CN100477505C

CN100477505C - 无滤波电路d类功率放大器

Info

Publication number: CN100477505C
Application number: CNB2006101503997A
Authority: CN
Inventors: 吴国宏
Original assignee: YUANJING ELECTRON CORP
Current assignee: YUANJING ELECTRON CORP
Priority date: 2005-11-03
Filing date: 2006-11-01
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2026-11-01
Also published as: CN1960172A; US7355473B2; US20070109049A1; TWI330453B; TW200719580A

Abstract

本发明披露一种用于无滤波电路功率放大器的双参考波调变电路以减小电磁干扰(EMI)。在此无滤波电路功率放大器中，基于输入音频信号，用于驱动负载阻抗的差动输出是由误差放大器校正的。参考波产生器产生参考波。比较器响应参考波和输入音频信号。开关单元的工作状态基于比较器的输出信号来决定，并且开关单元输出差动输出。此外，回授单元将差动输出回授到误差放大器。如此，不需要复杂的控制逻辑电路。

Description

无滤波电路D类功率放大器

技术领域

本发明涉及一种无滤波电路放大器。且特别涉及一种用于减少电磁干扰(EMI)的无滤波电路放大器的双参考波的无滤波电路调变架构及其方法。

背景技术

D类音频功率放大器的效率比AB类音频功率放大器的效率高二到五倍。因其较高的效率，D类放大器需要较小电源并降低功率消耗，显著地减小系统成本、大小和重量。

D类音频功率放大器将音频信号转换高频脉冲，其可按照音频输入信号切换输出。某些D类放大器使用脉冲宽度调变器(PWM)来产生连续脉冲，其宽度按照音频信号幅度而变化。宽度变化的脉冲以固定频率来切换输出晶体管。其它D类放大器可依靠其它类型的脉冲调变器。为方便解释，以下讨论将主要参考脉冲宽度调变器，但所属技术领域的技术人员将了解到D类放大器可配置其它类型的调变器。

图1显示了一种公知的D类放大器。输入音频信号通过电容CIN1和CIN2输入到输入放大器101。然后，比较器105比较由负输入端所接收的放大器101输出和正输入端所接收的三角参考波产生器103的三角参考波，据以产生PWM信号。PWM信号输入到栅极驱动器107以驱动晶体管Q11～Q14。D类放大器的差动输出OUTP和OUTN分别回授到低通滤波器(由L1/C1与L2/C2所组成)，其将脉冲回转为音频放大信号，以驱动一个或一个以上的负载109(例如，喇叭)。

公知D类放大器有差动输出(OUTP和OUTN)，每一输出是互补的，其信号摆动范围从接地到VDD。

图2A～图2C显示当分别是大输入信号、小输入信号和无输入信号时的波形。在图2C中，产生了高输出纹波电流(ripple current)。为了减小高输出纹波电流，需要大的LC滤波器，如图1所示。

当输入信号是零或非常小的时候，公知D类放大器在负载两端还有工作周期(duty cycle)差不多为50％的负载循环。这负载循环吸收并产生通过负载(扬声器)的大电流，导致额外的功率消耗。

因为公知D类放大器需要大的LC滤波器，其增加了体积大小和电路成本，因此D类放大器在很多随身携产品中不流行。无滤波电路D类放大器不需要使用输出滤波器，同时保持高效率。无滤波电路调变方案使D类放大器在成本和大小方面近似等于AB类放大器，但效率仍然较高。一种公知无滤波电路D类放大器如图3所示。图4A和4B分别显示大输入信号和小输入信号的波形。

如图3所示，驱动负载315的无滤波电路D类放大器至少包括差动输入放大器301、积分器305和307、三角参考波产生器303、比较器309和311、一个控制逻辑和栅极驱动器313和开关晶体管Q31～Q34。音频信号通过电阻RS1而输入至差动输入放大器301的正输入端。差动输入放大器301的负输入端则连接电容CIN3与电阻RS2。差动输入放大器301的负输出端通过电阻RFB31而回授至差动输入放大器301的正输入端。差动输入放大器301的正输出端通过电阻RFB32而回授至差动输入放大器301的负输入端。差动输入放大器301的负输出端通过电阻RS3而连接至积分器305的负输入端。差动输入放大器301的正输出端通过电阻RS4而连接至积分器307的负输入端。积分器307的正输入端与积分器305的正输入端则连接至电源VDD/2。积分器305的输出端通过电容C32而回授至其负输入端。积分器307的输出端通过电容C31而回授至其负输入端。输出信号OUTP通过电阻RFB33而回授至积分器305的负输入端。输出信号OUTN通过电阻RFB34而回授至积分器307的负输入端。

这个调变方案减小EMI并没有低通滤波器(这就是为什么叫做“无滤波电路”的原因)。这种公知技术使用两个积分器，然这将增加静电流、电路大小和解决方案成本。

因此，需要一种克服已知技术缺点的新型和高效的D类音频功率放大器。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种高效无滤波电路的D类音频功率放大器。

本发明的另一目的是提供一种高音频质量的无滤波电路的D类音频功率放大器。

本发明的另一目的是提供一种小EMI的无滤波电路的D类音频功率放大器。

为了达到上述及其它目的，本发明的一个实施例提供了一种处理输入音频信号的无滤波电路音频功率放大器。无滤波电路音频功率放大器有差动输出以驱动负载阻抗。无滤波电路音频功率放大器包括：误差放大器，输入音频信号连接到此误差放大器，其中该误差放大器具有一输出，该误差放大器为一个积分器；第一和第二参考波产生器，产生第一和第二参考波；第一比较器，其中该第一比较器具有用于接收该误差放大器的该输出的负输入端和用于接收该第一参考波的正输入端；第二比较器，其中该第二比较器具有用于接收该误差放大器的该输出的正输入端和用于接收该第二参考波的负输入端；开关单元，其中该开关单元接收该第一和第二比较器的输出信号，且其工作状态基于第一和第二比较器的输出信号而决定，此开关单元会输出该差动输出；以及回授单元，其将差动输出回授到误差放大器，其中该回授单元为一个回授放大器，该回授单元接收该差动输出，并通过第一回授电阻产生输出到该积分器的负输入端，误差放大器响应输入音频信号而校正该差动输出。

除此之外，本发明的另一实施例提供一种驱动负载阻抗的音频信号处理方法。在此方法中，接收输入音频信号。响应输入音频信号，对回授的差动输出信号进行误差放大。响应于第一参考波和该误差放大输出信号，产生第一逻辑信号。响应于第二参考波和该误差放大输出信号，产生第二逻辑信号。基于第一和第二逻辑信号而产生差动输出。利用该差动输出信号来驱动负载阻抗。其中，采用一个积分器进行误差放大，且采用一个回授放大器，该回授放大器接收该差动输出，并通过第一回授电阻产生输出到该积分器的负输入端，来回授该差动输出。

为让本发明的上述与其它特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1显示公知D类放大器的电路图。

图2A～图2C显示图1在大输入信号、小输入信号或无输入信号时的波形。

图3显示公知无滤波电路D类放大器的电路图。

图4A和图4B显示当输入信号分别是大和小时，图3的波形。

图5显示根据本发明一实施例的无滤波电路D类放大器的电路图。

图6显示图5的波形。

图7A～图7D显示图5的开关晶体管的工作状态。

主要元件标记说明

101：输入放大器

103：三角参考波产生器

105：比较器

107：栅极驱动器

109、315：负载

301：差动输入放大器

303：三角参考波产生器

305、307：积分器

309、311：比较器

313：控制逻辑和栅极驱动器

501：输入放大器

503：积分器

505、507：参考波产生器

509、511：比较器

513：栅极驱动电路

515：回授放大器

517：负载

RS1～RS4、RFB31～RFB34、RFB51～RFB53、RIN5：电阻

Q11～Q14、Q31～Q34、Q51～Q54：晶体管

L1/C1、L2/C2：低通滤波器

CIN1、CIN2、CIN3、CIN5、C31、C32、C51：电容

具体实施方式

图5显示根据本发明的一个实施例的低EMI的无滤波电路D类音频功率放大器的电路图。输入音频信号通过电容CIN5输入到输入放大器501的负输入端。输入放大器501前置放大输入音频信号。输入放大器501还有正输入端连接到积分器503的正输入端。输入放大器501的输出通过电阻RIN5连接到积分器503的负输入端。积分器503的输出通过电容C51进一步回授到积分器503的负输入端。积分器503、电阻RIN5和电容C51构成误差放大器，用于响应(前置放大的)输入音频信号校正D类音频放大器的差动输出信号(OUTP和OUTN)。

两个参考波产生器505和507分别产生参考波。例如，但不限于，参考波产生器505和507分别产生锯齿(或三角)波形的三角参考波1和三角参考波2。三角参考波1和三角参考波2是相互对称的，并且彼此相位差是180°。三角参考波1和三角参考波2的波形如图6所示。当然，参考波产生器505和507所产生的参考波之间的相位关系并不限于此。例如，参考波可以是后沿倾斜波(trailing edge ramp wave)、前沿倾斜波(leadingedge ramp wave)或其组合。三角参考波1输入到比较器509的正输入端，而三角参考波2输入到比较器511的负输入端。积分器的输出信号(或者说，误差放大器的输出信号)输入到比较器509的负输入端。此外，积分器503的输出信号(或者说，误差放大器的输出信号)也输入到比较器511的正输入端。如图5所示，积分器503的输出信号(或者说，误差放大器的输出信号)对应于或者相当于输入音频信号。

众所周知，当比较器的正输入高于负输入时，比较器的输出信号为高电位。当三角参考波1高于积分器503的输出信号时，比较器509的输出信号为高电位。或者说，当三角参考波1高于输入音频信号时，比较器509的输出信号为高电位。同样地，当积分器503的输出信号高于三角参考波2时，比较器511的输出信号为高电位。或者说，当输入音频信号高于三角参考波2时，比较器511的输出信号为高电位。比较器509的“高电位”输出信号将通过栅极驱动电路513和开关晶体管Q51～Q54而导致无滤波电路D类音频功率放大器的输出信号OUTN出现脉冲。同样地，比较器511的“高电位”输出信号将通过栅极驱动电路513和开关晶体管Q51～Q54而导致无滤波电路D类音频功率放大器的输出信号OUTP出现脉冲。

比较器509和511的输出信号输入至栅极驱动电路513。栅极驱动电路513基于比较器509和511的输出信号驱动或切换开关晶体管Q51～Q54。此处并不特别限制栅极驱动电路513的设置。晶体管Q51～Q54的工作状态如图7A～图7D所示。输出信号OUTP和OUTN从晶体管Q51～Q54的源极或漏极端输出。一对差动输出OUTP和OUTN用于驱动负载517。负载517，例如是但不限于喇叭。

为了更精确地响应输入音频信号驱动负载517，输出信号OUTP和OUTN通过回授电阻RFB51～RFB53和回授放大器(FBA)515回授到误差放大器。更具体地讲，输出信号OUTP通过回授电阻RFB53输入到FBA515，而输出信号OUTN通过回授电阻RFB52输入到FBA515。FBA515的输出通过回授电阻RFB51连接到积分器503的正输入端。回授电阻RFB51～RFB53和FBA515构成回授单元。

通过本实施例，扬声器可高质量与高效率地正确播放音频输入信号。

图6显示图5的波形。为便于识别，三角参考波1以虚线表示。正如上文所讨论的，如果输入信号低于三角参考波1，则在OUTN中产生脉冲TN1～TN7，且其脉冲宽度与输入信号低于三角参考波1的时期有关。同样地，如果输入信号高于三角参考波2，则在OUTP中产生脉冲TP1～TP7，且其脉冲宽度与输入信号高于三角参考波2的时期有关。OUTP与OUTN间的差异(OUTP-OUTN)代表用于驱动负载(扬声器)的负载驱动信号。

图7A～图7D显示图5的开关晶体管的工作状态。在这些图中，显示出电流。更明确地，如图5所示，晶体管Q51～Q54由栅极驱动器所控制。在图7A中，晶体管Q51和Q54开启，而晶体管Q52和Q53关闭，得到“高”(H)OUTP和“低”(L)OUTN。在图7B中，晶体管Q52和Q53开启，而晶体管Q51和Q54关闭，得到“L”OUTP和“H”OUTN。在图7C中，晶体管Q51和Q52开启，而晶体管Q53和Q54关闭，得到“H”OUTP和“H”OUTN。在图7D中，晶体管Q53和Q54开启，而晶体管Q51和Q52关闭，得到“L”OUTP和“L”OUTN。

本实施例提供的D类功率放大器不需要复杂的控制逻辑，而且只需要输入放大器即可获得良好的性能。这将减少电路尺寸和成本并使电路易于实现。无滤波电路功率放大器能减小EMI。通过双三角参考波调变技术，可应用小又便宜的LC滤波器而不会增加静电流，并且在小输入音频信号时可减少功率消耗。此外，这个双三角参考波调变技术不仅有公知调变技术的优点，更可得到更好的功率效率。

在用于以上描述和权利要求中时，“积分”和“积分器”是指通常在音频回授放大器的回授环路中的积分，而不是指典型地由反相器提供的相位或频率补偿的积分。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作稍微的更改与改进，因此本发明之保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims

1、一种处理输入音频信号的无滤波电路音频功率放大器，该无滤波电路音频功率放大器具有差动输出以驱动负载阻抗，其特征是该功率放大器包括：

误差放大器，该输入音频信号连接到该误差放大器，其中该误差放大器具有一输出，该误差放大器为一个积分器；

第一和第二参考波产生器，产生第一和第二参考波；

第一比较器，其中该第一比较器具有用于接收该误差放大器的该输出的负输入端和用于接收该第一参考波的正输入端；

第二比较器，其中该第二比较器具有用于接收该误差放大器的该输出的正输入端和用于接收该第二参考波的负输入端；

开关单元，其中该开关单元接收该第一和第二比较器的输出信号，且该开关单元的工作状态基于该第一和第二比较器的输出信号来决定，该开关单元输出该差动输出；以及

回授单元，将该差动输出回授到该误差放大器，其中该回授单元为一个回授放大器，该回授单元接收该差动输出，并通过第一回授电阻产生输出到该积分器的负输入端，该误差放大器响应该输入音频信号而校正该差动输出。

2、根据权利要求1所述的无滤波电路音频功率放大器，其特征是还包括输入放大器，该输入放大器具有通过第一电容接收该输入音频信号的负输入端、正输入端和将该前置放大输入音频信号输出到该误差放大器的输出端。

3、根据权利要求2所述的无滤波电路音频功率放大器，其特征是该积分器具有连接到该输入放大器的该正输入端的正输入端、通过第一电阻接收该输入放大器的输出的该负输入端和输出端，其中该积分器的该输出端通过第二电容进一步回授到该积分器的该负输入端。

4、根据权利要求1所述的无滤波电路音频功率放大器，其特征是当该第一参考波高于该误差放大器的该输出时，在该差动输出的第一输出中产生脉冲。

5、根据权利要求1所述的无滤波电路音频功率放大器，其特征是当该第二参考波低于该误差放大器的该输出时，在该差动输出的第二输出中产生脉冲。

6、根据权利要求3所述的无滤波电路音频功率放大器，其特征是

该回授放大器通过第二和第三回授电阻接收该差动输出。

7、根据权利要求1所述的无滤波电路音频功率放大器，其特征是该第一和第二参考波是相互对称的三角参考波。

8、根据权利要求1所述的无滤波电路音频功率放大器，其特征是该第一和第二参考波是后沿倾斜波。

9、根据权利要求1所述的无滤波电路音频功率放大器，其特征是该第一和第二参考波是前沿倾斜波。

10、根据权利要求1所述的无滤波电路音频功率放大器，其特征是该负载阻抗是喇叭。

11、一种驱动负载阻抗的音频信号处理方法，其特征是该方法包括下述步骤：

接收输入音频信号；

响应该输入音频信号而误差放大经回授的差动输出；

响应第一参考波和该误差放大输出，产生第一逻辑信号；

响应第二参考波和该误差放大输出，产生第二逻辑信号；

基于该第一和第二逻辑信号产生该差动输出；以及

用该差动输出驱动该负载阻抗，

其中，采用一个积分器进行误差放大，且采用一个回授放大器，该回授放大器接收该差动输出，并通过第一回授电阻产生输出到该积分器的负输入端，来回授该差动输出。

12、根据权利要求11所述的方法，其特征是还包括下述步骤：

前置放大该输入音频信号。

13、根据权利要求11所述的方法，其特征是产生该第一逻辑信号的该步骤包括下述步骤：当该第一参考波高于该误差放大输出时，在该差动输出的第一输出中产生脉冲。

14、根据权利要求11所述的方法，其特征是产生该第二逻辑信号的该步骤包括下述步骤：当该第二参考波低于该误差放大输出时，在该差动输出的第二输出中产生脉冲。

15、根据权利要求11所述的方法，其特征是该第一和第二参考波是相互对称的三角参考波。

16、根据权利要求11所述的方法，其特征是该第一和第二参考波是后沿倾斜波。

17、根据权利要求11所述的方法，其特征是该第一和第二参考波是前沿倾斜波。

18、根据权利要求11所述的方法，其特征是该负载阻抗是喇叭。