TW201705681A - 功率限制放大器 - Google Patents

Abstract

一種功率限制放大器，包含一運算放大器、一降增益單元、一偵測單元、一第一電阻以及一第二電阻。該運算放大器包含一第一輸入端、一第二輸入端和一輸出端。該第二電阻耦接於該運算放大器的該第一輸入端和該輸出端之間。該降增益單元耦接於該第一電阻和該運算放大器的該第一輸入端之間。該比較單元用以比較產生於該運算放大器的至少一輸出信號和至少一預設電壓值，藉以產生至少一控制信號。該第一降增益單元根據該至少一控制信號以改變其阻值。

Description

功率限制放大器

本發明係關於一種功率限制放大器。

音頻放大器是一種用來放大音頻信號之功率放大器。傳統音頻放大器可分類為A類、B類、AB類和D類放大器，其中D類放大器由於具有高效率及低功耗的優點，近年來已成為音頻功率放大器的主流。圖1顯示一習知之D類放大器之方塊圖。如圖1所示，該D類放大器100包含兩輸入電容C1和C2、一增益放大級12、一脈寬調變器13、兩回授網路14和15以及兩功率級16和18。

參照圖1，該輸入電容C1和C2用以濾除一音頻輸入信號的直流偏壓，以產生信號AI1和信號AI2。該增益放大級12藉由電阻R1至R4的比例來放大信號AI1和信號AI2的電壓差值，以產生信號AG1和信號AG2。該脈寬調變器13在接收類比型式的信號AG1和信號AG2後，輸出兩脈寬調變訊號PWMP和PWMN至功率級16和18。該脈寬調變器13通常包含一積分器(未繪出)以積分類比信號AG1和信號AG2的電壓差值。該等脈寬調變訊號PWMP和PWMN也會藉由回授網路14 和15產生回授信號給該脈寬調變器13。該等功率級16和18用以推動一負載電路19，例如一耳機或是喇叭等音頻輸出裝置。

在應用上，當音頻輸入信號的振幅過大時，該D類放大器100可能需要一電路以限制輸出功率在一特定範圍內，藉以避免對負載電路19造成損害。

本發明係提供一種功率限制放大器，包含一運算放大器、一第一降增益單元、一偵測單元、一第一電阻以及一第二電阻。該運算放大器包含一第一輸入端、一第二輸入端和一第一輸出端。該第二電阻耦接於該運算放大器的該第一輸入端和該運算放大器的該第一輸出端之間。該第一降增益單元耦接於該第一電阻和該運算放大器的該第一輸入端之間。該比較單元用以比較產生於該運算放大器的至少一輸出信號和至少一預設電壓值，藉以產生至少一控制信號。該第一降增益單元根據該至少一控制信號以改變其阻值。

100‧‧‧D類放大器

12‧‧‧增益放大級

13‧‧‧脈寬調變器

14,15‧‧‧回授網路

16,18‧‧‧功率級

19‧‧‧負載電路

20,30,40,50‧‧‧功率限制放大器

22‧‧‧降增益單元

24,24’‧‧‧運算放大器

26,26’,26”‧‧‧偵測單元

262,264,265‧‧‧電壓比較器

266‧‧‧多工器

42‧‧‧降增益單元

62,64‧‧‧充電泵

66,68‧‧‧低通濾波器

C1,C2‧‧‧輸入電容

I1~I4‧‧‧電流源

M1~M7‧‧‧電晶體

R1~R4‧‧‧電阻

RB‧‧‧電阻

SW1,SW2‧‧‧開關

VB‧‧‧偏壓源

圖1顯示一習知之D類放大器之方塊圖。

圖2顯示結合本發明一實施例之一功率限制放大器的方塊示意圖。

圖3顯示結合本發明另一實施例之一功率限制放大器的方塊示意圖。

圖4顯示結合本發明又一實施例之一功率限制放大器的方塊示意圖。

圖5顯示結合本發明再一實施例之一功率限制放大器的方塊示意圖。

圖6顯示結合本發明一實施例之該偵測單元的方塊示意圖。

圖2顯示結合本發明一實施例之一功率限制放大器20的方塊示意圖。參照圖2，該功率限制放大器20包含一偏壓電壓源VB、一降增益單元22、一運算放大器24、一偵測單元26、一輸入電容C1以及複數個電阻R1和RB。該運算放大器24具有一正輸入端，一負輸入端和一輸出端。該降增益單元22耦接於該電阻R1和該運算放大器24的該負輸入端之間。該電阻RB耦接於該運算放大器24的該正輸入端和該輸出端之間。

參照圖2，該偵測單元26係由兩電壓比較器262和264所組成。該電壓比較器262用以比較產生於該運算放大器24的該輸出端的一輸出信號VO和一預設電壓值REFH，藉以產生一控制信號CP1。該電壓比較器264用以比較該輸出信號VO和一預設電壓值REFL，藉以產生一控制信號CP2。該等信號CP1和CP2用以改變該降增益單元22的阻值。在本實施例中，該降增益單元22由兩電晶體M1和M2所組成。該電晶體 M1耦接於該電阻R1，而該電晶體M2耦接於該電晶體M1和該運算放大器24的該正輸入端之間。

在運作上，一類比信號VIN由該功率限制放大器20的一輸入端進入後，經由該輸入電容C1以濾除類比輸入信號的直流偏壓。接著，根據電阻RA和電阻RB的阻值比例，信號A1會被放大(RB/RA)倍數以產生該輸出信號VO。在本實施例中，電阻RA的阻值由電阻R1的阻值和該降增益單元22的等效阻值所加總而成，而該降增益單元22的等效阻值由兩電晶體M1和M2的導通阻值所決定。

當該輸出信號VO的電壓值落於該預設電壓值REFH和該預設電壓值REFL之間時，表示該類比信號VIN的電壓振幅為負載可接受範圍，因此該電壓比較器262會產生位於邏輯1位準的該控制信號CP1，而該電壓比較器264會產生位於邏輯1位準的該控制信號CP2，藉以完全導通該等電晶體M1和M2。此時，電阻RA的阻值實質上等於電阻R1的阻值。

當該輸出信號VO的電壓值大於該預設電壓值REFH時，表示該類比信號VIN的電壓振幅超過負載可接受範圍。此時，該電壓比較器262會產生低於邏輯1位準的該控制信號CP1，藉以部分導通該電晶體M1。因此，該電阻RA的阻值會由電阻R1的阻值和該電晶體M1的等效阻值所加總。由於該電阻RA的阻值提升，該信號A1的放大倍數會下降，藉以限制該輸出信號VO的電壓不大於該預設電壓值REFH。

類似地，當該輸出信號VO的電壓值小於該預設電壓值REFL時，表示該類比信號VIN的電壓振幅超過負載可接受範圍。此時，該電壓比較器264會產生低於邏輯1位準的該控制信號CP2，藉以部分導通該電晶體M2。因此，該電阻RA的阻值會由電阻R1的阻值和該電晶體M2的等效阻值所加總。由於該電阻RA的阻值提升，該信號A1的放大倍數會下降，藉以限制該輸出信號VO的電壓不低於該預設電壓值REFL。

圖3顯示結合本發明另一實施例之一功率限制放大器30的方塊示意圖，其中圖3中類似圖2之元件以類似的參考數字顯示。參照圖3，該降增益單元22’由一電晶體M3所組成。該電晶體M3耦接於該電阻R1和該運算放大器24的該負輸入端之間。

該偵測單元26係由複數個電壓比較器262、264和265以及一多工器266所組成。在運作上，當該輸出信號VO的電壓值落於該預設電壓值REFH和該預設電壓值REFL之間時，表示該類比信號VIN的電壓振幅為負載可接受範圍，因此該電壓比較器262會產生位於邏輯1位準的該控制信號CP1，而該電壓比較器264會產生位於邏輯1位準的該控制信號CP2。在該輸入信號VIN的電壓值大於一電壓值VCM時，該多工器266選擇輸出該控制信號CP1。在該輸入信號VIN的電壓值小於該電壓值VCM時，該多工器266選擇輸出該控制信 號CP2。該電壓值VCM為該輸入信號VIN電壓振幅的中心值。由於在該輸出信號VO的電壓值落於該預設電壓值REFH和該預設電壓值REFL之間時，該等控制信號CP1和CP2都是邏輯1位準，因此該等電晶體M1和M2完全導通。在此狀況下該輸出信號VO會是信號A1的(RB/RC)倍數。

當該輸出信號VO的電壓值大於該預設電壓值REFH時，表示該類比信號VIN的電壓振幅超過負載可接受範圍。藉由該等電壓比較器262、264和265以及該多工器266的運作，該偵測單元26’會輸出低於邏輯1位準的該控制信號CT，藉以部分導通該電晶體M3。因此，該電阻RA的阻值會由電阻R1的阻值和該電晶體M3的等效阻值所加總。由於該電阻RA的阻值提升，該信號A1的放大倍數會下降，藉以限制該輸出信號VO的電壓不大於該預設電壓值REFH。

當該輸出信號VO的電壓值小於該預設電壓值REFL時，表示該類比信號VIN的電壓振幅超過負載可接受範圍。藉由該等電壓比較器262、264和265以及該多工器266的運作，該偵測單元26’會輸出低於邏輯1位準的該控制信號CT，藉以部分導通該電晶體M3，藉以限制該輸出信號VO的電壓不低於該預設電壓值REFL。

圖2和圖3所例示的運算放大器24為雙端差動輸入，單端輸出的放大器型態。然而，本發明所揭示之輸入功率限制方法亦可使用於雙端差動輸入，雙端差動輸出的放大 器型態，如圖4所示，其中圖4中類似圖2之元件以類似的參考數字顯示。

參照圖4，該運算放大器24’具有一正輸入端，一負輸入端、一正輸出端和一負輸出端。互為反相的類比輸入信號VIP和VIN由該功率限制放大器40的一對差動輸入端進入後，經由輸入電容C1和C2以濾除類比輸入信號的直流偏壓。接著，根據電阻RD和電阻RB的阻值比例，信號A1會被放大(RB/RD)倍數以產生該輸出信號VO。在本實施例中，電阻R1的阻值與電阻R2的阻值相同，電阻R3的阻值與電阻RB的阻值相同。

參照圖4，該功率限制放大器40另包含一降增益單元42。該降增益單元42由兩電晶體M5和M6所組成。該電晶體M5耦接於該電阻R2，而該電晶體M6耦接於該電晶體M5和該運算放大器24的該負輸入端之間。在本實施例中，該等電晶體M5和M6的寬長比等於該等電晶體M1和M2的寬長比，因此該等電晶體M5和M6的導通阻值會等於該等電晶體M1和M2的導通阻值。在運作上，該降增益單元42會根據該等控制信號CP1和CP2以改變其阻值。該降增益單元42的工作原理相同於該降增益單元22的工作原理，於茲不贅述。

圖5顯示結合本發明又一實施例之一功率限制放大器50的方塊示意圖，其中圖5中類似圖3之元件以類似的參考數字顯示。參照圖5，該功率限制放大器50另包含一降增益 單元52。該降增益單元52由一電晶體M7所組成。該電晶體M7耦接於該電阻R2和該運算放大器24’的該負輸入端之間。在本實施例中，該電晶體M7的寬長比等於圖3中的該電晶體M3的寬長比。在運作上，該降增益單元42會根據該控制信號CT以改變其阻值。該降增益單元42的工作原理相同於圖3中的該降增益單元22的工作原理，於茲不贅述。

參照圖4，該等控制信號CP1和CP2的產生除了藉由該等比較器262和264外，亦可藉由其他方式，例如一充電泵(charge pump)而產生。圖6顯示結合本發明一實施例之一偵測單元26”的方塊示意圖。參照圖6，該偵測單元26”包含一比較器262、一比較器264、一充電泵62、一充電泵64、一低通濾波器66以及一低通濾波器68。

該充電泵62包含一上拉電流源I1、一開關SW1和一下拉電流源I2。該充電泵64包含一上拉電流源I3、一開關SW2和一下拉電流源I4。該充電泵62用以轉換該比較器262的比較結果，藉以產生該控制信號CP1。該低通濾波器66用以濾除該控制信號CP1的高頻成分。該充電泵64用以轉換該比較器264的比較結果，藉以產生該控制信號CP2。該低通濾波器68用以濾除該控制信號CP2的高頻成分。

在運作上，當圖4中的該輸出信號VOP的電壓值大於該預設電壓值REFH時，或者小於該預設電壓值REFL時，該等充電泵62和64以及該等低通濾波器66和68會一同運 作以產生低於邏輯1位準的該控制信號CP1，或是低於邏輯1位準的該控制信號CP2，藉以控制圖4中的該等降增益單元22和42的阻值。依此方式，該輸出信號VO的電壓可限制於該預設電壓值REFH和該預設電壓值REFL之間。

本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為隨後之申請專利範圍所涵蓋。

20‧‧‧功率限制放大器

22‧‧‧降增益單元

24‧‧‧運算放大器

26‧‧‧偵測單元

262,264‧‧‧電壓比較器

C1‧‧‧輸入電容

M1,M2‧‧‧電晶體

R1,RB‧‧‧電阻

VB‧‧‧偏壓源

Claims (10)

1. 一種功率限制放大器，包含：一運算放大器，包含一第一輸入端，一第二輸入端和一第一輸出端；一第一電阻；一第一降增益單元，耦接於該第一電阻和該運算放大器的該第一輸入端之間；一偵測單元，用以比較產生於該運算放大器的至少一輸出信號和至少一預設電壓值，藉以產生至少一控制信號；以及一第二電阻，耦接於該運算放大器的該第一輸入端和該運算放大器的該第一輸出端之間；其中，該第一降增益單元根據該至少一控制信號以改變其阻值。
2. 根據請求項1之功率限制放大器，其中該第一降增益單元包含：一第一電晶體，耦接於該第一電阻；以及一第二電晶體，耦接於該第一電晶體和該運算放大器的該第一輸入端之間；其中，該第一電晶體和該第二電晶體根據該至少一控制信號以改變其阻值。
3. 根據請求項2之功率限制放大器，其中該至少一預設電壓值包含一第一預設電壓值和一第二預設電壓值，在該至少一輸出信號大於該第一預設電壓值時，或在該至少一輸出信號小於該第二預設電壓值時，該偵測單元產生該至少一控制信號以改變該第一電晶體和該第二電晶體的阻值。
4. 根據請求項3之功率限制放大器，其中該第一降增益單元包含：一第一電晶體，耦接於該第一電阻和該運算放大器的該第一輸入端之間；其中，在該至少一輸出信號大於一第一預設電壓值時，或在該至少一輸出信號小於一第二預設電壓值時，該第一電晶體改變其阻值。
5. 根據請求項1之功率限制放大器，其中該運算放大器更包含一第二輸出端，且該功率限制放大器更包括：一第三電阻；一第二降增益單元，耦接於該第三電阻和該運算放大器的該第二輸入端之間；一第四電阻，耦接於該運算放大器的該第二輸入端和該運算放大器的該第二輸出端之間；其中，該第二降增益單元根據該至少一控制信號以改變其阻值。
6. 根據請求項5之功率限制放大器，其中該第一降增益單元和該第二降增益單元中的每一者包含一第一電晶體和一第二電晶體，該第一降增益單元中的該第一電晶體和該第二電晶體串聯連接於該第一電阻和該運算放大器的該第一輸入端之間，該第二降增益單元中的該第一電晶體和該第二電晶體串聯連接於該第三電阻和該運算放大器的該第二輸入端之間，該第一降增益單元和該第二降增益單元中的該第一電晶體和該第二電晶體根據該至少一控制信號以改變其阻值。
7. 根據請求項6之功率限制放大器，其中該至少一預設電壓 值包含一第一預設電壓值和一第二預設電壓值，在該至少一輸出信號大於該第一預設電壓值時，或在該至少一輸出信號小於該第二預設電壓值時，該偵測單元產生該至少一控制信號以改變該第一降增益單元和該第二降增益單元中的該第一電晶體和該第二電晶體的阻值。
8. 根據請求項5之功率限制放大器，其中該第一降增益單元和該第二降增益單元中的每一者包含一第一電晶體，該第一降增益單元中的該第一電晶體串聯連接於該第一電阻和該運算放大器的該第一輸入端之間，該第二降增益單元中的該第一電晶體串聯連接於該第三電阻和該運算放大器的該第二輸入端之間，且其中該至少一預設電壓值包含一第一預設電壓值和一第二預設電壓值，在該至少一輸出信號大於該第一預設電壓值時，或在該至少一輸出信號小於該第二預設電壓值時，該偵測單元產生該至少一控制信號以改變該第一降增益單元和該第二降增益單元中的該第一電晶體的阻值。
9. 根據請求項1之功率限制放大器，其中該偵測單元更包括：一充電泵單元，用以接收該運算放大器的該至少一輸出信號和至少一預設電壓值的比較結果，藉以產生該至少一控制信號；以及一濾波器單元，耦接於該充電泵單元，用以濾除該至少一控制信號的高頻部分。
10. 根據請求項9之功率限制放大器，其中該至少一預設電壓值包含一第一預設電壓值和一第二預設電壓值，在該至少一輸出信號大於該第一預設電壓值時，或在該至少一輸出信號小於該第二預設電壓值時，該偵測單元產生該至少一 控制信號以改變該第一降增益單元的阻值。