[发明专利]脉冲宽度调制发生器

说明书

技术领域

本发明涉及一种脉冲宽度调制发生器。

背景技术

近来，由于D类放大器与其它类放大器相比具有高的效率，因此D类放大器已经变得普遍用于音频应用中。D类放大器通过使用调制器来操作以生成包括由较低频率信号(被称为调制信号)调制的高频载波信号的脉冲宽度调制(PWM)方波，以由合适的输出设备(诸如扬声器)输出。该PWM信号由低通滤波器滤波以恢复输出信号，然后将其输出到输出设备。

随着D类放大器、特别是对于音频应用可能出现的一个问题是，生成足够高质量的PWM信号可能很困难，特别是当施加诸如PWM调制器中的低开关频率等实现约束时。

这个问题的常见方法是在PWM调制器周围加入噪声整形环路，以提高性能。图1是使用该方法的PWM发生器的示意图。

PWM发生器在图1中以10总体示出，并且包括插值器12，插值器12在其输入处接收表示要输出的信号的数字信号，诸如数字音频信号。在图1所示的示例中，输入信号是具有采样频率f_s的24位信号。

插值器12对输入信号进行上采样，并且将具有频率f_w的输出信号X(z)输出到环路滤波器14，输出信号X(z)通常在几十MHz的范围内，但是可以超过100MHz，环路滤波器14在低频(即，在PWM输出必须与输入音频信号紧密匹配的频率范围内)具有非常大的增益。下面将更详细地描述环路滤波器14的操作。

环路滤波器14将经滤波输出信号U(z)输出到PWM调制器16。在该示例中，环路滤波器输出信号U(z)也是具有采样频率f_w的24位信号。

PWM调制器16包括比较器18，比较器18将输入到PWM调制器16的信号U(z)与给定频率的载波信号(其通常是用于双边沿PWM调制的三角波信号或者用于单边沿PWM调制的锯齿波信号)相比较，给定频率可以是输入信号X(z)的最高频率分量的十倍量级，并且比较器18输出具有采样频率为f_w的单比特脉冲宽度调制信号Y(z)。比较器18的输出是二进制的，并且整个PWM调制过程可以被建模为生成噪声信号E(z)的量化噪声源。

PWM输出信号Y(z)被反馈到组合器20，在那里从由插值器12输出的插值信号X(z)中减去，以计算插值信号X(z)与PWM输出信号Y(z)之差。输入到环路滤波器14的由组合器20输出的信号由于输入信号X(z)和经调制输出信号Y(z)的低频分量而包括低频分量，并且由于经调制信号Y(z)的高频载波信号分量而包括高频分量。由于环路滤波器在较低频率范围中的高的增益，并且作为反馈环路的结果，PWM调制器Y(z)的输出仅包含插值输入信号X(z)的低频分量以及在低频范围内具有减少的能量的成形误差信号。这可以在数学上如下建模。

噪声传递函数NTF(z)可以被定义为其中E(z)是由PWM调制过程引入的噪声信号。类似地，信号传递函数STF(z)可以被定义为

可以示出并且其中G(z)是环路增益。

在环路增益非常大(即G(z)>>1)的低频处，NTF(z)≈0并且STF(z)≈1。

尽管相对于输入信号的带宽具有非常大的过采样因子(对于具有大约20kHz的带宽的音频输入信号，以几十MHz采样)和可以使用如图1所示的架构实现的高的环路增益，输出的PWM信号Y(z)对于HiFi质量音频通常质量不足。这至少部分是因为在PWM调制器16的输出中在PWM调制器16的开关频率的倍数附近可能出现互调产物。这些互调产物导致由PWM发生器10输出的PWM信号中的不可接受的水平的谐波失真，即使当采用图1所示类型的反馈环路时。

因此，本领域需要一种能够生成用于音频应用的具有足够质量的PWM信号的PWM发生器。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于生成脉冲宽度调制信号的脉冲宽度调制(PWM)发生器，PWM发生器包括PWM调制器和环路滤波器，其中环路滤波器被配置成接收输入信号并且向PWM调制器输出经滤波信号，并且PWM调制器被配置成从环路滤波器接收经滤波信号并且输出脉冲宽度调制信号，PWM发生器还包括将PWM调制器的输出耦合到环路滤波器的输入的反馈环路，其中反馈环路包括梳状滤波器。

在本发明中使用的梳状滤波器使反馈信号在生成互调产物时涉及的频带中衰减，并且因此具有使存在于PWM发生器的输出中的任何互调产物衰减的效果，从而改善所产生的PWM信号的质量。