图13F的波形(6)所示。当在图12中的阶段(7)输入信号 IM从负的峰值电压MIN向零电平上升时，PWM输出信号PWM_0ut在电平VSS处具有减少的 脉宽，如图13G的波形(7)所示。当在图12中在阶段⑶输入信号IM为“0”时，丽输出 信号PWM_0ut输出最长时间的地电平GND，如图13H的波形⑶所示。如上所述，根据本发明构思的示范性实施例，在不需要输出信号分量的时间段期 间，三电平P丽放大器在地电平上输出PWM输出信号，由此显著的遏制静态电流。当使用典 型的二电平PWM放大器时，由于电平VDD和电压VSS之间失配导致的DC偏移会出现突发噪 声(pop-up noise)。当使用一个根据本发明构思的示范性实施例的三电压PWM放大器时， 因为大多数时间输入信号为零，此时PWM输出信号处于地电平，所以电压失配造成的DC偏 移大多都被遏制了。因而，根据本发明构思的示范性实施例的三电压PWM放大器通过减少静态电流来 提高效率，从而减少了系统的功耗并增加了工作时间。因而，本发明为系统设计提供了便利 性和可靠性。本发明构思的示范性实施例可以具体实施在硬件、软件、程序包或其组合中。本发明可以具体实施为计算机可读介质上的计算机可读代码。计算机可读记录 介质是任意可以将数据存储为程序的数据存储装置，这些程序之后可以通过计算机进行 读取。计算机可读记录介质的例子可以包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、 CD-ROM、磁带、软盘以及光学数据存储设备。计算机可读传输介质可以传输载波或信号，例如通过因特网传输有线或无线数据。计算机可读记录介质可以也分布于与计算机耦接的网 络，这样，计算机可读记录介质就可以以分布式进行存储和运行。而且，用于实现本发明的 功能程序、代码和代码段可以容易由本发明构思所属的本领域的普通技术人员来解释。
尽管参照本发明示范性实施例具体示出并描述了本发明构思，但是本领域普通技 术人员将理解的是，在不脱离如所附的权利要求所限定的本发明构思的精神和范围下，可 以在这里在形式和细节上进行各种变化。
权利要求
一种三电平半桥脉宽调制PWM放大器，包括PWM发生器，被配置为根据输入信号的幅度来改变在第一电平或第二电平处的脉宽，并输出具有第一电平、第二电平和参考电平的三电平PWM输出信号；以及输出级，被配置为基于所述三电平PWM输出信号将连接至负载的一端的输出节点驱动至第一电源电压、第二电源电压以及第三电源电压中的一个电压。
2.如权利要求1所述的三电平半桥PWM放大器，其中，所述PWM发生器通过将第一PWM 信号和第二 PWM信号相加来输出三电平PWM输出信号，第一 PWM信号通过根据大于输入信 号的参考电平的、输入信号的第一输入信号的幅度来改变第一电平处的脉宽来获得，第二 PWM信号通过根据小于输入信号的参考电平的、输入信号的第二输入信号的幅度来改变第 二电平处的脉宽来获得。
3.如权利要求2所述的三电平半桥PWM放大器，其中，参考电平是地电平，第一输入信 号是正输入信号，第二输入信号是负输入信号。
4.如权利要求3所述的三电平半桥PWM放大器，其中，所述PWM发生器包括第一比较器，被配置为将正输入信号与第一锯齿波信号进行比较以及产生第一 PWM信 号，其中第一锯齿波信号在第一电平和参考电平之间摆动；第二比较器，被配置为将负输入信号与第二锯齿波信号进行比较以及产生第二 PWM信 号，其中第二锯齿波信号在第二电平和参考电平之间摆动；其中，第二锯齿波信号是比第一锯齿波信号的电平下降一个摆动宽度并与第一锯齿波 信号具有相同的波形的信号。
5.如权利要求4所述的三电平半桥PWM放大器，其中第三电源电压具有地电平，第一电 源电压是比第三电源电压高的正电压，第二电源是比第三电源电压低的负电压。
6.如权利要求1所述的三电平半桥PWM放大器，其中，所述输出级包括 上拉单元，被配置为响应于第一使能信号，驱动输出节点至第一电源电压； 下拉单元，被配置为响应于第二使能信号，驱动输出节点至第二电源电压； 转换单元，被配置为响应于第三使能信号，驱动输出节点至第三电源电压。
7.如权利要求6所述的三电平半桥PWM放大器，其中，所述上拉单元包括连接于输出节 点和第一电源电压之间并且响应于第一使能信号而导通的上拉晶体管；所述下拉单元包括连接于输出节点和第二电源电压之间并且响应于第二使能信号而 导通的下拉晶体管；所述转换单元包括至少一个连接于输出节点和第三电源电压之间并且响应于第三使 能信号而导通的开关。
8.如权利要求1所述的三电平半桥PWM放大器，其中，所述输入信号为Δ-Σ调制信号。
9.如权利要求1所述的三电平半桥PWM放大器，其中，所述负载的另一端接地。
10.一种包括三电平半桥PWM放大器的音频系统，其中，所述三电平半桥PWM放大器包括PWM发生器，被配置为根据输入信号的幅度来改变第一电平或第二电平处的脉宽，并输 出具有第一电平、第二电平和参考电平的三电平PWM输出信号；以及输出级，被配置为基于所述三电平PWM输出信号将连接至负载的一端的输出节点驱动至第一电源电压，第二电源电压以及第三电源电压中的一个电压 。
全文摘要
本发明提出一种三电平半桥PWM放大器，包括PWM发生器和输出级。PWM发生器根据输入信号的幅度来改变第一电平或第二电平处的脉宽并输出具有第一电平、第二电平和参考电平的三电平PWM输出信号。输出级基于三电平PWM输出信号将连接至负载的一端的输出节点驱动至第一电源电压、第二电源电压或第三电源电压。因此，减少了不必要的静态电流消耗，由此提高了效率。
文档编号H03G5/16GK101826846SQ20101017532
公开日2010年9月8日 申请日期2010年3月3日 优先权日2009年3月3日
发明者金奉柱 申请人:三星电子株式会社