圖1示出了有時被稱為∑-Δ放大器或開關(guān)模式放大器的脈沖寬度調(diào)制(PWM)D類放大器100的一個實施例的基本布置。輸出級101包括串聯(lián)連接在兩個電源之間的至少兩個開關(guān)，所述兩個電源可以是例如單極性電源電壓Vdd和接地(GND)或可以是雙極性正電源電壓和負(fù)電源電壓。

兩個串聯(lián)開關(guān)的公共節(jié)點處的輸出節(jié)點在電源之間切換以提供軌到軌(rail-to-rail)方波輸出，且占空比被控制以提供期望的輸出電壓。在一些實施方案中，輸出級可以被連接到無源無功平滑濾波器102以提供輸出信號V_OUT的低通濾波到負(fù)載103。然而，在一些實施方案中，依賴于負(fù)載103自身中的固有濾波，濾波器配置102可以被省略并且負(fù)載103直接連接到輸出級。

輸出級101由調(diào)制器104控制，該調(diào)制器104接收待被放大的輸入信號S_IN并且導(dǎo)出用于以適當(dāng)?shù)拈_關(guān)循環(huán)切換輸出級101的控制信號。在PWM放大器中，輸出電壓可以被反饋并且與輸入信號S_IN比較/組合以導(dǎo)出誤差信號。此誤差信號被傳遞通過環(huán)路濾波器106并且然后通常通過比較器105與參考波形進(jìn)行比較，以控制輸出級的占空比。通常，參考波形是重復(fù)的斜坡波形，諸如，三角形波形或鋸齒型波形。為了提供參考波形，波形發(fā)生器107可以接收限定斜坡周期的開關(guān)頻率f_SW的時鐘信號F_IN。此時鐘信號F_IN也可以被用來重置比較器106。在這樣的布置中，開關(guān)頻率f_SW限定輸出級101的總開關(guān)循環(huán)頻率。

這樣的D類放大器可以是理想地100％有效的，因為輸出是軌到軌的并且濾波器102(如果存在)僅包含無功部件。然而，實際上，將存在功率損耗，例如，由于控制電路系統(tǒng)的功率消耗、與開關(guān)元件的非零電阻相關(guān)聯(lián)的歐姆(I²R)損耗以及在驅(qū)動開關(guān)器件的控制節(jié)點時消耗 的功率。當(dāng)兩個開關(guān)都斷開并且再循環(huán)感應(yīng)電流流動通過與具有二極管壓降損耗的開關(guān)相關(guān)聯(lián)的體二極管時，還可能存在由于實際開關(guān)的接通時間中的任何重疊而允許貫通電流或欠重疊(即，過多的死區(qū)時間)引起的損耗。

當(dāng)然將理解，圖1僅例示了相當(dāng)簡單的布置的一個實施例，并且存在其他更復(fù)雜的布置，然而描述的基本原理通常適用于D類型放大器。

將期望的是，尤其對于電池供電設(shè)備(諸如，便攜式電子設(shè)備)中使用的D類放大器，在可能的情況下減少功率損耗。

因此，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于放大輸入信號的D類放大器電路，包括：

一個輸出級，包括至少第一開關(guān)和第二開關(guān)；

一個調(diào)制器，包括一個用于接收該輸入信號的信號輸入和一個用于接收第一時鐘信號的時鐘輸入，該調(diào)制器被配置成基于該輸入信號來控制一個開關(guān)循環(huán)內(nèi)所述第一開關(guān)和第二開關(guān)的占空比，其中該開關(guān)循環(huán)具有基于該第一時鐘信號的開關(guān)頻率；以及

一個頻率控制器，用于響應(yīng)于該輸入信號的幅度的指示來控制該第一時鐘信號的頻率，以便在第一輸入信號幅度下提供第一開關(guān)頻率且在較低的第二輸入信號幅度下提供較低的第二開關(guān)頻率。

該頻率控制器可以包括一個用于將信號幅度的指示與至少一個閾值比較的比較器，且該頻率控制器可以被配置成基于所述比較來控制時鐘信號的頻率。該頻率控制器可以被配置成如果信號幅度的指示在第一閾值以上則提供第一開關(guān)頻率，且如果信號幅度的指示在第一閾值以下則提供第二開關(guān)頻率。該第一閾值可以例如對應(yīng)于一個大體上靜止的(quiescent)輸入信號幅度或?qū)?yīng)于一個在最大信號幅度的設(shè)定范圍(比如說5％-25％)內(nèi)的信號輸入幅度。在一些實施方案中，該比較器可以被配置成將信號幅度的指示與多個不同的閾值比較，其中每個閾值對應(yīng)于一個不同的開關(guān)頻率。

輸入信號的幅度的指示可以是用于輸入信號的包絡(luò)值，并且放大器電路可以包括一個用于監(jiān)控輸入信號并且導(dǎo)出所述包絡(luò)值的包絡(luò)檢測器。在一些實施方案中，輸入信號的幅度的指示可以是接收的音量控制 信號。

在一些實施方案中，輸入信號的幅度的指示可以從所述比較器的輸出導(dǎo)出。該電路可以包括一個用于確定從比較器輸出的脈沖的脈沖寬度或占空比的脈沖寬度監(jiān)控器，其中脈沖寬度或占空比提供輸入信號的幅度的所述指示。該脈沖寬度監(jiān)控器可以包括一個通過第二時鐘信號計時的計數(shù)器，其中與所述第一時鐘信號相比，該第二時鐘信號具有更大的頻率。

輸入信號的幅度的指示可以附加地或替代地從所述調(diào)制器輸出的、用于控制輸出級的開關(guān)的控制信號導(dǎo)出或從輸出級的一個輸出導(dǎo)出。

該第二開關(guān)頻率可以大體上是該第一開關(guān)頻率的頻率的一半。

該頻率控制器可以包括一個用于接收一個輸入時鐘信號并且由該輸入時鐘信號生成至少一個附加的時鐘信號的時鐘發(fā)生器。該時鐘發(fā)生器可以包括一個用于由該輸入時鐘信號生成附加的時鐘信號的分頻器或倍頻器。輸入時鐘信號可以被用作第一開關(guān)頻率或第二開關(guān)頻率之一的時鐘信號。該時鐘發(fā)生器可以包括一個多路復(fù)用器，該多路復(fù)用器被配置成在第一輸入處接收第一開關(guān)頻率的時鐘信號且在第二輸入處接收第二開關(guān)頻率的時鐘信號，其中基于輸入信號的幅度的指示使該多路復(fù)用器的輸出在所述輸入之間切換。該多路復(fù)用器可以被控制，以使得該多路復(fù)用器的輸出在所述輸入之間的任何切換被定時，以便被大體上同步到第一時鐘信號和第二時鐘信號二者的一個時鐘邊沿。

該調(diào)制器可以包括一個參考波形發(fā)生器，該參考波形發(fā)生器用于生成基于第一時鐘信號的頻率的斜坡參考波形。該頻率控制器可以被配置成使得開關(guān)頻率的任何變化被大體上同步到參考電壓波形的斜坡的頂部或底部。該參考波形發(fā)生器可以被配置成使得參考波形的幅度在第一開關(guān)頻率和第二開關(guān)頻率下大體上相同。該時鐘發(fā)生器因此可以被配置成生成一個指示所述開關(guān)頻率的任何改變的增益控制信號，并且該參考波形發(fā)生器可以被配置成接收該增益控制信號，并且基于該增益控制信號來調(diào)整斜坡波形的斜率以補償開關(guān)頻率的任何變化。在一些實施方案中，該參考波形發(fā)生器可以包括一個連接到至少第一電流導(dǎo)引支路和第二電流導(dǎo)引支路的積分器電路，每個電流導(dǎo)引支路包括用于基于第一時鐘信號生成充電電流或放電電流的至少一個電流源。在一些實施方案 中，可以基于增益控制信號啟用或禁用第二電流導(dǎo)引分支。附加地或替代地，至少一個電流源可以是基于增益控制信號可編程的。在一些實施方案中，該參考波形發(fā)生器可以包括一個積分器電路，該積分器電路包括一個運算放大器和第一反饋電容器，其中基于所述增益控制信號，至少一個附加的反饋電容器可以選擇性地與第一反饋電容器并聯(lián)連接。

該頻率控制器可以被配置成在一個時間周期內(nèi)實施從第一開關(guān)頻率到第二開關(guān)頻率或從第二開頻率到第一開關(guān)頻率的轉(zhuǎn)變。可以通過開關(guān)頻率的改變的一系列步驟實施該轉(zhuǎn)變和/或?qū)τ谥辽俨糠衷撧D(zhuǎn)變，該頻率控制器可以被配置成在該轉(zhuǎn)變開始和結(jié)束時應(yīng)用平緩的開關(guān)頻率改變速率且在轉(zhuǎn)變的中間應(yīng)用增加的改變速率。該轉(zhuǎn)變可以具有開關(guān)頻率隨時間的正弦改變速率。該頻率控制器因此可以包括一個頻率調(diào)制器，用于可控制地使第一時鐘信號在多個預(yù)定的開關(guān)頻率之間變化，其中該調(diào)制器控制在預(yù)定的開關(guān)頻率之間的改變，以接近在所述第一和第二開關(guān)頻率之間的開關(guān)頻率的平滑轉(zhuǎn)變。該頻率調(diào)制器可以包括一個∑-Δ調(diào)制器。開關(guān)頻率轉(zhuǎn)變的時間周期可以是在0.1-0.5ms之間，包括端值。

D類放大器電路可以被實施為集成電路和/或可以形成驅(qū)動電路的部分。該驅(qū)動電路可以被安排成驅(qū)動以下至少一個：音頻換能器、觸覺換能器、超聲換能器或機電致動器或馬達(dá)。如所描述的放大器電路可以被實施在電子設(shè)備中，該電子設(shè)備可以是以下至少一個：便攜式設(shè)備、電池供電設(shè)備、移動通信設(shè)備、計算設(shè)備、游戲設(shè)備、音頻設(shè)備或超聲設(shè)備。

在本發(fā)明的另一個方面，提供了一種放大D類放大器中的輸入信號的方法，該方法包括：

接收該輸入信號和第一時鐘信號；

基于該輸入信號控制一個開關(guān)循環(huán)內(nèi)的一個輸出級的至少第一開關(guān)和第二開關(guān)的占空比，其中該開關(guān)循環(huán)具有基于該第一時鐘信號的開關(guān)頻率；以及

接收該輸入信號的幅度的指示；以及

響應(yīng)于該輸入信號的幅度的指示來改變該第一時鐘信號的頻率，以便在第一輸入信號幅度下提供第一開關(guān)頻率且在較低的第二輸入信號 幅度下提供較低的第二開關(guān)頻率。

本發(fā)明的此方面的方法提供了所有相同的優(yōu)點并且可以與上文關(guān)于本發(fā)明的第一方面所討論的所有變體一起使用。

大體上，本發(fā)明的實施方案提供了一種用于放大信號的D類放大器電路，該電路包括：一個輸出級；以及一個頻率控制器，用于響應(yīng)于該信號的幅度的指示來控制該輸出級的開關(guān)頻率，以便在第一信號幅度下提供第一開關(guān)頻率且在較低的第二信號幅度下提供較低的第二開關(guān)頻率。

還提供了一種D類放大器電路，包括：一個輸出級；以及一個控制器，用于控制該輸出級的開關(guān)以放大輸信入號，其中該控制器被配置成在第一輸入信號幅度下用第一開關(guān)頻率切換輸出級且在較低的第二輸入信號幅度下用較低的第二開關(guān)頻率切換輸出級。

在另一個方面，存在一種D類放大器電路，包括：一個輸出級；以及一個控制器，用于控制所述輸出級的開關(guān)以放大輸入信號，其中所述控制器被配置成對于低幅度輸入信號減少該輸出級的開關(guān)頻率。

在另一個方面，提供了一種用于放大音頻信號的D類放大器電路，包括：一個輸出級，包括至少第一開關(guān)和第二開關(guān)；一個調(diào)制器，包括一個用于接收該音頻信號的信號輸入和一個用于接收第一時鐘信號的時鐘輸入，該調(diào)制器被配置成基于所述音頻信號和一個循環(huán)參考波形控制所述第一開關(guān)和第二開關(guān)的占空比，其中該循環(huán)參考波形的頻率取決于該第一時鐘信號；以及一個頻率控制器，用于響應(yīng)于該音頻信號的幅度的指示控制該第一時鐘信號的頻率，以便在第一音頻信號幅度下提供第一頻率且在較低的第二音頻信號幅度下提供較低的第二頻率。

在又一個方面，提供了一種用于放大音頻信號的D類放大器電路，包括：一個輸出級，包括至少第一開關(guān)和第二開關(guān)；一個調(diào)制器，包括一個用于接收該音頻信號的信號輸入和一個用于接收第一時鐘頻率的第一時鐘信號的時鐘輸入，該調(diào)制器被配置成生成一個依賴于該第一時鐘頻率的頻率的循環(huán)參考波形，并且基于所述音頻信號和該循環(huán)參考波形來控制所述循環(huán)參考波形的每個循環(huán)中所述第一開關(guān)和第二開關(guān)的占空比；以及一個頻率控制器，用于響應(yīng)于音頻信號的幅度的指示來控制所述第一時鐘信號的頻率，以便在第一音頻信號幅度下提供第一開關(guān) 頻率且在較低的第二音頻信號幅度下提供較低的第二開關(guān)頻率。

現(xiàn)將參考附圖僅以實施例的方式描述本發(fā)明，在附圖中：

圖1例示了基本的D類放大器；

圖2例示了圖1的D類放大器的開環(huán)增益與頻率響應(yīng)的關(guān)系；

圖3例示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的D類放大器電路；

圖4例示了頻率控制器的一個實施方案；

圖5例示了時鐘發(fā)生器的一個實施方案；

圖6例示了波形發(fā)生器的一個實施方案；

圖7例示了例示可以如何應(yīng)用開關(guān)頻率的改變的電壓波形發(fā)生器的輸出；

圖8a和圖8b例示了由開關(guān)頻率的改變導(dǎo)致的仿真電壓瞬變；

圖9a和圖9b例示了在一個時間段內(nèi)由開關(guān)頻率的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的仿真電壓瞬變，且圖9c例示了作為轉(zhuǎn)換周期的函數(shù)的結(jié)果噪聲；

圖10例示了波形發(fā)生器的另一個實施方案；

圖11例示了包括一個用于實施開關(guān)頻率的改變的∑-Δ調(diào)制器的本發(fā)明的一個實施方案；

圖12例示了圖11的∑-Δ調(diào)制器的輸出開關(guān)頻率如何變化；

圖13a和圖13b例示了相對于諸如圖12中示出的實施方案實施的頻率轉(zhuǎn)換的時期，分別具有不同∑-Δ量化等級的瞬態(tài)噪聲；

圖14例示了環(huán)路濾波器的一個實施方案；

圖15例示了具有參考波形發(fā)生器和環(huán)路濾波器的組合的用于驅(qū)動輸出級的調(diào)制器的一個實施方案；

圖16例示了D類放大器電路的另一個實施方案；以及

圖17a和圖17b例示了具有全橋輸出級的D類放大器電路的兩個實施方案。

如上文所描述的，圖1例示了D類放大器的基本原理。這樣的放大器與A類放大器或AB類放大器相比可以是相對功率有效的，但是實際的D類放大器仍具有如果可能會期望減少的功率損耗。

對于音頻應(yīng)用，已經(jīng)理解，音頻波形傾向于具有高波峰因子，即， 峰值信號電平與平均均方根信號電平的比率。另外，很少在最大功率(即，音量)設(shè)定下使用音頻放大器。因此，對于音頻應(yīng)用，D類放大器在低至中等輸出功率電平下的功率消耗在確定使用中的放大器的平均總功率消耗方面是重要的。

對在這樣的低輸出功率電平下的功率消耗的主要貢獻(xiàn)之一通常是驅(qū)動輸出級的開關(guān)中的功率消耗，例如，與通過電壓V驅(qū)動MOSFET開關(guān)的柵極電容C相關(guān)聯(lián)的充電(“CV²”)損耗。每次開關(guān)循環(huán)發(fā)生這些功率損耗，因此與開關(guān)頻率(f)有關(guān)，即，損耗與fCV²成比例。與較高的開關(guān)頻率相比，較低的開關(guān)頻率因此將導(dǎo)致較低的開關(guān)損耗。此外，其他功率損耗也可能與開關(guān)頻率有關(guān)，例如，由于貫通電流導(dǎo)致的任何損耗可以在每次開關(guān)循環(huán)發(fā)生，因此在較低的開關(guān)頻率下可以是較低的。因此，使用相對低的開關(guān)頻率可以是有益的。然而，最小開關(guān)頻率由性能考慮和穩(wěn)定性考慮確定。

理論上，可以以開環(huán)配置實施D類放大器，其中導(dǎo)出與輸入信號值而不是誤差信號成比例的脈沖寬度。然而，具有非理想開關(guān)電阻、電荷注入等的實際部件的使用可能導(dǎo)致引起輸出信號中的失真的傳遞函數(shù)中的誤差。負(fù)反饋環(huán)路通過等于相關(guān)頻率下的開環(huán)增益的因子來抑制這些失真分量。

總開環(huán)增益A_OL取決于多個因子，諸如，環(huán)路濾波器響應(yīng)、從環(huán)路濾波器輸出到在比較器105的輸出處出現(xiàn)的脈沖的占空比(其取決于參考波形斜坡速率)的轉(zhuǎn)換因子、從占空比到輸出級處的輸出電壓(其取決于輸出級供電電壓)的轉(zhuǎn)換以及可能地反饋路徑中或加法器中的任何增益或衰減(未例示)。環(huán)路的頻率響應(yīng)的形狀可能主要由環(huán)路濾波器限定。環(huán)路濾波器將具有通常提供隨著信號頻率增加而減少的開環(huán)增益的頻率響應(yīng)。例如，簡單的一階環(huán)路濾波器可以提供20dB每十倍頻的量級的增益滾降。

圖2例示了開環(huán)增益A_OL與頻率特性的關(guān)系的一個實施例并且例示了(用實線)20dB每十倍頻的增益滾降。如果在給定的聲學(xué)頻率f_au(例如，3kHz，即衰減1kHz信號的三次諧波)下需要某一水平的開環(huán)增益A_OL,au，則此需要的開環(huán)增益將限定滾降曲線圖在頻率軸上的截距的點f_u。此頻率f_u對應(yīng)于單位增益頻率。為了避免在使用中的不穩(wěn)定性，在 整個信號條件范圍內(nèi)，放大器的開關(guān)頻率f_SW應(yīng)是此值的至少π倍。例如，考慮到需要的f_u的值是例如100kHz：在此情況下，開關(guān)頻率f_SW可以被設(shè)定為至少320kHz且可以是例如384kHz，其是48kHz的標(biāo)準(zhǔn)音頻采樣速率的整數(shù)倍。

通常，環(huán)路濾波器響應(yīng)可以更復(fù)雜并且可以例如包括一個具有40db每十倍頻的二階斜率的區(qū)域，如由虛線例示的。這可以在較低的頻率下提供增加的環(huán)路增益，且因此可以潛在地允許f_u的較低值，但是穩(wěn)定性考慮需要此區(qū)域結(jié)束于低于f_u至少一個倍頻程左右的拐角頻率fc處。

因此，按照慣例，存在對于這樣的D類放大器的開關(guān)頻率將考慮的最小值以保證穩(wěn)定性，因此fCV²損耗的最小值可以低至多少。

然而，在本發(fā)明的實施方案中，可以基于輸入信號幅度的指示使開關(guān)頻率變化，其中在低信號幅度下減少開關(guān)頻率以減少功率損耗。

圖3例示了本發(fā)明的一個實施方案的一個實施例。與上文參考圖1所描述的那些部件類似的部件由相同的參考數(shù)字標(biāo)識。然而，在此實施方案中，PWM調(diào)制器104被供應(yīng)有具有頻率f_SW的第一時鐘信號，頻率f_SW是基于被放大的信號的幅度的指示(即，輸入信號的幅度的指示，例如，輸入信號的真實的或期望的幅度/包絡(luò)電平或輸出信號的幅度的指示)可變的。

第一時鐘信號可以由頻率控制器301供應(yīng)，該頻率控制器301響應(yīng)于輸入信號S_IN的特性來控制開關(guān)頻率f_SW，以便在第一輸入信號幅度下提供第一開關(guān)頻率且在較低的第二輸入信號幅度下提供較低的第二開關(guān)頻率。第一時鐘信號被傳遞到波形發(fā)生器302以生成需要的參考波形，例如，三角形波形。圖3中的波形發(fā)生器302與圖1中的波形發(fā)生器107的不同之處在于，波形發(fā)生器302被配置成能夠在使用期間實時地可操作地響應(yīng)于第一時鐘頻率F_IN中的改變。頻率控制器301操作使得在相對高的輸入信號幅度下，開關(guān)頻率f_SW是相對高的，但是對于至少一些相對低的信號幅度，開關(guān)頻率f_SW被減少以使得在低信號幅度下功率損耗被減少。

本發(fā)明人已經(jīng)理解到，D類放大器的開關(guān)頻率f_SW是環(huán)路濾波器的單位增益頻率f_u的至少π倍的約束通常由經(jīng)濾波的誤差信號的轉(zhuǎn)換速率 (slew rate)不超過參考波形的斜坡斜率的要求引起。也已經(jīng)意識到，相比于輸入信號具有大幅度時，當(dāng)輸入信號具有小幅度時經(jīng)濾波的誤差信號更小。因此，經(jīng)濾波的誤差信號的最大轉(zhuǎn)換速率被減少，且因此對于低的信號幅度，可以容忍參考波形的減少的斜率。因此已經(jīng)意識到，在較低的輸入信號幅度下可以減少開關(guān)頻率，同時仍然維持環(huán)路穩(wěn)定性。

對于減少到零的信號幅度(即，不具有輸入信號的靜止信號條件)，環(huán)路穩(wěn)定性的條件下降到開關(guān)頻率是單位增益頻率的至少π/2倍的要求。

因此，在一些實施方案中，相對于對于大輸入信號幅度的開關(guān)頻率，對于小輸入信號幅度的開關(guān)頻率可以至少減少到1/2以上。例如在音頻音軌中安靜的時刻期間，這因此可以將與開關(guān)相關(guān)聯(lián)的功率損耗減少到1/2以上。在一些實施方案中，當(dāng)對于最大幅度信號的開關(guān)頻率大于必需的π.f_u時，可能的是，對于最低幅度輸入信號，將這樣的開關(guān)頻率減少1/2以下。

然而，應(yīng)注意到，尤其對于不包括濾波器102的D類放大器電路，可能存在一個附加約束：開關(guān)頻率應(yīng)使得輸出方波的頻譜(其以f_SW為中心)應(yīng)落入負(fù)載阻抗的電感部分——這是為了避免流動通過負(fù)載的電阻部件的電流的高頻率方波，所述高頻率方波將引起功率耗散且抵消任何開關(guān)功率效率節(jié)約。開關(guān)頻率f_SW因此應(yīng)被維持遠(yuǎn)高于電阻/電感拐角頻率。對于一個示例負(fù)載(例如，8歐姆電阻，40μΗ電感)，拐角頻率是大約30kHz。用于典型的D類放大器的正常開關(guān)頻率通常具有384kHz的量級，因此這不是重要的約束。

如所提到的，頻率控制器301基于真實的或預(yù)期的輸入信號幅度的指示來可控制地使開關(guān)頻率變化。換句話說，頻率控制器響應(yīng)于與輸入信號幅度有關(guān)的參數(shù)。如圖3中例示的，頻率控制器可以被安排為監(jiān)控與輸入信號有關(guān)的特性并且確定該輸入信號的包絡(luò)或幅度。附加地，或替代地，頻率控制器301可以被安排為接收音量控制信號Vol。音量控制信號Vol可以被直接用作預(yù)期的(最大的)輸入信號幅度的指示，或被用來修改在應(yīng)用任何音量控制的增益之前使用輸入信號所確定的包絡(luò)值。在一些實施方案中，頻率控制器301可以接收如通過某個上游電 路系統(tǒng)(未例示)確定的預(yù)期的輸入信號幅度的指示。例如，上游mp3解碼器可能已經(jīng)計算或提取了輸入信號的包絡(luò)的幅度的指示。另外，主機設(shè)備(諸如，移動電話)可以例如知道輸出是被連接到了線性電平(line-level)負(fù)載，或是被連接到揚聲器，或被連接到具有較小的可允許信號電平的更敏感的低阻抗耳機負(fù)載。

圖4例示了圖3的頻率控制器301的一個實施方案。在此實施方案中，輸入信號S_IN的一個型式被提應(yīng)至包絡(luò)檢測器401。包絡(luò)檢測器401可以是用于確定輸入信號的包絡(luò)的任何常規(guī)包絡(luò)/峰值檢測器。輸入信號的確定的包絡(luò)值被輸出到比較器402，在比較器402處所述確定的包絡(luò)值與至少第一閾值V_Th比較。比較器402的輸出被用來控制時鐘發(fā)生器403。

在一個實施方案中，頻率控制電路系統(tǒng)301被配置成使得在第一閾值V_Th以上的輸入信號幅度引起第一開關(guān)頻率f_SW1，所述第一開關(guān)頻率f_SW1足以在輸入信號幅度的整個預(yù)期操作范圍內(nèi)確保環(huán)路穩(wěn)定性。第一開關(guān)頻率f_SW1可以被設(shè)定為滿足它大于或等于π.f_u的準(zhǔn)則，其中f_u是環(huán)路濾波器的單位增益頻率。在一些實施方案中，第一開關(guān)頻率f_SW1可以被設(shè)定為相對接近于π.f_u的值，以在較高幅度信號下使開關(guān)損耗最小化。然而，在一些實施方案中，可以基于其他現(xiàn)有系統(tǒng)時鐘而將第一開關(guān)頻率f_SW1設(shè)定為一個方便的值。

如果輸入信號S_IN幅度在第一閾值V_Th以下，則可以使用較低的第二開關(guān)頻率f_SW2。第一閾值V_Th可以被設(shè)定以便對應(yīng)于非常低的輸入信號電平，例如大體上對應(yīng)于靜默。換句話說，頻率控制器301可以被安排成對于大體上靜態(tài)的輸入信號幅度使用較低的第二開關(guān)頻率f_SW2，但是對于在大體上靜止的電平以上的任何輸入信號電平使用較快的第一開關(guān)頻率f_SW1。在此情況下，較慢的第二開關(guān)頻率f_SW2可以具有第一開關(guān)頻率f_SW1的大約一半的量級。然而，在其他實施方案中，第一閾值V_Th可以是最大的預(yù)期的輸入信號幅度的給定份數(shù)，例如，該閾值可以被設(shè)定在預(yù)期的最大輸入信號幅度的例如10％或20％或任何期望的份數(shù)的水平，例如，該閾值可以被設(shè)定在最大信號幅度的5％-25％的范圍內(nèi)。因此，第一開關(guān)頻率f_SW1將被用于較高幅度輸入信號電平，且第二開關(guān)頻率f_SW2將被用于較低輸入信號幅度。

在一些實施方案中，存在與多個不同的開關(guān)頻率相關(guān)聯(lián)或?qū)?yīng)的多個閾值，使得如果輸入信號幅度從最大電平下降，則可以在多個步驟中減少開關(guān)頻率。在一些實施方案中，在信號幅度至少在信號幅度的第一范圍內(nèi)的情況下，可以以大體上連續(xù)的方式使開關(guān)頻率變化。

有利地，包絡(luò)檢測器401具有相對快的上升時間常數(shù)(attack time constant)，以便對輸入信號幅度中的任何增加快速作出反應(yīng)，以將開關(guān)頻率增加到對于新的輸入信號幅度合適的電平。然而，將理解到，經(jīng)濾波的誤差信號將花費一些時間來對信號幅度中的任何增加作出反應(yīng)。包絡(luò)檢測器可以具有相對較慢的衰減時間常數(shù)，以便延遲對信號幅度中的任何減小的響應(yīng)，以避免開關(guān)頻率的頻繁改變。如稍后將更詳細(xì)解釋的，改變開關(guān)頻率可以潛在地引起信號偽像，所述信號偽像隨后可以引起音頻應(yīng)用中的音頻偽像，且因此可能有利的是，避免在給定的時間段內(nèi)開關(guān)頻率中的太多改變。包絡(luò)檢測器401因此可以實施一個保持周期，其中電流包絡(luò)值在被減少之前被維持該保持周期，以延遲開關(guān)頻率中的任何改變。

時鐘發(fā)生器403接收比較器402的輸出并且生成具有適當(dāng)開關(guān)頻率f_SW的時鐘信號。時鐘發(fā)生器403可以接收輸入時鐘信號F_IN，該輸入時鐘信號F_IN可以是從芯片外接收的或該輸入時鐘信號F_IN可以是從芯片上振蕩器生成的，在任一情況下可能通過芯片上分頻器。

圖5例示了用于以第一開關(guān)頻率f_SW1或較低的第二開關(guān)頻率f_SW2生成時鐘信號的時鐘發(fā)生器電路403的一個實施例。時鐘發(fā)生器403接收輸入時鐘信號F_IN并且生成至少一個附加的時鐘信號。在此實施方案中，輸入時鐘信號F_IN被傳遞到分頻器501并且被傳遞到多路復(fù)用器502的一個輸入。分頻器501的輸出被提供至多路復(fù)用器502的另一個輸入。多路復(fù)用器502的輸出是開關(guān)頻率時鐘信號f_SW。因此，在此實施方案中，第一開關(guān)頻率f_SW1等于輸入時鐘信號F_IN的頻率，并且第二開關(guān)頻率是如通過分頻器確定的較低頻率。分頻器501可以將輸入頻率除以因子2，使得第二開關(guān)頻率是第一開關(guān)頻率的頻率的一半，即，f_SW2＝f_SW1/2。然而，將理解到，在其他實施方案中，輸入時鐘信號可以被用來驅(qū)動倍頻器，其中倍增的頻率被提供作為多路復(fù)用器502的一個輸入作為第一開關(guān)頻率，和/或不同比率的分頻器和/或倍頻器可以被用來提供第一開 關(guān)頻率和第二開關(guān)頻率之間的不同比率。其他開關(guān)頻率也可以被生成并且被提供作為多路復(fù)用器的輸入以被選擇作為輸出開關(guān)頻率。

多路復(fù)用器輸出由頻率改變信號(例如，比較器402的輸出)控制。因此，當(dāng)輸入信號包絡(luò)在第一閾值以上時，多路復(fù)用器輸出是第一開關(guān)頻率，并且當(dāng)輸入信號包絡(luò)在第一閾值以下時，多路復(fù)用器輸出是第二開關(guān)頻率。

以此方式使用分頻器或倍頻器確保了第一時鐘信號和第二時鐘信號是同步的。有利地，頻率中的任何改變被同步到較低的頻率信號(例如，在分頻器情況下是第二開關(guān)頻率時鐘信號)的邊沿，因為這確保了該改變將被同步到兩個時鐘信號中的時鐘邊沿。這可以確保頻率改變出現(xiàn)在參考波形的最大值或最小值處，這可以是有益的，如下文將更詳細(xì)解釋的。因此，分頻器的輸出可以是邊沿檢測器503的輸入，該邊沿檢測器檢測時鐘脈沖的邊沿，例如，上升沿(或替代地下降沿)。邊沿檢測器503的輸出被用來將多路復(fù)用器502的輸出中的任何改變的時刻同步到較低的頻率信號的時鐘邊沿。因此，在一個實施方案中，邊沿檢測器503的輸出以及頻率改變信號可以是邏輯504的輸入。在一個實施例中，邏輯504可以例如是D型觸發(fā)器(flip-flop)，其中分頻器503的輸出為該觸發(fā)器提供時鐘并且頻率改變信號提供數(shù)據(jù)輸入。

開關(guān)頻率時鐘信號然后被提供至波形發(fā)生器302以生成參考波形。該波形發(fā)生器可以包括一個積分器電路，該積分器電路被連接到電流源，以在時鐘循環(huán)的正部分期間充電并且在時鐘循環(huán)的負(fù)部分期間放電。這導(dǎo)致具有恒定上斜率和下斜率的三角形波形和由時鐘信號限定的總循環(huán)周期。

然而，將理解到，如果這樣的波形發(fā)生器與可變頻率時鐘信號一起使用，參考波形的幅度也將變化?；旧?，在恒定斜坡斜率的情況下，如果時鐘循環(huán)的正半周期被加倍，則斜坡偏移(excursion)也將加倍。理想地，參考波形的幅度應(yīng)在開關(guān)頻率中的任何改變之前和之后大體上相同，否則參考波形的幅度中的改變將引起從環(huán)路濾波器輸出到占空比的轉(zhuǎn)換因子中的改變(即，開環(huán)增益中的改變)，這將引起輸出信號中的瞬變直到環(huán)路恢復(fù)以給出必然在改變后給出類似的輸出占空比的不同的環(huán)路濾波器輸出電壓為止。

圖6例示了可以對開關(guān)頻率中的改變維持恒定幅度參考波形輸出的波形發(fā)生器302的一個實施方案。該波形發(fā)生器包括由運算放大器601和反饋電容器602形成的積分器電路。電流源603通過開關(guān)604連接到積分器電路的輸入節(jié)點，以提供充電電流或放電電流，以便分別生成正斜坡斜率或負(fù)斜坡斜率。在圖6中例示的波形發(fā)生器中，存在兩個電流導(dǎo)引支路。第一支路由電流控制器605a控制并且第二支路由電流控制器605b控制。電流控制器605a和605b接收開關(guān)頻率時鐘信號并且響應(yīng)于控制信號來控制開關(guān)603。然而，第二電流控制器可以根據(jù)開關(guān)頻率而被啟用或被禁用。

因此，當(dāng)使用較高的第一開關(guān)頻率f_SW1時，電流控制器605b被啟用，因此積分器電路的輸入節(jié)點處的電流是來自兩個支路的電流的總和，導(dǎo)致給定的斜坡斜率。然而，當(dāng)使用較低的第二開關(guān)頻率f_SW2時，第二支路電流控制器605b被禁用使得僅第一支路操作。因此，積分器的輸入節(jié)點處的電流僅是由于第一支路引起的，并且與當(dāng)兩個支路都被啟用時的電流相比被減少，導(dǎo)致減少的斜坡斜率。各個支路的電流源的相對貢獻(xiàn)可以關(guān)于第一開關(guān)頻率和第二開關(guān)頻率的比率而被選擇。例如，當(dāng)?shù)诙_關(guān)頻率是第一開關(guān)頻率的頻率的一半時，第一支路和第二支路的電流源可以生成大體上相等的電流，因此當(dāng)兩個支路都被啟用時的電流是當(dāng)僅第一支路被啟用時生成的電流的兩倍。

當(dāng)然將該理解到，如果存在不止兩個可能的開關(guān)頻率，則可以存在更多的能夠被啟用或被禁用的電流源，以給出更寬范圍的可能增益；和/或可以存在可編程的電流源，可以被用來針對給定的開關(guān)頻率提供期望的電流輸出，以便提供更大范圍的可能增益。

為了允許波形發(fā)生器的增益針對開關(guān)頻率被適當(dāng)?shù)卦O(shè)定，例如，以啟用或禁用第二支路，時鐘發(fā)生器可以輸出增益控制信號G。在圖5的實施方案中，這可以方便地包括被用來控制多路復(fù)用器的輸出的信號。如上文討論的，此信號被同步到經(jīng)分頻的第二開關(guān)頻率時鐘信號的正半循環(huán)或負(fù)半循環(huán)的結(jié)束(且因此也被同步到第一時鐘信號的循環(huán)的結(jié)束)且因此增益改變，且開關(guān)頻率中的改變，將在從正斜坡到負(fù)斜坡的切換時發(fā)生或反之亦然。此操作被例示在圖7中。圖7示出了作為時間的函數(shù)的波形發(fā)生器302的輸出。在第一時段內(nèi)，波形發(fā)生器正以等于 f_SW1的循環(huán)頻率生成三角形波形且其中參考波形的總幅度是幅度A。在時間t₁處，輸入信號包絡(luò)值與指示低幅度輸入信號的第一閾值相交并且頻率改變信號改變狀態(tài)。然而，只有與較低頻率時鐘信號的邊沿同步的t₂時刻，頻率改變才被實施。這對應(yīng)于參考斜坡波形的輸出的最大值或最小值(在此實施例中是最大值)。開關(guān)頻率然后改變到f_SW2且因此下斜坡的時段被延長(在此實施例中被加倍)。在相同的時間處，波形發(fā)生器的增益被改變(例如，被減半)，使得合成的輸出參考波形的幅度大體上未改變。

這是有利的，因為開關(guān)頻率中的改變不大可能在輸出級正改變狀態(tài)時的點處發(fā)生。通常，接近100％或接近0％的占空比是少見的，因此在參考波形斜坡的頂部或底部處改變開關(guān)頻率避免了當(dāng)開關(guān)頻率改變時被切換的輸出級具有的任何問題。事實上，將理解到，對于小輸入信號電平，占空比將接近50％且因此切換將可能在每個斜坡的中間處發(fā)生。

然而，此外，將理解到，在開關(guān)頻率中的改變的點處將存在占空比的瞬時改變。如在圖7中可以看到的，參考波形在任何給定的幅度電平以上度過的持續(xù)時間在頻率改變之前的循環(huán)中、包括頻率改變的循環(huán)中以及在接著的周期中不同。這可以引起輸出波形中的瞬變，對于音頻應(yīng)用，該瞬變可以潛在地導(dǎo)致可聽見的偽像，諸如，爆破聲或滴答聲。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在參考波形斜坡的最大值或最小值處改變開關(guān)頻率的結(jié)果在最小化任何這樣的瞬變的量和/或影響方面是優(yōu)選的。

圖8a和圖8b例示了在應(yīng)用的開關(guān)頻率突然改變的情況下單端D類放大器中的仿真電壓瞬變。在此實施例中，對稱的三角形波形被用作參考波形，并且開關(guān)頻率被從384kHz改變到192kHz，即第二開關(guān)頻率是第一開關(guān)頻率的一半。圖8a示出了在開關(guān)頻率瞬變被同步到電壓斜坡的頂部的情況下的仿真結(jié)果，即，改變的時刻與圖7中示出的時刻相同。圖8b示出了當(dāng)在電壓斜坡的零交叉點(即，電壓斜坡的中途)處應(yīng)用頻率中的改變時的仿真電壓瞬變?？梢钥吹?，電壓瞬變的持續(xù)時間在兩種情況下類似，但是圖8a中示出的(在電壓斜坡的頂部處應(yīng)用的)瞬變的峰-峰值是大約1.1mV，然而圖8b中示出的瞬變(在零交叉點處應(yīng)用的改變)的峰-峰值是大約6.0mV。也針對兩種情況在開關(guān)頻 率從192kHz增加到384kHz時發(fā)生的電壓瞬變進(jìn)行建模，并且示出了類似的結(jié)果。因此可以看到，當(dāng)在參考電壓斜坡的中途應(yīng)用頻率改變時發(fā)生的噪聲瞬變因此是由在電壓源斜坡的頂部處改變頻率造成的噪聲瞬變的至少5倍。

上文的討論集中于開關(guān)頻率從第一開關(guān)頻率到第二開關(guān)頻率的突然改變，或反之亦然。如所提到的，這可以在改變開關(guān)頻率的時間導(dǎo)致電壓瞬變。在一些實施方案中，從第一開關(guān)頻率到第二開關(guān)頻率的轉(zhuǎn)變因此可以在一段時間內(nèi)實施，例如，以一系列步驟或以相對連續(xù)的方式。因此，如果例如輸入信號幅度下降到第一閾值以下，則開關(guān)頻率可以在一段時間內(nèi)從第一開關(guān)頻率減少到第二開關(guān)頻率。

開關(guān)頻率因此可以以相對于時間大體上線性的方式從第一開關(guān)頻率變化到第二開關(guān)頻率。然而已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了實現(xiàn)給定時間尺度中的轉(zhuǎn)變，最好在轉(zhuǎn)變的開始和結(jié)束時實施更平緩的開關(guān)頻率改變速率，且然后在轉(zhuǎn)變的中間增加該改變速率，例如，以應(yīng)用正弦型頻率改變速率。

圖9a和圖9b例示了對于從較高的第一開關(guān)頻率到較低的第二開關(guān)頻率中的改變模擬的電壓瞬變。在每個圖中，下面的曲線圖示出了在大約1ms的時段內(nèi)，開關(guān)頻率相對于時間從384kHz的第一開關(guān)頻率到192kHz的第二開關(guān)頻率的變化。圖9a例示了線性轉(zhuǎn)變并且圖9b例示了正弦型轉(zhuǎn)變，其中開關(guān)頻率的改變速率開始低，然后增加，之后再次減少。在每個圖的上面的曲線圖中可以看到合成的電壓瞬變。

圖9c例示了針對開關(guān)頻率的線性改變以及開關(guān)頻率的正弦改變，噪聲瞬變的均方根值相對于轉(zhuǎn)變周期如何變化?？梢钥吹?，對于給定的轉(zhuǎn)變周期，開關(guān)頻率中的正弦型轉(zhuǎn)變可以引起較低的電壓瞬變。即使具有相對短的轉(zhuǎn)變周期，在開關(guān)頻率中的正弦型轉(zhuǎn)變的情況下，電壓瞬變電平也可以被減少到微伏電平。

為了提供平緩的開關(guān)頻率改變，波形發(fā)生器應(yīng)能夠生成具有多個不同開關(guān)頻率的波形。然而，如上所述，參考電壓波形的幅度應(yīng)保持大體上相同，以便避免由于環(huán)路增益的改變造成的任何瞬變。

圖10例示了能夠在多個不同的開關(guān)頻率下操作的波形發(fā)生器的一個實施方案。圖10的波形發(fā)生器類似于圖6中示出的波形發(fā)生器且類似的部件由相同的參考數(shù)字標(biāo)識。在圖10的波形發(fā)生器中，存在不止 兩個電流導(dǎo)引支路，每個支路由相應(yīng)的電流控制器605a到605n控制。如先前所描述的，所述電流控制器的至少一些可以通過增益設(shè)定信號G被啟用或被禁用，以便使波形發(fā)生器的增益變化。此外，存在多個附加的反饋電容器1001，每個反饋電容器可以經(jīng)由開關(guān)1002被切換為與反饋電容器602并聯(lián)，以更改運算放大器601兩端的反饋電容且因此對于給定的電流而改變電壓斜坡。附加地或替代地，至少電流源可以是可編程的，例如，電流控制器605a可以接收增益控制信號并且相應(yīng)地對那個支路的電流源的輸出編程。

根據(jù)需要可以啟用/禁用或編程各種部件，以便可以一系列不同的開關(guān)頻率操作，從而提供具有大體上相同輸出幅度的輸出參考波形。

然而，實際上，真正平滑的(即，連續(xù)的)開關(guān)頻率轉(zhuǎn)變難以在這樣的電路中實現(xiàn)，因為將存在對可選擇的部件的數(shù)目的實際限制。換句話說，波形發(fā)生器可以僅能夠操作以在一定數(shù)目的不同開關(guān)頻率下提供恒定幅度參考波形，并且這些所支持的開關(guān)頻率的分辨率可能不夠好到提供開關(guān)頻率的平滑轉(zhuǎn)變。

因此，在一個實施方案中，輸入到波形發(fā)生器的時鐘信號可以通過∑-Δ調(diào)制器調(diào)制?！?Δ調(diào)制器可以響應(yīng)于頻率控制信號來提供偽平滑的頻率改變到開關(guān)頻率時鐘信號。換句話說，時鐘發(fā)生器可以包括∑-Δ調(diào)制器。

圖11例示了具有∑-Δ調(diào)制器1101的發(fā)明的一個實施方案。開關(guān)頻率控制信號由∑-Δ調(diào)制器1101接收。此開關(guān)頻率控制信號可以被控制以提供期望的開關(guān)頻率轉(zhuǎn)變，例如，在正弦型轉(zhuǎn)變的情況下從第一開關(guān)頻率到第二開關(guān)頻率的平滑降低?！?Δ調(diào)制器接收輸入信號頻率，并且輸出處于許多選定的開關(guān)頻率中的一個頻率的時鐘信號，所述選定的開關(guān)頻率被選擇使得波形發(fā)生器302可以在這樣的開關(guān)頻率下操作并且產(chǎn)生恒定幅度的參考波形?！?Δ調(diào)制器基于輸入信號頻率來改變在這些設(shè)定電平之間的開關(guān)頻率，以接近于所需要的頻率轉(zhuǎn)變。此外，開關(guān)頻率的任何改變可以有利地被定時，以在由波形發(fā)生器302產(chǎn)生的斜坡波形的頂部或底部處發(fā)生。圖12例示了∑-Δ調(diào)制器的輸出開關(guān)頻率，且例示了如何使輸出頻率在預(yù)定的開關(guān)頻率之間逐步升高或降低，以提供開關(guān)頻率的總體偽平滑變化，其中開關(guān)頻率的任何改變與電壓斜 坡的頂部或在此情況下電壓斜坡的底部同步。

圖13a例示了使用四電平∑-Δ調(diào)制器、作為轉(zhuǎn)變時間周期的函數(shù)的由于開關(guān)頻率轉(zhuǎn)變生成的噪聲電平(dBV)。圖13a示出了∑-Δ調(diào)制器的輸入的開關(guān)頻率的線性轉(zhuǎn)變的結(jié)果以及正弦型頻率變化的結(jié)果。圖13b例示了類似的結(jié)果但是使用十六電平∑-Δ調(diào)制器。

可以看到，與圖9c中示出的理想轉(zhuǎn)變的結(jié)果不同，噪聲電平不隨著轉(zhuǎn)變時間增加而繼續(xù)減少。這是由于∑-Δ調(diào)制器的操作生成高頻噪聲，這自身在輸出處導(dǎo)致噪聲。因此，較長的轉(zhuǎn)變時間導(dǎo)致∑-Δ調(diào)制器的更多的總噪聲。因此，在此情況下，存在導(dǎo)致由開關(guān)頻率的快速改變引起的電壓瞬變而增加噪聲的過短的轉(zhuǎn)換時間和增加由∑-Δ產(chǎn)生的總噪聲的過長的轉(zhuǎn)換時間之間的權(quán)衡。在這些實施例中，最佳傳輸時間是大約0.2-0.4ms。因此，轉(zhuǎn)變周期可以在大約0.1ms到0.5ms的范圍內(nèi)(包括端值)。

如還可以從圖13a和圖13b中看到的，增加∑-Δ調(diào)制器的量化等級的數(shù)目可以減少在轉(zhuǎn)變期間生成的噪聲的量。這將是預(yù)期的。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，多于大約30的量化等級可能不產(chǎn)生很多附加的益處，這是由于由∑-Δ調(diào)制器自身固有地造成的噪聲。還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在使用如所描述的∑-Δ調(diào)制器的實施方案中，轉(zhuǎn)變的類型(例如，線性或正弦)不太重要。

一般，本發(fā)明的實施方案提供D類放大器，在D類放大器中，相對低的輸入信號幅度下減少輸出級的開關(guān)頻率，以便減少開關(guān)功率損耗但是對環(huán)路穩(wěn)定性沒有不利的影響。開關(guān)頻率的改變將導(dǎo)致可以引起信號偽像的電壓瞬變。對于音頻應(yīng)用，這可以潛在地引起可聽得見的偽像，諸如，爆破聲或滴答聲。在參考斜坡波形的頂部或底部處實施開關(guān)頻率的改變可以有利于保持瞬變電平相對小，并且在一些實施方案中，在一段時間內(nèi)平緩地實施轉(zhuǎn)變是有益的，例如，通過逐步通過各種中間開關(guān)頻率。在一些實施方案中，可以通過使用∑-Δ調(diào)制器實施偽平滑轉(zhuǎn)變。

在一些實施方案中，頻率控制器可以接收妨礙音頻信號中的靜默的早期預(yù)警，或靜音或斷電命令，例如，從一些上游電路系統(tǒng)。此預(yù)警可以由電路系統(tǒng)形式的靜默檢測器或?qū)魅胄盘柕男盘柼幚聿僮魃?。靜默檢測器可以被安排成在包括一些固有處理延遲的信號路徑的部分之 前或在某個故意增加延遲部之前監(jiān)控傳入信號，以給出足夠長預(yù)先預(yù)警。因此，這樣的靜默檢測器可以是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的D類放大器的部分。在這樣的情況下，頻率控制器可以在音頻輸入信號已經(jīng)被減少到零幅度之前來實施到合適的低電平的開關(guān)頻率減少(例如，改寫(over-riding)在正常操作中實施的任何衰減時間常數(shù)或保持時間)，使得任何瞬變發(fā)生在音頻內(nèi)容的最后周期期間。任何瞬變很可能是低的且可以被輸入信號中的任何音頻內(nèi)容掩蓋。

如上文所討論的，D類放大器的傳統(tǒng)穩(wěn)定性分析得出開關(guān)頻率是開環(huán)單位增益頻率的至少π倍的要求。對于小信號，此條件可以被放寬到接近π/2倍。然而，特別是對于靜默的周期或?qū)τ诖嬖谳^少待被抑制的固有失真的小信號，一個減少的環(huán)路增益帶寬可能是充足的。減少環(huán)路增益帶寬因此允許開關(guān)頻率的進(jìn)一步可能的減少，并且如上文所描述的，期望以較低的開關(guān)頻率運行。因此，在一些實施方案中，除了改變輸出級的開關(guān)頻率之外，環(huán)路濾波器部件可以是可編程的，以便減少環(huán)路單位增益頻率或增益帶寬。例如，如圖14中例示的，環(huán)路濾波器106可以是包括運算放大器1401和反饋電容器1402的簡單的積分器。至少一個附加的反饋電容1403可以通過開關(guān)1404選擇性地與電容器1402并聯(lián)連接以更改反饋電容。

在環(huán)路濾波器部件可以被接通/斷開的情況下，切換可以被配置成保存電容器上的電荷。例如，在圖14的積分器中，當(dāng)從虛擬接地斷開時，電容器1403經(jīng)由開關(guān)1404保持連接到接地電位，并且然后仍與電容器1402并聯(lián)地被充電和被放電，準(zhǔn)備好與虛擬接地的重新連接，以避免由于對電容器充電造成的瞬變。

在一些實施方案中，參考波形發(fā)生器(例如，鋸齒形或三角形波形發(fā)生器)可以與環(huán)路濾波器的部分合并。圖15例示了用于控制組合參考波形發(fā)生器302和環(huán)路濾波器106的元件的輸出級102的調(diào)制器104的一個實施方案。

在圖15中例示的實施方案中，比較器1501被安排成輸出可以被用來切換輸出級102的PWM控制信號。比較器1501因此類似于上文所描述的比較器105，但是替代地接收單個組合信號作為一個輸入，其中比較器1501的另一個輸入被連接到某個恒定的參考電壓，例如，接地。 在此實施方案中，環(huán)路濾波器是包括運算放大器1502以及反饋電容器1503的積分器，所述反饋電容器1503由流動通過電阻器1504和1505的電流饋送，所述電阻器1504和1505分別由輸入信號Sin和來自輸出的反饋信號驅(qū)動。這些電流被求總和，但是通過放大器的信號路徑(例如，驅(qū)動輸出級的邏輯的配置)被調(diào)整，以使得反饋信號出現(xiàn)適當(dāng)?shù)南辔坏怪谩?/p>

為了在積分器的輸出處提供電壓的三角形波形分量，一個或多個包括電流源603的電流支路可以被安排成被切換以提供方波電流，即，如先前關(guān)于圖10所描述的交替的充電電流和放電電流。電流控制器如先前所描述的可以響應(yīng)于輸入時鐘信號f_SW來控制電流源。

因此，在此實施方案中，由電流源603生成的電流被形成環(huán)路濾波器的部分的相同的積分器1502、1503積分。這避免了對圖6或圖10的三角形發(fā)生器的可替代的電路的單獨的反饋電容器602和放大器601的需求。

為了在改變f_SW時維持三角形輸出分量的幅度，可以通過接入更多或更少如先前所描述的并聯(lián)電流源來改變此電流的大小。另外，可以通過經(jīng)由開關(guān)1507添加并聯(lián)積分器反饋電容器1506來調(diào)整環(huán)路濾波器積分時間常數(shù)。例如，如果f_SW的頻率被減半，使反饋積分器電容加倍將維持三角形分量的峰-峰值擺動，并且也使積分器帶寬減半來幫助維持穩(wěn)定性。

在上文所描述的實施方案中，輸入信號的幅度的指示可以從監(jiān)控接收的輸入信號(可能是在應(yīng)用使用者控制的音量增益之后)或從音量控制信號或某個其他上游信號導(dǎo)出。然而，在其他實施方案中，輸入信號的幅度的指示可以至少部分地從D類放大器電路系統(tǒng)內(nèi)的信號鏈的其他部分導(dǎo)出，并且相應(yīng)地被用來更改開關(guān)頻率。例如，來自調(diào)制器104的控制信號輸出被用來控制輸出級的開關(guān)，以便提供輸入信號的放大型式，因此可以被用來指示輸入信號的幅度或包絡(luò)，例如，通過指示占空比。同樣地，在濾波之前通過查看占空比或在濾波之后通過與參考電壓比較，來自輸出級的輸出電壓可以被使用。因此，將理解，輸入信號的幅度的指示可以從內(nèi)產(chǎn)生的信號導(dǎo)出，所述D類放大器電路的性能取決于輸入信號。

圖16例示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的D類放大器(其中用相同的參考數(shù)字標(biāo)識與上文參考圖3所描述的那些部件類似的部件)，其中監(jiān)控來自比較器105的輸出脈沖，并且基于所觀察到的占空比或脈沖寬度選擇開關(guān)頻率。此脈沖寬度或占空比可以例如借助于通過快時鐘F_快計時的計數(shù)器1601而被觀察。F_快的頻率應(yīng)足以允許在放大器的最快的開關(guān)頻率下以足夠的精確度確定脈沖寬度或占空比，并且可以是例如正常開關(guān)頻率的約64倍(對于f_SW＝384kHz是約24MHz)或甚至更快。在一些實施方案中，快時鐘F_快可以是已經(jīng)存在于系統(tǒng)中的時鐘信號，例如，以為數(shù)字信號處理電路系統(tǒng)提供時鐘。

在一個實施方案中，計數(shù)器可以被配置成在比較器105的輸出的正邊沿上開始計數(shù)，并且在負(fù)邊沿上停止計數(shù)，以給出在時鐘F_快的循環(huán)方面脈沖寬度的測量。計數(shù)器1601輸出的計數(shù)值可以直接并且立即與某個閾值或某組閾值比較，以決定使用什么開關(guān)頻率。當(dāng)然將當(dāng)理解到，比較器105輸出的預(yù)期的脈沖寬度將隨著開關(guān)頻率f_SW的改變而改變，但是占空比應(yīng)保持相同(除了上文討論的當(dāng)開關(guān)頻率被改變時出現(xiàn)的少量偽像之外)。頻率控制器301因此可以根據(jù)當(dāng)前的開關(guān)頻率而應(yīng)用不同的閾值(并且計數(shù)器1601可以通過由頻率控制器產(chǎn)生的時鐘信號而被計時)。例如，考慮到開關(guān)頻率是相對快的第一開關(guān)頻率f_SW1且快時鐘信號是64f_SW1。相對低的幅度信號將引起接近50％的占空比，因此在開關(guān)循環(huán)內(nèi)引起接近32的計數(shù)值。頻率控制器因此可以被配置使得，當(dāng)在f_SW1下運行時，如果計數(shù)值在一個設(shè)定范圍內(nèi)(例如，比方說在24到40或28到36的計數(shù)范圍內(nèi))，則減少開關(guān)頻率。如果產(chǎn)生在相關(guān)范圍內(nèi)的計數(shù)值，則頻率控制器可以改變(可能地經(jīng)由如上文所討論的平緩的轉(zhuǎn)變)至較慢的第二開關(guān)頻率f_SW2，該第二開關(guān)頻率可以例如是0.5f_SW1。在這樣的第二開關(guān)頻率下，50％的占空比將引起等于64個快時鐘信號F_快的周期的脈沖寬度。當(dāng)開關(guān)頻率被改變時，用于切換回到第一開關(guān)頻率的相關(guān)閾值可以被改變至比方說48到80或56到72的計數(shù)值。

然而，在其他實施方案中，加減計數(shù)器可以被用來在比較器105輸出的脈沖的正部分期間遞增，并且在脈沖的負(fù)部分期間遞減，以提供可以與閾值進(jìn)行比較的占空比的總指示。替代地，快時鐘信號的頻率可以 根據(jù)頻率的改變被改變到開關(guān)頻率。

頻率控制器301可以被配置成應(yīng)用保持時間或滯后作用(hysteresis)來以如上文所描述的方式類似的方式防止開關(guān)頻率太頻繁改變。

使用例如計數(shù)器以用于確定針對輸出級的驅(qū)動信號的脈沖寬度或占空比的實施方案提供了一種使用少量純數(shù)字硬件來控制開關(guān)頻率的方法。這在具有模擬輸入且因此不具有輸入信號的數(shù)字表示的系統(tǒng)的情況下或?qū)τ诨谛缀谓Y(jié)構(gòu)制造工藝的放大器尤其有利。

其他實施方案可以直接從輸出級(可能地通過一些濾波)或在后置濾波器之后取得輸出信號，并且導(dǎo)出其包絡(luò)用于與對于處理輸入信號以提供一個信號來控制f_SW所描述的處理類似的處理。

模擬輸出信號可以被傳遞通過ADC，以允許數(shù)字地執(zhí)行信號處理。優(yōu)選地，這樣的ADC將是連續(xù)時間ADC(即，不采樣它的輸入信號的一個ADC)，以允許精確捕捉占空比以及出現(xiàn)在切換邊沿附近的任何瞬變，而不必以過多的采樣頻率運行。這樣的ADC包括連續(xù)時間∑-Δ轉(zhuǎn)換器以及包括包含電壓頻率轉(zhuǎn)換器或壓控振蕩器的轉(zhuǎn)換器。

主要在半橋輸出級方面描述了上文所描述的實施方案，但是，如上文提到的，可以用全H橋輸出級容易地適配和實施本發(fā)明的實施方案。全H橋輸出的使用可以幫助抑制負(fù)載兩端的任何瞬變。

全H橋輸出D類放大器可以由兩個與圖3的電路類似的電路簡單構(gòu)造，優(yōu)選地具有如圖17a中例示的共享控制和公共f_SW。這樣的實施方案可以被看作具有由第一半橋102a和第二半橋102b形成的輸出級，第一半橋102a和第二半橋102b各自分別通過它自身的比較器105a和105b驅(qū)動。比較器105a接收通過回路濾波器106濾波的誤差信號，該誤差信號是從輸入信號和半橋102a的輸出節(jié)點處的電壓導(dǎo)出的。比較器105b接收通過回路濾波器106濾波的誤差信號，該誤差信號是從反相輸入信號和在半橋102b的輸出節(jié)點處的電壓導(dǎo)出的。兩個比較器都將誤差信號與通過發(fā)生器302生成的參考波形比較，該發(fā)生器在通過頻率控制器301控制的開關(guān)頻率下運行。

替代地，全差分架構(gòu)可以如圖17b中被采用，這可以包括如示出的邏輯1701，以獨立地驅(qū)動四個輸出晶體管，從而允許三個或四個輸出 狀態(tài)，包括兩個輸出都可以被接入相同的極性以在一些時鐘循環(huán)內(nèi)給出負(fù)載兩端的零差分電壓的狀態(tài)，減少EMI問題以及對任何后置濾波的需要。

在一些實施方案中，可以不存在如在已知的開環(huán)D類放大器中的從輸出到調(diào)制器的反饋路徑，但是對于低輸入信號，仍然通過與所描述的頻率控制器類似的頻率控制器來減少開關(guān)頻率。這樣的開環(huán)實施方案可以包括用于調(diào)制器的大體上數(shù)字電路系統(tǒng)。

如上文所提到的，因此，在本發(fā)明的一般實施方案中，涉及具有一個輸出級以及用于控制該輸出級的切換以放大信號的控制器的D類放大器電路，其中該控制器被配置成在第一信號幅度下用第一開關(guān)頻率切換輸出級且在較低的第二信號幅度下用較低的第二開關(guān)頻率切換輸出級。因此響應(yīng)于被放大的信號的幅度的指示來控制開關(guān)頻率。該控制器被配置成對于低幅度信號減少輸出級的開關(guān)頻率。放大器因此可以具有一個調(diào)制器，該調(diào)制器具有一個用于接收信號的信號輸入和一個用于接收第一時鐘信號的時鐘輸入，該調(diào)制器被配置成基于輸入信號和一個循環(huán)參考波形來控制輸出級的開關(guān)的占空比，其中所述循環(huán)參考波形的頻率取決于所述第一時鐘信號；且一個頻率控制器控制第一時鐘信號的頻率，以在第一信號幅度下提供第一頻率且在較低的第二信號幅度下提供較低的第二頻率。

放大器電路可以有利地被用來放大音頻輸入信號例如作為音頻驅(qū)動電路或音頻信號處理電路的部分。然而，本發(fā)明的實施方案可以被實施以對于多種應(yīng)用放大一系列不同的輸入信號。

放大器電路可以方便地被實施為集成電路并且可以形成主機電子設(shè)備(尤其是便攜式設(shè)備和/或電池供電設(shè)備)的部分。放大器可以被使用在音頻設(shè)備(諸如，個人音樂或視頻播放器)中。放大器可以被實施在移動通信設(shè)備(諸如，移動電話)或計算設(shè)備(諸如，膝上型電腦或平板計算機或PDA)中。放大器可以被使用在游戲設(shè)備中。放大器可以被使用在具有超聲換能器或觸覺換能器的設(shè)備中。

應(yīng)注意，上文提到的實施方案例示而非限制本發(fā)明，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠在不背離所附權(quán)利要求的范圍的前提下設(shè)計許多替代實施方案。詞語“包括”并不排除在權(quán)利要求中所列出的元件和步驟之外存 在其他元件或步驟，“一”、“一個”不排除復(fù)數(shù)，并且單個特征或其他單元可以達(dá)成權(quán)利要求中記載的多個單元的功能。權(quán)利要求書中的任何參考數(shù)字或標(biāo)簽不應(yīng)被解釋為限制權(quán)利要求的范圍。