CN100356689C - 用于改善d类音频放大器性能的脉冲幅度调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种D类音频放大器的PAM(脉冲幅度调制)改良方法及电路。D类音频放大器的输入为一种PWM信号，具有无效时间(deadtime)的延迟设计。为了减少该无效时间的延迟设计所产生的输出信号畸变，本发明的方法如下：检测该D类音频放大器的输出端电流的极性；当电流为负时，在该D类音频放大器的电源端加上一电压调整电路，以控制D类音频放大器的电源电压，使其在无效时间时由高电位降至低电位；当电流为正时，在该D类音频放大器的N点(低电位点)加上一电压补偿电路，以补偿D类音频放大器N点的电压，使其在无效时间时由低电位升至高电位。

Description

用于改善D类音频放大器性能的脉冲幅度调制方法
技术领域
本发明涉及用于改善D类音频放大器性能的脉冲幅度调制方法及电路，尤其涉及能够减少避免D类音频放大器中由无效时间设计所引起的缺陷的方法和电路。
背景技术
参考图一，为传统D类音频放大器之示意图。PWM(脉宽调制)信号VPWM自左边输入位于D类音频放大器左边的NMOS1(N型金属氧化物半导体)和NMOS2，及位于D类音频放大器右边的NMOS3和NMOS4。其路径中分别安置着反相器5、6、7，如图所示。输入NMOS1、NMOS2、NMOS3、NMOS4栅极的信号分别以TA+，TA-，TB+，TB-表示。NMOS1与NMOS2之间的接点A及NMOS3、NMOS4之间的接点B为输出端，在A和B之间接着扬声器8(以电感表示)。电源VCC与N点(低电压点)之间接着四个二极管9、10、11、12。
PWM信号VPWM为如图2下方所示的方波，该方波的脉冲宽度代表原始模拟信号Vsignal(图1左边及图2上方的正弦波)的振幅。模拟信号Vsignal在经过图1左边的比较器13后，被三角信号Vtriangle切割，然后转换为方波VPWM。
为了简化说明，请参考图3，信号Vsignal为恒定电压波形，而不是正弦波，所切割出来的输入NMOS1与NMOS2且彼此反向的理想PWM波形用TA+及TA-表示。TB+与TB-的波形和功能与TA+及TA-相同，因此省略进一步的解释。
在该理想PWM波形TA+及TA-输入NMOS1与NMOS2后，当TA+及TA-改变状态的瞬间(图3中的点“a”)，NMOS1与NMOS2可能由于逻辑混乱而同时导通。于是，将形成瞬时大电流而损坏NMOS1与NMOS2。同理，TB+与TB-也可能损坏NMOS3与NMOS4。
为了避免NMOS1，NMOS2，NMOS3与NMOS4被损坏，电路设计者在TA+与TA-，TB+与TB-改变状态时，将延迟在后波形的状态变化，从而形成无效时间(deadtime)，如图3中的TA+(dt)及TA-(dt)所示。
这种无效时间之设计虽然能够避免NMOS1，NMOS2，NMOS3和NMOS4被损坏，但二极管9、10、11和12仍将导通。例如：若二极管9导通(表示电感电流为负，iL＜0)，此时VA(图1中A点的电压)的波形将以图3最下面的左边波形所示的方式变化，该波形本来应在a点下降，但现在却在一段时间Δt后才下降，形成“多余”的区域31。若二极管10导通(表示电感电流为正，iL＞0)，此时VA的波形将以图3下面右边波形所示的方式变化，该波形本来应在b点上升，但现在却在一段时间Δt后才上升，形成“损失”的区域32。
参考图四，理想的输出VA若是一正弦波，则由于上述无效时间设计的影响，实际输出将被畸变和不平滑，如图4中虚线所示。这种畸变的实际输出使得总谐波失真(THD)增加，因而损坏声音质量。
发明内容
因此本发明的目的为提供一种改善D类音频放大器性能的PAM方法。该D类音频放大器的输入为一种PWM信号，并设计为具有无效时间的延时功能。为了  少无效时间设计所产生的输出信号畸变，本发明包括如下步骤：
在D类音频放大器的输出端将一电阻器与一扬声器串联，且设计一判断电路，判断流过该电阻器的电流的极性；
在D类音频放大器的电源端加上一电压调整电路，当该电阻器的电流为负时，用于控制D类音频放大器的电源电压，使其在无效时间期间由高电压降至低电压；
在D类音频放大器的低电压点加上一电压补偿电路，以便当该电阻器的电流为正时，补偿D类音频放大器低电压点的电压，使其在无效时间期间由低电压升至高电压。
参考附图，通过下面的说明，本发明将更加清楚。附图仅以说明的目的示出本发明的优选实施例。
附图说明
图1为传统D类音频放大器的示意图；
图2为传统D类音频放大器的PWM信号产生示意图。
图3为在传统D类音频放大器的PWM信号中加上无效时间设计的示意图。
图4为传统D类音频放大器因无效时间设计而产生的输出信号失真示意图。
图5示出本发明的电路方块图。
图6示出根据本发明对无效时间设计的改善。
图7示出根据本发明的电路图。
图8示出根据本发明的电路波形图。
具体实施方式
请参考图五，示出本发明电路方块图，此图以TA+与TA-为例说明，但TB+与TB-也同样适用。
图五右方为传统的D类音频放大器电路。在该实施例中，在A、B两点之间，电阻器14与扬声器8串联连接。图五左方示出本发明之电路方块图，以虚线分成上下两部分。上部是电压调整电路，下部是电压补偿电路。
电压调整电路包含一“多余”区域检测脉冲发生器51、一积分器52及一电压调整器53。电压补偿电路包含一“损失”区域检测脉冲发生器54、一积分器55、一电压调整器57，以及用于判断电流极性的判断电路56。TA+与TA-分别输入“多余”区域检测脉冲发生器51及“损失”区域检测脉冲发生器54。电阻器14两端的电压输入判断电路56，然后分别输入“多余”区域检测脉冲发生器51及“损失”区域检测脉冲发生器54。积分器52的输出则控制电压调整器53从而调整VCC电压。积分器55的输出则控制电压调整器57从而补偿N点的电压。
电压调整电路用于拖曳VCC的电压使图3的“多余”区域31变成图6下方右边的三角形区域61。电压补偿电路用于补偿N点的电压使图3的“损失”区域32变成图6下方左边的三角形区域62。这样就使原始的“多余”或“损失”区域减小一半，从而改善D类音频放大器的性能。这是一种PAM式的改良。
参考图7，说明本发明电路图。判断电流极性的判断电路56基本上是一种比较器。“多余”区域检测脉冲发生器51包含一D触发器511、一与门512及一反相器513。输入TA+与TA-，判断电路56的输出则输入与门512。当电阻器14的电流为负时，与门512能输出信号，如图所示。这种电路在TA+下降与TA-上升之间的无效时间内能够产生对应的脉冲n6，如图8所示。
脉冲n6输入积分器52，积分器52包含一电阻器520、一MOS 521、一电容器522、一运算放大器523、一反相器524。其输出为脉冲波形n9，如图8所示。
脉冲n9输入电压调整器53，控制VCC电压，使其由原始的VCC电压逐渐下降到零，如图8n11波形所示。电压比较器53用于拖曳VCC的电压使图3的“多余”区域31变成图6下方右边的三角形区域61。这样就使原始的“多余”区域减小一半，从而改善D类音频放大器的性能。这是一种PAM式的改良。
“损失”区域检测脉冲发生器54包含一D触发器541、一与门542及一反相器543。输入TA+与TA-，判断电路56的输出则经一反相器544输入与门542。当电阻器14的电流为正时，与门542能输出信号，如图所示。这种电路在TA-下降与TA+上升之间的无效时间能够产生对应的脉冲n7，如图8所示。
脉冲n7输入积分器55，积分器55包含一电阻器550、一MOS551、一电容器552、一运算放大器553，积分器55的输出波形为脉冲n10，如图8所示。
脉冲n10输入电压调整器57，以补偿N点的电压，其波形如图8中的n12所示，使图3的“损失”区域32成图6下方左边的三角形区域62。这样就使原始的“损失”区域减小一半，从而改善D类音频放大器的性能。这是一种PAM式的改良。
本发明中电压调整器53及57均使用TEXAS INSTRUMENTS的集成电路LM317M。
本发明的精神与范围仅受限于下述权利要求，不受限于上述实施例。

Claims (7)

1.一种用于改善D类音频放大器性能的脉冲幅度调制方法，该D类音频放大器的输入为一种脉宽调制信号，并具有无效时间设计，以便具有延时功能，为了减少该无效时间设计所产生的输出信号畸变，该方法包括如下步骤：
在该D类音频放大器的输出端将一电阻器与一扬声器串联，且设计一电流极性判断电路，以比较该电阻器两端的电压而判断其电流的极性；
在该D类音频放大器的电源端加上一电压调整电路，当该电阻器的电流为负时，用于控制D类音频放大器的电源电压，使其在无效时间时由高电位降至低电位；
在该D类音频放大器的低电位点加上一电压补偿电路，当该电阻器的电流为正时，用于补偿D类音频放大器低电位点的电压，使其在无效时间时由低电位升至高电位。
2.  如权利要求1所述的方法，其中将所述电阻器的两端电压输入所述电流极性判断电路的输入端，电流极性判断电路的输出则输入所述电压调整电路，且电流极性判断电路的输出经一反相器输入该电压补偿电路。
3.如权利要求1所述的方法，其中该电压调整电路包含一多余区域检测脉冲发生器、一积分器及一电压调整器。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述电压补偿电路包含一损失区域检测脉冲发生器、一积分器及一电压调整器。
5.如权利要求2所述的方法，其中所述电流极性判断电路为一比较器。
6.如权利要求3所述的方法，其中所述多余区域检测脉冲发生器包含一D触发器、一与门及一反相器；该积分器包含一电阻器、一MOS、一电容器、一运算放大器及一反相器；该电压调整器为TEXASINSTRUMENTS的LM317M。
7.如权利要求4所述方法，其中所述损失区域检测脉冲发生器包含一D触发器、一与门及一反相器；该积分器包含一MOS、一电阻器、一电容器、一与门，该电压调整器为TEXAS INSTRUMENTS的LM317M。
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