專利名稱：高效大功率的音頻放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及音頻信號處理，更具體地，涉及一種包括D類放大器的系統(tǒng)，用于音頻信號放大和其他音頻信號處理。
背景技術(shù)：
D類音頻放大器常常因為其功率效率高而被用于音頻放大。通常，D類音頻放大器工作在開關(guān)模式下，具有最小的內(nèi)部功率消耗。所謂的“Bang-Bang”型控制改進了環(huán)路響應(yīng)并且簡化了反饋環(huán)路控制。這種控制方式對于如圖1所示的單端放大器十分有用。該放大器的輸出連接到LC濾波器上，然后通過大的隔直電容饋送給揚聲器。在穩(wěn)態(tài)工作下，如果節(jié)點SW為高電壓，CINT上的電壓和VCIN也將逐步升高。在特定時間t1之后，VCIN將升高超過比較器的滯環(huán)電壓(hysteresis)，從而讓比較器改變狀態(tài)，而節(jié)點SW將從高電壓轉(zhuǎn)變成為低電壓。C2提供了來自揚聲器輸出的額外的反饋來幫助改進瞬態(tài)響應(yīng)。這個方法可以使得音頻放大器獲得較好的瞬態(tài)響應(yīng)，并且將開關(guān)頻率及其相關(guān)的開關(guān)損耗減到最小。此外，這個方法改變了開關(guān)頻率，從而有助于抑制電磁干擾(EMI)噪聲的幅值。但是，這種方法下的輸出信號幅度最大只能達到電源電壓的一半，從而輸出功率受到了限制。
對于更大功率的運用場合，理想的是使放大器的輸出信號電壓能達到全部的電源電壓。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題而提出本發(fā)明。因此，本發(fā)明的目的是提供一種可以獲得高效的D類音頻放大器的方法和電路，其輸出信號的電壓幅值能夠達到與放大器的電源電壓一樣高。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方案，提供一種控制音頻放大器的方法，包括提供輸入信號到所述音頻放大器的控制級；從所述控制級提供輸出信號到所述音頻放大器的正輸出級，并且得到第一電壓信號；從所述控制級提供第二輸出信號到所述音頻放大器的負輸出級，并且得到第二電壓信號；以及將所述第一和第二電壓信號施加到負載的兩個輸入端；其中所述第一和第二電壓信號具有極性相反、幅值大小基本相等的脈動的電壓波形，所述第一和第二電壓之間的差值可與所述音頻放大器的電源電壓一樣高。
根據(jù)本發(fā)明的又一方案，提供一種放大音頻輸入信號的電路，包括控制級，用來接收所述音頻輸入信號；正輸出級，用來從所述控制級接收輸出信號，并得到第一電壓信號；負輸出級，用來從所述控制級接收第二輸出信號，并得到第二電壓信號；以及負載，其兩個輸入端分別連接到所述第一電壓信號和所述第二電壓信號；其中所述第一和第二電壓信號具有極性相反、幅值大小基本相等的脈動的電壓波形，所述第一和第二電壓之間的差值可與所述音頻放大器的電源電壓一樣高。
在上述方法和電路中，優(yōu)選地，所述控制級包含第一比較器和兩個驅(qū)動器；所述第一比較器的反相輸入端連接正輸入信號并經(jīng)過第一反饋環(huán)路連接所述第一電壓信號，所述第一比較器的同相輸入端連接負輸入信號并經(jīng)過第二反饋環(huán)路連接所述第二電壓信號。
優(yōu)選地，所述控制級包含第二比較器；其中所述第二比較器的同相輸入端連接所述第一比較器的反相輸入端，所述第二比較器的反相輸入端連接所述第一比較器的同相輸入端。
優(yōu)選地，所述第一電壓信號通過第一阻抗耦合到所述第一比較器的同相輸入端和所述第二比較器的反相輸入端，所述第二電壓信號通過第二阻抗耦合到所述第一比較器的反相輸入端和所述第二比較器的同相輸入端；其中所述第一和第二阻抗確保所述第一和第二比較器的開關(guān)周期的連續(xù)性，而不受所述第一和第二比較器之間的滯環(huán)電壓不匹配的影響。
此外，根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提供一種控制音頻放大器的方法，包括提供輸入信號到所述音頻放大器的控制級；從所述控制級提供輸出信號到所述音頻放大器的正輸出級，并且得到第一電壓信號；從所述控制級提供第二輸出信號到所述音頻放大器的負輸出級，并且得到第二電壓信號；對所述第一和第二電壓信號進行濾波，分別得到第三和第四電壓信號；以及將所述第三和第四電壓信號施加到負載的兩個輸入端；其中所述第一和第二電壓信號具有極性相反、幅值大小基本相等的脈動的電壓波形，所述第一和第二電壓之間的差值可與所述音頻放大器的電源電壓一樣高。
根據(jù)本發(fā)明的再一方案，提供一種放大音頻輸入信號的電路，包括控制級，用來接收所述音頻輸入信號；正輸出級，用來從所述控制級接收輸出信號，并得到第一電壓信號；負輸出級，用來從所述控制級接收第二輸出信號，并得到第二電壓信號；濾波器，對所述第一和第二電壓信號進行濾波，分別得到第三和第四電壓信號；以及負載，其兩個輸入端分別連接到所述第三電壓信號和所述第四電壓信號；其中所述第一和第二電壓信號具有極性相反、幅值大小基本相等的脈動的電壓波形，所述第一和第二電壓之間的差值可與所述音頻放大器的電源電壓一樣高。
在上述方法和電路中，優(yōu)選地，所述控制級包含第一比較器和兩個驅(qū)動器；所述第一比較器的反相輸入端連接正輸入信號并經(jīng)過第一反饋環(huán)路連接所述第一電壓信號，所述第一比較器的同相輸入端連接負輸入信號并經(jīng)過第二反饋環(huán)路連接所述第二電壓信號。
優(yōu)選地，所述第三電壓通過第三反饋環(huán)路連接所述第一比較器的反相輸入端，所述第四電壓通過第四反饋環(huán)路連接所述第一比較器的同相輸入端。
優(yōu)選地，所述第三和第四反饋環(huán)路包含串聯(lián)的電容或者串聯(lián)的電容和電阻。
優(yōu)選地，所述控制級包含第二比較器；其中所述第二比較器的同相輸入端連接所述第一比較器的反相輸入端，所述第二比較器的反相輸入端連接所述第一比較器的同相輸入端。
優(yōu)選地，所述第一電壓信號通過第一阻抗耦合到所述第一比較器的同相輸入端和所述第二比較器的反相輸入端，所述第二電壓信號通過第二阻抗耦合到所述第一比較器的反相輸入端和所述第二比較器的同相輸入端；其中所述第一和第二阻抗確保所述第一和第二比較器的開關(guān)周期的連續(xù)性，而不受所述第一和第二比較器之間的滯環(huán)電壓不匹配的影響。
優(yōu)選地，所述第三電壓信號通過第三反饋環(huán)路連接所述第一比較器的反相輸入端以及所述第二比較器的同相輸入端，所述第四電壓信號通過第四反饋環(huán)路連接所述第一比較器的同相輸入端以及所述第二比較器的反相輸入端。
通過本發(fā)明的上述方法和電路，能夠確保比較器開關(guān)周期的連續(xù)性，使其不會受到兩個比較器之間的滯環(huán)電壓不匹配的影響。本發(fā)明使得D類音頻放大器具有優(yōu)越的瞬態(tài)響應(yīng)，同時能提供優(yōu)良的音質(zhì)和低的THD(總諧波失真)。由此產(chǎn)生的可變的開關(guān)頻率也有助于減小EMI問題。


以下附圖示出了本發(fā)明的實施例。這些附圖和實施例提供了本發(fā)明的例子，并且是非限制性和非窮舉的。
圖1示出單端D類音頻放大器的例子。
圖2示出本發(fā)明的一個實施例。
圖3示出本發(fā)明的另一個實施例。
具體實施例方式
這里詳細描述了一個系統(tǒng)和方法的實施例，其利用了音頻放大器及其周邊(accompanying)電路來實現(xiàn)高效的音頻信號放大和其他音頻信號處理。隨后的說明中包含了一些具體細節(jié)，例如示例電路和電路元件的示例值，以提供對本發(fā)明實施例的全面理解。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當了解，無需一個或多個所述具體細節(jié)、或采用其他的方法、元件、材料等，也可以實施本發(fā)明。
本文將結(jié)合可效仿的和示例性的系統(tǒng)、電路和方法來說明以下實施例和方案。在許多實施例中，上述問題都被減少或消除了，而其他的實施例還帶來了其他方面的改進。
本發(fā)明涉及高效音頻信號放大的電路和方法。所提出的音頻放大器的電路可以使得輸出信號的電壓幅值基本上和放大器的電源電壓一樣高。
圖2示出在只具有一個比較器的“橋接負載”(BTL)音頻放大器中本發(fā)明的實施例。該放大器的輸出信號幅值可達到與放大器的電源電壓基本上一樣高。正向輸入的音頻信號和負輸出級的開關(guān)節(jié)點SW1連接到比較器U1的反相輸入端。負向輸入的音頻信號和正輸出級的開關(guān)節(jié)點SW2連接到比較器的同相輸入端。這種結(jié)構(gòu)使得負輸出級(Q1，Q2)和正輸出級(Q3，Q4)具有相反的輸出極性。在穩(wěn)態(tài)工作中，假設(shè)U1的輸出電壓為“高”，則節(jié)點SW1的電壓為“高”，而節(jié)點SW2的電壓為“低”。電容CINT上的電壓VCIN逐漸增加。經(jīng)過時間t1后，VCIN增大超過了U1的滯環(huán)電壓，迫使U1改變其狀態(tài)。U1的輸出隨后變?yōu)椤暗汀?。?jié)點SW1的電壓變?yōu)椤暗汀?，而?jié)點SW2的電壓變?yōu)椤案摺?。VCIN隨后逐漸降低。經(jīng)過時間t2后，VCIN降低為低于U1的滯環(huán)電壓，并迫使U1再次改變其狀態(tài)。如果輸入信號是直流電壓，這樣的開關(guān)動作將周期性地重復(fù)。具有相同電容值的輸入電容CIN1和CIN2提供對于輸入信號的直流去耦。電感L1和L2以及電容C1、C2和CP組成揚聲器的二階濾波器。具有相同電容值的電容C3和C4從揚聲器的輸出電壓提供了直接的反饋，從而改善了放大器的瞬態(tài)響應(yīng)。通常，C3和C4的電容值遠遠小于集成的電容CINT。揚聲器上的RMS(有效值)輸出電壓VOUT和RMS輸入音頻信號VIN之間遵從下面的等式。
VOUTVIN=RFBRIN]]>為了在音頻范圍內(nèi)產(chǎn)生平滑的頻率響應(yīng)，品質(zhì)因數(shù)Q優(yōu)選地小于1。Q的定義為Q=Leq/CeqROUT]]>Leq＝2LCeq=Cr2+Cp]]>圖3示出在具有兩個比較器的BTL音頻放大器中本發(fā)明的另一實施例。在這個電路中，推薦使得CIN1＝CIN2、C3＝C4且Z1＝Z2。這個方法利用了兩個獨立的單端放大器。工作原理類似于圖2的BTL音頻放大器。但是，由于兩個比較器有兩個獨立的滯環(huán)電壓，兩個滯環(huán)電壓如果存在較大的失配將導(dǎo)致一個通道停止開關(guān)。這個問題可以通過增加兩個正反饋環(huán)路Z1和Z2來解決。再次假設(shè)初始的狀態(tài)是SW1的電壓為高而SW2的電壓為低。如果比較器U1的滯環(huán)電壓低于比較器U2的滯環(huán)電壓，比較器U1將首先改變狀態(tài)，這樣SW1和SW2的電壓都為低。沒有Z1和Z2的反饋，比較器U2將不會改變狀態(tài)，這樣開關(guān)動作將會停止，除非輸入信號的擺動(swing)導(dǎo)致U2再次改變其狀態(tài)。增加了反饋環(huán)路Z1和Z2之后，當SW1的電壓從高變?yōu)榈蜁r，Z1迫使VCIN瞬時進一步增大。通過正確設(shè)計的Z1，這個額外的電壓增大將幫助VCIN超過U2的滯環(huán)電壓，從而迫使SW2的電壓從低轉(zhuǎn)變?yōu)楦?。通常，Z1和Z2可以是電容的串聯(lián)或者電容和電阻的串聯(lián)。
在本發(fā)明中提出可以獲得高效的D類音頻放大器的方法和電路，其輸出信號的電壓幅值能夠達到與放大器的電源電壓一樣高。在本發(fā)明的一個實施例中，音頻放大器包括了一個比較器、一個正輸出級和一個負輸出級。來自正輸出級的輸出信號和來自負輸出級的輸出信號具有相反的極性，并且兩者分別連接到比較器的反相輸入端和同相輸入端。在本發(fā)明的另一個實施例中，音頻放大器包括兩個比較器、一個正輸出級和一個負輸出級。來自正輸出級的輸出信號和來自負輸出級的輸出信號同樣具有相反的極性；并且來自正輸出級的輸出信號連接到第一比較器的反相輸入端和第二比較器的同相輸入端，而來自負輸出級的輸出信號連接到第一比較器的同相輸入端和第二比較器的反相輸入端。引入額外的反饋環(huán)路，確保了比較器開關(guān)周期的連續(xù)性，使其不會受到兩個比較器之間的滯環(huán)電壓不匹配的影響。本發(fā)明使得D類音頻放大器具有優(yōu)越的瞬態(tài)響應(yīng)，同時能提供優(yōu)良的音質(zhì)和低的THD。由此產(chǎn)生的可變的開關(guān)頻率也有助于減小EMI問題。
這里對本發(fā)明及其應(yīng)用的描述是示例性的，不用以限制本發(fā)明的范圍。實施例的各種變化和改型都是可能的，且對于實施例各種元件的實用等效替換對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是公知的。對這里所揭示的實施例也可以進行其他的變化和改型而不背離本發(fā)明的范圍和精神。
權(quán)利要求
1.一種控制音頻放大器的方法，包括提供輸入信號到所述音頻放大器的控制級；從所述控制級提供輸出信號到所述音頻放大器的正輸出級，并且得到第一電壓信號；從所述控制級提供第二輸出信號到所述音頻放大器的負輸出級，并且得到第二電壓信號；以及將所述第一和第二電壓信號施加到負載的兩個輸入端；其中所述第一和第二電壓信號具有極性相反、幅值大小基本相等的脈動的電壓波形，所述第一和第二電壓之間的差值可與所述音頻放大器的電源電壓一樣高。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述控制級包含第一比較器和兩個驅(qū)動器；所述第一比較器的反相輸入端連接正輸入信號并經(jīng)過第一反饋環(huán)路連接所述第一電壓信號，所述第一比較器的同相輸入端連接負輸入信號并經(jīng)過第二反饋環(huán)路連接所述第二電壓信號。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述控制級包含第二比較器；所述第二比較器的同相輸入端連接所述第一比較器的反相輸入端，所述第二比較器的反相輸入端連接所述第一比較器的同相輸入端。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述第一電壓信號通過第一阻抗耦合到所述第一比較器的同相輸入端和所述第二比較器的反相輸入端，所述第二電壓信號通過第二阻抗耦合到所述第一比較器的反相輸入端和所述第二比較器的同相輸入端；所述第一和第二阻抗確保所述第一和第二比較器的開關(guān)周期的連續(xù)性，而不受所述第一和第二比較器之間的滯環(huán)電壓不匹配的影響。
5.一種控制音頻放大器的方法，包括提供輸入信號到所述音頻放大器的控制級；從所述控制級提供輸出信號到所述音頻放大器的正輸出級，并且得到第一電壓信號；從所述控制級提供第二輸出信號到所述音頻放大器的負輸出級，并且得到第二電壓信號；對所述第一和第二電壓信號進行濾波，分別得到第三和第四電壓信號；以及將所述第三和第四電壓信號施加到負載的兩個輸入端；其中所述第一和第二電壓信號具有極性相反、幅值大小基本相等的脈動的電壓波形，所述第一和第二電壓之間的差值可與所述音頻放大器的電源電壓一樣高。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述控制級包含第一比較器和兩個驅(qū)動器；所述第一比較器的反相輸入端連接正輸入信號并經(jīng)過第一反饋環(huán)路連接所述第一電壓信號，所述第一比較器的同相輸入端連接負輸入信號并經(jīng)過第二反饋環(huán)路連接所述第二電壓信號。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第三電壓通過第三反饋環(huán)路連接所述第一比較器的反相輸入端，所述第四電壓通過第四反饋環(huán)路連接所述第一比較器的同相輸入端。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述第三和第四反饋環(huán)路包含串聯(lián)的電容或者串聯(lián)的電容和電阻。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述控制級包含第二比較器；所述第二比較器的同相輸入端連接所述第一比較器的反相輸入端，所述第二比較器的反相輸入端連接所述第一比較器的同相輸入端。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述第一電壓信號通過第一阻抗耦合到所述第一比較器的同相輸入端和所述第二比較器的反相輸入端，所述第二電壓信號通過第二阻抗耦合到所述第一比較器的反相輸入端和所述第二比較器的同相輸入端；所述第一和第二阻抗確保所述第一和第二比較器的開關(guān)周期的連續(xù)性，而不受所述第一和第二比較器之間的滯環(huán)電壓不匹配的影響。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述第三電壓信號通過第三反饋環(huán)路連接所述第一比較器的反相輸入端以及所述第二比較器的同相輸入端，所述第四電壓信號通過第四反饋環(huán)路連接所述第一比較器的同相輸入端以及所述第二比較器的反相輸入端。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述第三和第四反饋環(huán)路包含串聯(lián)的電容或者串聯(lián)的電容和電阻。
13.一種放大音頻輸入信號的電路，包括控制級，用來接收所述音頻輸入信號；正輸出級，用來從所述控制級接收輸出信號，并得到第一電壓信號；負輸出級，用來從所述控制級接收第二輸出信號，并得到第二電壓信號；以及負載，其兩個輸入端分別連接到所述第一電壓信號和所述第二電壓信號；其中所述第一和第二電壓信號具有極性相反、幅值大小基本相等的脈動的電壓波形，所述第一和第二電壓之間的差值可與所述音頻放大器的電源電壓一樣高。
14.如權(quán)利要求13所述的電路，其中所述控制級包含第一比較器和兩個驅(qū)動器；所述第一比較器的反相輸入端連接正輸入信號并經(jīng)過第一反饋環(huán)路連接所述第一電壓信號，所述第一比較器的同相輸入端連接負輸入信號并經(jīng)過第二反饋環(huán)路連接所述第二電壓信號。
15.如權(quán)利要求14所述的電路，其中所述控制級包含第二比較器；所述第二比較器的同相輸入端連接所述第一比較器的反相輸入端，所述第二比較器的反相輸入端連接所述第一比較器的同相輸入端。
16.如權(quán)利要求15所述的電路，其中所述第一電壓信號通過第一阻抗耦合到所述第一比較器的同相輸入端和所述第二比較器的反相輸入端，所述第二電壓信號通過第二阻抗耦合到所述第一比較器的反相輸入端和所述第二比較器的同相輸入端；所述第一和第二阻抗確保所述第一和第二比較器的開關(guān)周期的連續(xù)性，而不受所述第一和第二比較器之間的滯環(huán)電壓不匹配的影響。
17.一種放大音頻輸入信號的電路，包括控制級，用來接收所述音頻輸入信號；正輸出級，用來從所述控制級接收輸出信號，并得到第一電壓信號；負輸出級，用來從所述控制級接收第二輸出信號，并得到第二電壓信號；濾波器，對所述第一和第二電壓信號進行濾波，分別得到第三和第四電壓信號；以及負載，其兩個輸入端分別連接到所述第三電壓信號和所述第四電壓信號；其中所述第一和第二電壓信號具有極性相反、幅值大小基本相等的脈動的電壓波形，所述第一和第二電壓之間的差值可與所述音頻放大器的電源電壓一樣高。
18.如權(quán)利要求17所述的電路，其中所述控制級包含第一比較器和兩個驅(qū)動器；所述第一比較器的反相輸入端連接正輸入信號并經(jīng)過第一反饋環(huán)路連接所述第一電壓信號，所述第一比較器的同相輸入端連接負輸入信號并經(jīng)過第二反饋環(huán)路連接所述第二電壓信號。
19.如權(quán)利要求18所述的電路，其中所述第三電壓通過第三反饋環(huán)路連接所述第一比較器的反相輸入端，所述第四電壓通過第四反饋環(huán)路連接所述第一比較器的同相輸入端。
20.如權(quán)利要求19所述的電路，其中所述第三和第四反饋環(huán)路包含串聯(lián)的電容或者串聯(lián)的電容和電阻。
21.如權(quán)利要求18所述的電路，其中所述控制級包含第二比較器；所述第二比較器的同相輸入端連接所述第一比較器的反相輸入端，所述第二比較器的反相輸入端連接所述第一比較器的同相輸入端。
22.如權(quán)利要求21所述的電路，其中所述第一電壓信號通過第一阻抗耦合到所述第一比較器的同相輸入端和所述第二比較器的反相輸入端，所述第二電壓信號通過第二阻抗耦合到所述第一比較器的反相輸入端和所述第二比較器的同相輸入端；所述第一和第二阻抗確保所述第一和第二比較器的開關(guān)周期的連續(xù)性，而不受所述第一和第二比較器之間的滯環(huán)電壓不匹配的影響。
23.如權(quán)利要求21所述的電路，其中所述第三電壓信號通過第三反饋環(huán)路連接所述第一比較器的反相輸入端以及所述第二比較器的同相輸入端，所述第四電壓信號通過第四反饋環(huán)路連接所述第一比較器的同相輸入端以及所述第二比較器的反相輸入端。
24.如權(quán)利要求23所述的電路，其中所述第三和第四反饋環(huán)路包含串聯(lián)的電容或者串聯(lián)的電容和電阻。
全文摘要
本發(fā)明公開一種能使得輸出信號的電壓和放大器電源電壓一樣高的D類音頻放大器。該音頻放大器包含一個比較器、一個正輸出級和一個負輸出級。來自正輸出級的輸出信號和來自負輸出級的輸出信號極性相反，且兩者分別連接到比較器的反相輸入端和同相輸入端。該D類音頻放大器具有優(yōu)越的瞬態(tài)響應(yīng)，并且能提供良好的音質(zhì)和低的THD。由此產(chǎn)生的可變的開關(guān)頻率也有助于減小EMI問題。
文檔編號H03F1/02GK1835393SQ20061005957
公開日2006年9月20日 申請日期2006年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月7日
發(fā)明者陳偉, 徐鵬 申請人:美國芯源系統(tǒng)股份有限公司