[发明专利]数字开关放大器的直流偏置校准

说明书

发明背景

本发明涉及数字开关放大器的操作，更具体地说，本发明提供用于校准数字开关放大器以降低其DC偏置电压的方法和仪器。

图1是数字开关放大器100的简化示意图，该放大器将用于说明本发明针对的DC偏置电压问题。为便于说明，放大器100将被描述为在音频范围(即10Hz到20kHz)中操作。然而可以理解，此处所述的问题和解决方案适用于更广的放大器配置和操作频率范围。

输入音频信号由放大器100接收，并通过噪声整形过抽样反馈环路转换成一比特信号，所述反馈环路包括环路滤波器102、比较器104、先断后合发生器106、功率级驱动器108及功率级110。为便于说明此示例，使用多个不同配置的操作放大器来实现环路滤波器102。一比特信号驱动功率级110，而功率级110又驱动包括电感器112和电容器114的低通滤波器，所述低通滤波器复原音频信号，所述音频信号驱动扬声器116。

放大器100中固有的任何DC偏置由功率级110中的增益放大，并通过扬声器116出现。这带来几个问题。首先，通过普通扬声器相对低的阻抗(例如，4欧姆)的DC偏置电压引起DC电流通过扬声器，而这会损坏扬声器。其次，这样的DC偏置电压可能引起电源泵激(power supply pumping)问题，将电源电压推到可能损坏扬声器和放大器的电平。

象图1中放大器100那样配置的放大器中的DC偏置有两个主要来源：环路滤波器102的操作放大器中的偏置和电阻器失配。操作放大器中的偏置消除可利用诸如斩波器稳定技术或相关二次抽样技术的技术来完成。然而，这些技术未解决由于电阻器失配而产生的偏置。电阻器的激光微调可用来消除此类失配，但此方法需要特殊的处理技术和昂贵的费用。

参照图2的示意图来描述一种降低放大器100中DC偏置电压的方法。此技术利用了以下事实：在数字开关放大器中，所有不同的偏置电压源可由单个输入DC偏置电压来建模，偏置电压的消除有效地消除了各个源的偏置影响。按照图2所示的技术，电位计202与放大器100一起用于生成DC电压，该DC电压消除放大器的输出偏置电压。另外，去耦电容器204用于在此节点消除高频噪声。此技术有很大的缺陷。

也就是，在放大器100是集成电路的情况下，需要集成电路放大器以外的元件(202和204)。此外，由于输出功率电平变化和温度及其它环境条件的改变而引起的DC偏置电压的任何变化均需要电位计202的调节。在采用此类放大器的多数环境下，这两者都不是所希望的。

图3的示意图示出了另一种处理DC偏置电压的方法。按照此方法，有源积分器电路302提供从放大器100的输出端到输入端的反馈路径。任何DC偏置电压由积分器302来集成，由此生成DC电压，该生成的电压被反馈到放大器的输入级以消除涉及输入的DC偏置。尽管此方法相对简单有效，但在其实际实施上有很大的障碍。首先，此技术未消除任何来自积分器302所依据的操作放大器304的偏置影响。因此，任何与操作放大器304相关联的DC偏置最终会在放大器100的输出端出现。

其次，对于特定的实现，可能需要用于实现积分器302的元件相当大。例如，在音频应用中，通过积分器302的反馈路径的转移函数必须具有很低的转角频率，即低于10Hz，以避免对音频信号有明显的影响。这样低的转角频率要求很大的电阻器和电容器值，这使得与放大器100的集成几乎是不可能的。因此，如上所述，一般需要使用外部电路，这不是所期望的解决方案。

因此，最好是开发出更有效的技术，用于处理数字开关放大器中的DC偏置电压。

发明简述

按照本发明，提供一种用于数字开关放大器的DC偏置电压校准技术，该技术参考放大器的输出功率电平来生成DC电压，并将该DC电压注入放大器的输入端，由此消除至少一部分放大器的DC偏置电压。在校准模式中，放大器的DC偏置电压被数字化，并且多个不同输出功率电平的这些偏置数据被存储。操作中，有关放大器输出功率电平的信息被用来检索所示输出功率电平的存储信息，并且数模转换器生成适当的电压以注入放大器的输入端。

根据本发明的一个特定实施例，数字开关放大器的部分用于实现对放大器偏置电压的放大。也就是，因为此类放大器的DC偏置电压范围通常相当小(例如，50mV)，而使偏置电压数字化所需的分辨率相当高(例如，小于50uV)，于是在校准过程中，DC偏置电压由放大器的环路滤波器放大以达到所需的分辨率。