CN100544192C - 一种音频放大装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种放大器电路，其通过使用减噪反馈网络进行音频信号处理和其它信号处理。当输出信号处于或接近电压饱和状态时，该减噪反馈网络自动导通。该网络提供反馈信号至放大器控制级的输入端，并且调制控制信号。其防止了与“削波”相关的音频噪声。

Description

一种音频放大装置及方法
相关申请的交叉参考
本申请要求2004年10月18日提交的美国临时专利申请序列号60/620,149的优先权，特此将其并入参考。
技术领域
本发明主要涉及音频信号处理，尤其涉及一种包括用于音频信号放大和其它音频信号处理的D类放大器的系统。
背景技术
D类音频放大器由于其功率效率常用于音频放大。典型地，D类音频放大器以最小化的内部功耗工作在开关模式。D类音频放大器在输出级产生矩形波，该矩形波在传送到负载之前被滤波。滤波的信号波是放大形式的输入信号波。D类音频放大器通常用于高功率应用。对于低功率应用，A/B类放大器仍很普及。
当输入音频信号超过音频放大器的线性范围时，放大器的输出饱和。当放大器进入饱和状态及退出饱和状态时，在可听波段内的振荡常被观测到，如图6所示。这可以导致可听噪声的“削波(clipping)”。此问题在D类音频放大器中更为严重，因为开关电源能够跳过由最小开关时间限制所产生的开关周期。如果电源跳过足够的周期，那么有效工作频率可以进入可听频率范围并导致意外的可听噪声。
有几种已知方法来解决该问题。第一种方法是利用钳位电路限制输入信号的振幅。但是，若没有音频源的输出阻抗信息，这不可能实用并且可能降低音频信号质量。第二种方法是在D类音频放大器的输入之前增加自动增益控制(AGC)前置放大器。此AGC前置放大器限制输入信号振幅以防止输出饱和，但其施行相当复杂并且增加了极大的成本。该限制对于低频音频信号可变得更为严重。第三种方法是增加高通滤波器以限制通入D类放大器的最低音频频率，但还不能完全解决该问题。
因此，需要更多改进以减小D类音频放大器中接近饱和时的音频噪声。
发明内容
结合用作解释和说明性的系统、电路和方法阐明以下实施例和方案。在各种实施例中，上述问题已被减轻或消除，而其它实施例涉及其它改进。
一种方法引入了减噪反馈网络。减噪反馈网络耦接至音频放大器的输出级和控制级。其包括检测电路和调制电路。检测电路耦接至输出级以监控输出电压，检测输出电压是否接近饱和状态，并产生一个控制信号或多个控制信号至调制电路。一旦输出电压接近饱和状态，则调制电路产生可调整电流至控制级，以调制输出信号并去除接近饱和时的可听振荡。
在非限制性的实施例中，检测电路可包括耦接至输出级的两个背靠背的晶体管或两个背靠背的“齐纳”二极管。一旦输出电压处于接近饱和状态，这两个晶体管就被导通(activate)。当两个晶体管导通时，由调制电路根据输出电压产生可调整信号。这些可调整信号反馈至控制级。与在接近饱和区域被削波的情况相比，正弦输出波形变得更为“弯曲”。
在另一非限制性的实施例中，检测电路可包括耦接在电源电压Vcc与输出级之间的第一晶体管和耦接在地与输出级之间的第二晶体管。只要输出电压不处于接近饱和状态，两个晶体管就都被导通。一旦输出电压接近Vcc区域，则第一晶体管变为截止(deactivate)；一旦输出电压接近地电压区域，则第二晶体管变为截止。第一晶体管还耦接至电流电路中的第三晶体管。这两个晶体管是这样耦接的，即一旦第一晶体管截止、第三晶体管才会导通，一旦第一晶体管导通、第三晶体管才会变为截止。第二晶体管还耦接至电流电路中的第四晶体管。这两个晶体管是这样耦接的，即一旦第二晶体管截止、第四晶体管才会导通，一旦第二晶体管导通、第四晶体管才会变为截止。如果输出电压处于接近饱和状态，则电流电路中的第三晶体管或第四晶体管产生可调整电流至控制级，以调制输出信号。
附图说明
以下附图示出本发明的实施例。这些附图和实施例提供本发明的示例，其是非限制性和非完备的。
图1是示出一个系统的实施例的电路示意图，该系统具有D类放大器和适用于音频信号放大和其它音频信号处理的其它元件；
图2是在桥接式负载(BTL)D类放大器中的本发明的示例；
图3示出在BTLD类放大器中具有和不具有本发明的输出波形；
图4是示出一个系统的实施例的电路框图，该系统具有音频放大器和适用于音频信号放大和其它音频信号处理的其它元件；
图5是减噪反馈网络的另一示例；
图6示出在不具有本发明的放大器中具有“削波”的可听噪声的波形。
具体实施方式
在此详细描述使用音频放大器和附属电路以获取低噪声音频信号放大和其它音频信号处理的系统和方法的实施例。在以下说明中，包括一些特定细节，例如示例电路和这些电路元件的示例值，以提供对于本发明实施例的全面理解。但是，相关领域的技术人员了解，在不具有一个或多个特定细节的情况下，或者通过其它方法、元件、材料等可以实行本发明。
本发明涉及产生低噪声放大音频信号的电路和方法。提出的音频放大器中的电路能够监控输出信号，检测输出信号是否接近饱和状态，并产生可调整电流至放大器的控制级，以调制输出信号并去除接近饱和时的振荡。
图1是根据本发明的系统的实施例。该系统包括控制级A、输出级O和减噪反馈网络Y。
输入信号Vin经电容Cin1和电阻Rin1耦接至输入节点X1。另一输入节点X2经电阻Rin2和电容Cin2耦接至地。节点X1和X2通过电容C2耦接在一起。节点X1的信号包括三个成分：Vin的交流部，来自节点S1的反馈信号，和来自减噪反馈网络Y的上部的反馈信号。节点X2的信号包括三个成分：来自经C2耦接的X1的信号部分，来自节点S2的反馈信号，和来自减噪反馈网络Y的下部的反馈信号。
控制级A包括4个晶体管M1、M2、M3和M4，其用作功率输出切换装置。M1和M2驱动输出开关节点S1，而M3和M4驱动输出开关节点S2。在控制级A的上半部，M2的源极端耦接至地，并且M1的漏极端耦接至电源Vcc。M2的漏极端和M1的源极端都耦接至开关节点S1。节点S1经电阻Rfb1耦接至输入节点X1。在控制级A的下半部，M4的源极端耦接至地，并且M3的漏极端耦接至电源Vcc。M4的漏极端和M3的源极端都耦接至开关节点S2。节点S2经电阻Rfb2耦接至输入节点X2。
减噪反馈网络包括可调整电流源(I1和I2)和由V+与V-之间的输出信号差Vd触发的控制电路。除非Vd超过预设电压电平，控制电路都处于“关闭”状态。可调整电流源由控制电路控制。当电流源被控制电路开启时，附加电流流至输入节点X1和X2。此附加电流设定控制级A中的两个比较器CMP1和CMP2的最小切换频率。输入节点X1是比较器CMP1的负求和节点，并且是比较器CMP2的正求和节点。输入节点X2是比较器CMP1的正求和节点，并且是比较器CMP2的负求和节点。CMP1的输出信号提供逻辑门驱动器LDR1的输入信号。LDR1的输出LDR11驱动晶体管M1的栅极。LDR1的另一输出LDR12驱动晶体管M2的栅极。CMP2的输出信号提供逻辑门驱动器LDR2的输入信号。LDR2的输出LDR21驱动晶体管M3的栅极。LDR2的另一输出LDR22驱动晶体管M4的栅极。
在输出级O中，节点S1的矩形波被电感LL1和耦接至地的电容Cout1滤波，然后传送到输出节点V+。节点S2的矩形波被电感LL2和耦接至地的电容Cout2滤波，然后传送到输出节点V-。输出级O用于驱动负载，例如扬声器SP。电容C3与SP并联连接并耦接在V+和V-之间。
图2示出用在桥接式负载(BTL)D类放大器中的本发明实施例的示例。该系统包括D类放大器电路AA、输出级OO和减噪反馈网络YY。
输入信号经电容C6和电阻R3耦接至节点XX1。地经电容C28和电阻R6耦接至节点XX2。引入电容C6以隔离输入信号的直流分量。XX1和XX2通过电容C12耦接。节点SW1的信号经电阻R10、接地电容C17和电阻R11被反馈至XX1。节点SW2的信号经电阻R18、接地电容C16、并经电阻R19被反馈至XX1。
SW1的矩形波被电感L1和电容C7滤波，然后传送到输出节点OUT1+。SW2的矩形波被电感L2和电容C22滤波，然后传送到输出节点OUT1-。输出级OO还包括：扬声器SP1:A，和与SP1:A并联连接并耦接在OUT1+和OUT1-之间的电容C9。C9滤除节点OUT1+和OUT1-之间的高频噪声。
减噪反馈网络YY连接输出节点OUT1+和OUT1-与输入节点XX1和XX2。节点T1经电阻R30与OUT1+连接。节点T2经电阻R31与OUT1-连接。节点T1经电阻R29与节点T2连接。R29、R30和R31的组合协助限定下述的电路YY的可调整电流。
节点T1还经电阻R12、两个背靠背的晶体管Q11和Q12及电阻R15与节点T2连接。在电路YY的上半部，晶体管Q11和Q12的发射极和集电极全都连接在一起。晶体管Q11的基极连接至晶体管Q7和晶体管Q8的基极。晶体管Q7和晶体管Q8的发射极连接在一起，再经电阻R36连接至节点T1。晶体管Q7的集电极经二极管D22和电阻R22连接至节点XX1；晶体管Q8的集电极经二极管D21和电阻R22连接至节点XX1。在电路YY的下半部，晶体管Q12的基极连接至晶体管Q9和晶体管Q10的基极。晶体管Q9和晶体管Q10的发射极连接在一起，再经电阻R37连接至节点T2。晶体管Q9的集电极经二极管D23和电阻R24连接至节点XX2；晶体管Q10的集电极经二极管D24和电阻R24连接至节点XX2。
背靠背的晶体管Q11和Q12具有最小的导通电压V1。晶体管Q7、Q8、Q9和Q10典型地具有导通电压V2。在这些条件下，节点OUT1+和节点OUT1-之间的电压差Vd超过V1。晶体管Q11和Q12导通。一旦|Vd|超过V1+2V2，Q7或Q8在电路YY的上半部导通。电流经D22或D21和电阻R22反馈至节点XX1。附加电流增大节点XX1的电压切换频率，并限定电路YY的上半部中的顶部比较器的最小切换频率。增大的最小频率在接近“削波”范围中产生更“弯曲”的正弦波形。这协助消除了输出的正弦波进入和离开电压“削波”范围时的音频噪声。类似的分析应用于电路YY的下半部。一旦|Vd|超过V1+2V2，Q9或Q10在电路YY的下半部导通。电流经D23或D24和电阻R24反馈至节点XX2。附加电流增大节点XX2的电压切换频率，并限定电路YY的下半部中的下部比较器的最小切换频率。
图3示出在具有和不具有本发明的BTL D类放大器中的输出波形。不具有减噪反馈网络的BTL电路产生可能处于可听频率范围内的低频振荡；但具有该网络的电路产生没有任何低频振荡的纯输出电压。
减噪反馈网络不限于以上给出的示例。其可应用于任何D类音频放大器和其它音频放大器。图4提供示出一个系统的示意图，该系统包括音频输入、控制级、输出级、和从该输出级接收反馈信号的减噪网络。该减噪网络调制控制级，以消除当输出接近饱和时输出级的可听振荡。
图5示出本发明实施例的另一示例。在图5(a)中，Vout+和Vout-是减噪反馈网络的两个输入节点，而FB1和FB2是减噪反馈网络的两个输出节点。图5(b)和图5(c)是示出该电路实施例的细部示意图。在图5(b)中，Vout+经电阻R13连接至晶体管Q3的基极，并经电阻R14连接至晶体管Q4的基极。晶体管Q3的发射极耦接至电源Vcc，晶体管Q4的发射极耦接至地。晶体管Q1的基极连接至晶体管Q3的集电极，并且它们经电阻R5耦接至地。晶体管Q1的发射极经电阻R1耦接至电源Vcc，而Q1的集电极经电阻R2连接至节点FB1。晶体管Q2的基极连接至晶体管Q4的集电极，并且它们经电阻R6耦接至电源Vcc。晶体管Q2的发射极经电阻R4耦接至地，而Q2的集电极经电阻R3连接至节点FB1。在图5(c)中，Vout-经电阻R15连接至晶体管Q7的基极，并经电阻R16连接至晶体管Q8的基极。晶体管Q7的发射极耦接至电源Vcc，晶体管Q8的发射极耦接至地。晶体管Q5的基极连接至晶体管Q7的集电极，并且它们经电阻R11耦接至地。晶体管Q5的发射极经电阻R7耦接至电源Vcc，而Q5的集电极经电阻R8连接至节点FB2。晶体管Q6的基极连接至晶体管Q8的集电极，并且它们经电阻R12耦接至电源Vcc。晶体管Q6的发射极经电阻R10耦接至地，而Q6的集电极经电阻R9连接至节点FB2。
当Vout+的输出电压VOUT+处于Vbe(Q4)与(Vcc-Vbe(Q3))之间的范围内时，晶体管Q3和Q4导通，同时晶体管Q1和Q2截止。减噪网络不提供反馈信号至节点FB1。当VOUT+小于Vbe(Q4)时，晶体管Q4变为截止，同时晶体管Q2变为导通。该网络经Q2提供可调整反馈电流至节点FB1。当VOUT+大于(Vcc-Vbe(Q3))时，晶体管Q3变为截止，同时晶体管Q1变为导通。该网络经Q1提供可调整反馈电流至节点FB1。相同分析应用于图5(c)的电路中的节点Vout-和节点FB2。当Vout-的输出电压VOUT-处于Vbe(Q8)与(Vcc-Vbe(Q7))之间的范围内时，晶体管Q7和Q8导通，同时晶体管Q5和Q6截止。减噪网络不提供反馈信号至节点FB2。当VOUT-小于Vbe(Q8)时，晶体管Q8变为截止，同时晶体管Q6变为导通。该网络经Q6提供可调整反馈电流至节点FB2。当VOUT-大于(Vcc-Vbe(Q7))时，晶体管Q7变为截止，同时晶体管Q5变为导通。该网络经Q5提供可调整反馈电流至节点FB2。
假设Vbe(Q3)＝Vbe(Q4)＝Vbe(Q7)＝Vbe(Q8)＝Vbe，则图5(b)和图5(c)中的减噪网络当VOUT+处于范围[0，Vbe]和[Vcc-Vbe，Vcc]内时经节点FB1产生可调整反馈电流，并当VOUT-处于范围[0，Vbe]和[Vcc-Vbe，Vcc]内时经节点FB2产生可调整反馈电流。这些反馈电流限定图4中的放大器控制级的最小切换频率。增大的最小频率在输出信号的接近“削波”范围内产生更“弯曲”的正弦波形，其示意性地示出于图5(d)中。
在本发明中，在放大器控制级和输出级之间引入了减噪反馈网络。减噪反馈网络耦接放大器控制级的输入端，并耦接输出级的输出端。其监控输出级的输出电压，并且只要输出电压没有接近饱和就保持“未激活”。输出电压的波形是具有基本相同形状的输入电压的放大曲线。一旦输出电压接近饱和，减噪反馈网络就开始被激活。在一个实施例中，其发送可调整电流至放大器控制级的输入端。可调整电流增大并限定了放大器控制级的最小切换频率。由此，相比于输入信号的波形，接近饱和时输出电压的波形变为更“弯曲”的正弦波形。在另一实施例中，减噪反馈网络减小放大器控制级的闭环增益。其对于接近饱和时的输出电压具有相似的效果，并且相比于输入信号的波形，接近饱和时输出电压的波形变为更“弯曲”的正弦波形。本发明比相关方法具有许多优点。电路非常简单并具有高效率和快速环路响应。非饱和区域内的输出信号及其质量不受“未激活”的减噪反馈网络的影响。相比于非饱和区域内的输出信号，接近饱和时及饱和区域内部的输出信号被以较小的闭环增益放大。它们的波形变得更加“弯曲”，从而极大地减小或消除了接近饱和区域或饱和区域内的音频噪声。
在此阐述的本发明的描述及其应用是说明性的，而不用来限制本发明的范围。在此揭示的实施例可以进行变动和改型，并且实施例的各个元件的实际替换和等效对于本领域普通技术人员来说是公知的。在不背离本发明的范围和精神的条件下，在此揭示的实施例可以作出其它变动和改型。

Claims (20)

1、一种音频放大方法，包括：
提供输入信号；
从所述输入信号获得第一信号，并经放大器控制级将所述第一信号提供至输出级；
使用所述第一信号驱动所述输出级，以产生输出信号；及
从所述输出信号获得减噪信号，并经减噪反馈网络将所述减噪信号提供至所述放大器控制级；
使用所述减噪信号调制所述放大器控制级以去除近饱和的可听振荡。
2、如权利要求1所述的方法，其中所述输入信号是模拟音频信号。
3、如权利要求1所述的方法，其中还包括：
使用所述减噪信号调制所述放大器控制级的最小开关频率。
4、如权利要求1所述的方法，其中还包括：
使用所述减噪信号调制所述放大器控制级的闭环增益。
5、如权利要求1所述的方法，其中还包括：
使用所述减噪信号调制所述放大器控制级的最小开关频率和闭环增益。
6、一种音频放大方法，包括：
提供输入信号；
从所述输入信号获得第一信号，并经放大器控制级将所述第一信号提供至输出级；
使用所述第一信号驱动所述输出级，以产生第二信号；
对第二信号进行滤波以得到输出信号；及
从所述输出信号获得减噪信号，并经减噪反馈网络将所述减噪信号提供至所述放大器控制级；
使用所述减噪信号调制所述放大器控制级以去除近饱和的可听振荡。
7、如权利要求6所述的方法，其中所述输入信号是模拟音频信号。
8、如权利要求6所述的方法，其中还包括：
使用所述减噪信号调制所述放大器控制级的最小开关频率。
9、如权利要求6所述的方法，其中还包括：
使用所述减噪信号调制所述放大器控制级的闭环增益。
10、如权利要求6所述的方法，其中还包括：
使用所述减噪信号调制所述放大器控制级的最小开关频率和闭环增益。
11、一种音频放大装置，包括：
放大器控制级，其接收输入音频信号并产生第一信号；
输出级，其耦接至所述放大器控制级，并响应该第一信号以产生输出信号；及
减噪网络，其接收所述输出信号并产生减噪信号至所述控制级，所述减噪网络能够监控所述输出信号，检测近饱和状态的所述输出信号，并调制所述控制级以去除近饱和的可听振荡。
12、如权利要求11所述的装置，其中所述减噪网络包括：
检测电路，其接收该输出信号，并产生控制信号至调制电路；及
该调制电路，其从所述检测电路接收所述控制信号，以产生一路可调信号或多路可调信号至所述放大器控制级，并调制所述放大器控制级以去除近输出饱和的可听振荡。
13、如权利要求12所述的装置，其中所述检测电路包括：
两个背靠背的晶体管，其监控所述输出信号，检测近饱和状态的所述输出信号，当所述输出信号大于预设值时导通，并当所述两个背靠背的晶体管导通时将一路控制信号或多路控制信号提供至所述调制电路。
14、如权利要求12所述的装置，其中所述检测电路包括：
两个背靠背的“齐纳”二极管，其监控所述输出信号，检测近饱和状态的所述输出信号，当所述输出信号大于预设值时导通，并当所述两个背靠背的“齐纳”二极管导通时将一路控制信号或多路控制信号提供至所述调制电路。
15、如权利要求13或14所述的装置，其中所述调制电路包括调制晶体管，以从所述检测电路接收所述控制信号，并产生调制信号以调制所述控制级。
16、如权利要求15所述的装置，其中所述调制晶体管是一组多个调制晶体管之一，并且所述调制信号是一组多个调制信号之一。
17、如权利要求12所述的装置，其中所述检测电路包括：
第一检测晶体管，其监控所述输出信号，检测近饱和状态的所述输出信号，并且除非所述输出信号与正电源电压接近到预设值之内时才会导通；及
第二检测晶体管，其监控所述输出信号，检测近饱和状态的所述输出信号，并且除非所述输出信号与负电源电压或地电压接近到预设值之内时才会导通。
18、如权利要求17所述的装置，其中所述第一检测晶体管是第一组多个检测晶体管之一，并且所述第二检测晶体管是第二组多个检测晶体管之一。
19、如权利要求17所述的装置，其中所述调制电路包括：
第一调制晶体管，其耦接至所述第一检测晶体管以接收并响应所述控制信号，其中所述第一调制晶体管在该第一检测晶体管截止时导通，并且在该第一检测晶体管导通时截止；及
第二调制晶体管，其耦接至所述第二检测晶体管以接收并响应所述控制信号，其中所述第二调制晶体管在所述第二检测晶体管截止时导通，并且在所述第二检测晶体管导通时截止。
20、如权利要求19所述的装置，其中所述第一调制晶体管是第一组调制晶体管之一，并且所述第二调制晶体管是第二组调制晶体管之一。
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