[发明专利]具有D类放大器的音频系统及集成电路芯片

说明书

技术领域

本发明是关于一种音频系统，且特别是有关于一种降低音频系统内来自电子电路的电磁干扰（EMI）的系统。

背景技术

D类音频功率放大器（以下简称D类放大器）（有时是认知为开关放大器）为一电子放大器，其中所有晶体管均以二元开关的形态进行操作，意即这些晶体管操作的方式为全开或全关。D类放大器使用轨对轨（rail-to-rail）输出开关，理想上D类放大器的输出晶体管几乎是带着零电流或零电压。因此，它们有着最低的功率损耗，并且在大范围的功率位准中提供了高效率。D类放大器具有优势的高效率已经促使它们使用在不同音频应用上，例如：手机、平面荧幕电视和家庭戏院接收器。D类音频功率放大器较AB类音频功率放大器更为有效率，且由于它们具有更佳的效率，D类放大器只需较少的电源供给，并免去了散热片，显著地降低了整个系统的成本、尺寸和重量。

D类放大器将音频信号转换为高频脉冲，此高频脉冲依照音频输入信号切换输出。某些D类放大器使用脉冲宽度调变器（PWM），以产生一连串随音频信号振幅而改变宽度的调节脉冲，这些变动宽度的调节脉冲以一固定频率对功率输出晶体管进行切换。其他D类放大器可能依赖其他类型的脉冲调变器。接下来的讨论将主要针对脉冲宽度调变器，但熟习此技艺者将发现D类放大器也可与其他类型的调变器装配使用。

图1是绘示一般D类放大器100的简化示意图。差动音频输入信号（以下简称输入信号）INP和INM分别输入至比较器101和102，且输入信号INP和INM与自一震荡器103产生的三角参考波VREF做比较，以产生脉冲宽度调变（PWM）信号106和107。PWM信号106和107分别耦接晶体管M1、M2、M3和M4的栅极。D类放大器100的差动音频输出信号（以下简称输出信号）OUTM和OUTP分别于同样标明为OUTM和OUTP的输出端所提供。如图1所示，输出信号OUTM和OUTP连接至扬声器负载110，扬声器负载110以电感L1和电阻R1表示。

传统D类放大器具有输出信号（即OUTP和OUTM），其中每个输出信号彼此互补并且具有从接地电压Vss至电源供应电压Vdd的电压摆幅范围。D类放大器的缺点在于开关时所造成的高频切换杂讯，且此高频切换杂讯常造成电磁干扰（EMI）的结果。

一种用来在D类放大器中减低EMI的方法被叙述在IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS,VOL.44,NO.12,DECEMBER2009,pp.3264-3271，标题名为“A20W/Channel Class-D Amplifier With Near-Zero Common-Mode Radiated Emissions”的论文里，作者为P.Siniscalchi以及R.Hester，此篇论文的内容在此作为参考。另一种用来在D类放大器中减低EMI的方法则描述在美国专利公告号U.S.7,3555,473的专利中，作者为Wu，标题名为“Filterless class D power amplifier”，此专利的内容也在此作为参考。

图2是绘示图1所示D类放大器100中信号调变的波形示意图。如图2所示，差动音频输入信号（如：输入信号INM和INP）是通过上述图1中的两比较器101和102与三角参考波VREF作比较。比较器101和102输出的PWM信号106和107为固定频率的脉冲信号，其脉冲宽度与输入信号INM和INP成正比。图2中另绘示了二个输出信号OUTP和OUTM。

无滤波器的D类音频放大器（如图1所示的D类放大器100）是使用通常称为BD调变的调变方式，在此调变方式中输出驱动器以桥接方式联结负载组配，将负载的正极和负极分别转换至：1)Vdd和GND；2)GND和Vdd；3)Vdd和Vdd；4)GND和GND，其中Vdd是电源供应电压，而GND是接地电压。如此一来，横跨负载的差动电压会具有三种位准：1)Vdd；2)-Vdd；3)0。对于零位准的音频输出电压而言，跨越负载的差动电压明显为零，使得无滤波器的操作得以透过一电感性扬声器负载实现。

然而，即使横跨负载的差动电压保持趋近于零，两输出端仍在电源供应电压Vdd与接地电压GND间同时切换，而这会在输出端上造成大的共模输出摆幅，如图2的共模信号VCM所示。当长导线或印刷电路板（PCB）的走线与D类放大器输出端连接时，它们的作用相当于天线，用以传输D类放大器的基频和谐频。如此一来，共模信号VCM可能会导致电磁干扰（EMI），而不符合FCC和欧洲标准所规范的EMI标准。