CN101034875A - 具有脉冲宽度调制和反馈的d类音频放大器 - Google Patents

具有脉冲宽度调制和反馈的d类音频放大器 Download PDF

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Abstract

本发明提出了用于放大数字音频信号以驱动扬声器的方法和系统。首先，通过开路的线性PWM调制器将数字音频信号转换为PWM音频信号。随后，通过具有至少一个具有反馈环路的D类音频放大器来放大PWM音频信号。本发明可以实现D类音频放大器应用中的高质量输出信号和噪音干扰的最小化。

Description

具有脉冲宽度调制和反馈的D类音频放大器
技术领域
本发明涉及音频信号处理，尤其是指一种包括用于音频信号放大和其他音频信号处理的D类放大器的系统。
背景技术
D类音频放大器的效率比线性放大器，例如A/B放大器高，由于其输出部分在开关模式下工作，因此将功率消耗最小化。由输出级产生的矩形波形可以用于对音频扬声器供电。有时候，在输出级和音频扬声器之间增加额外的滤波器。滤波后的信号是放大后的输入音频信号。
音频信号是数字格式，并且由系统解码器对数字格式的音频信号进行解码已经越来越普遍。数字音频信号被包括D类音频放大器的音频处理系统处理，从而产生高功率的音频信号以驱动扬声器。
根据图1A中所示的传统方法，音频处理系统包括高分辨率/高速的D/A转换器和闭环的D类音频放大器。需用高分辨率/高速的D/A转换器将音频信号从数字格式转换为模拟格式。然后D类音频放大器放大模拟音频信号来驱动扬声器。这种方法能够获得失真很低的音频输出。但是这种方法的缺点在于，音频放大器的模拟音频输入易受到噪音影响，从而降低了输出信号的质量。
根据图1B中所示的另外一种传统方法，音频处理系统包括复杂的脉冲宽度调制器(PWM)，高分辨率/高速的D/A转换器和开环的功率级(powerstage)。首先，PWM调制器将音频信号从数字格式转换为PWM格式。为了改善输出开关网络中的电源抑制比(power-supply rejection ratio，PSRR)和克服非线性失真，输出信号必须通过高速和高分辨率的A/D转换器反馈到PWM调制器。这种方法避免了与模拟音频输入信号有关的噪音。然而，复杂PWM调制器与高速A/D转换器都是成本高的元件。
因此，需要更加简单的解决方案来实现D类音频放大器应用中的高质量输出信号和噪音干扰的最小化。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种方法，包括：提供数字音频信号；通过开环的PWM调制器，从所述数字音频信号获得脉冲宽度调制信号即PWM信号，并将所述PWM信号输入到包括至少一个输出级的D类音频放大器；通过所述D类音频放大器，从所述PWM信号得到放大的音频信号；将所述放大的音频信号连接到负载；其中根据所述放大的音频信号来调节所述输出级的开关动作。
上述方法中，所述D类音频放大器可包括：高速比较器；至少一个驱动器；至少一个逆变驱动器；至少一个由两个功率器件组成的输出级；以及至少一个反馈环路，位于所述输出级与所述高速比较器的一个输入端子之间。
上述方法中，所述功率器件可以是MOSFET晶体管。
上述方法中，所述D类音频放大器还可包括：至少一个RC网络，耦接在所述负载的一个端子与所述高速比较器的一个输入端子之间。
本发明还提供了一种方法，包括：提供数字音频信号；通过开环的PWM调制器，从所述数字音频信号获得PWM信号，并将所述PWM信号输入到有至少一个输出级的D类音频放大器；通过所述D类音频放大器，从所述PWM信号获得放大的音频信号；过滤所述放大的音频信号，以获得输出信号；将所述输出信号连接到负载；其中根据所述放大的音频信号来调节所述输出级的开关动作。
上述方法中，所述D类音频放大器可包括：高速比较器；至少一个驱动器；至少一个逆变驱动器；至少一个由两个功率器件组成的输出级；至少一个低通滤波器；以及至少一个反馈环路，位于所述输出级与所述高速比较器的一个输入端子之间。
上述方法中，所述功率器件可以是MOSFET晶体管。
上述方法中，所述D类音频放大器还可包括：至少一个RC网络，耦接在所述负载的一个端子与所述高速比较器的输入端子之间。
本发明还提供了一种系统，包括：数字音频信号；开环PWM调制器；D类音频放大器，其中所述放大器的输入级的开关动作是根据其输出信号来调节的；以及负载。
上述系统中，所述D类音频放大器可包括：高速比较器；至少一个驱动器；至少一个逆变驱动器；至少一个由两个功率器件组成的输出级；以及至少一个反馈环路，位于所述输出级与所述高速比较器的一个输入端子之间。
上述系统中，所述功率器件可以是MOSFET晶体管。
上述系统中，所述D类音频放大器还可包括：至少一个RC反馈环路，耦接在所述负载的一个端子与所述高速比较器的输入端子之间。
上述系统中，所述D类音频放大器还可包括：至少一个低通滤波器，耦接在所述输出级与所述负载之间。
上述系统中，所述D类音频放大器还包括：至少一个RC网络，耦接在所述负载的一个端子与所述高速比较器的输入端子之间。
本发明还提供了一种用于将脉冲宽度调制数字输入信号即PWM数字输入信号转换为模拟输出信号的设备，包括：DC电源；输入级，接收所述PWM数字输入信号；至少一个输出级；以及负载，具有第一端子和第二端子；其中所述输出级的开关动作是根据其输出信号调节的。
上述设备中，所述输入级可包括高速比较器。
上述设备中，所述输入级可包括用于所述PWM数字输入信号的缓冲器。
上述设备中，所述输出级与所述输入级之间可存在反馈环路。
上述设备中，所述负载的一个端子与所述输入级之间可存在反馈环路。
上述设备中，所述负载的第一端子可直接耦接到所述输出级。
上述设备中，所述负载的第一端子可通过低通LC滤波器耦接到所述输出级。
上述设备中，所述负载的第一端子可通过低通LC滤波器和隔直电容耦接到所述输出级。
上述设备中，所述负载的第二端子可接地。
上述设备中，所述负载的第二端子可耦接所述DC电源的中点。
上述设备中，所述输入级的输入端子可耦接到所述PWM数字输入信号的同相输入端和反相输入端，并且还耦接到来自所述输出级的反馈信号。
上述设备中，所述输入级可接收来自于所述DC电源的中点的第二反馈信号。
上述设备中，所述输出级可包括半桥结构的两个功率开关，所述功率开关根据所述输入级的输出信号互补地开启和关闭。
上述设备中，所述功率开关可以是MOSFET晶体管。
上述设备中，所述模拟输出信号可以是电流信号。
上述设备中，所述模拟输出信号可以是电压信号。
上述设备中，所述模拟输出信号可以是功率信号。
上述设备中，所述输出级包括全桥结构的四个功率开关。
上述设备中，所述全桥结构的对角上的一对所述功率开关是可根据所述输入级的输出信号的状态而开启和关闭的。
上述设备中，所述功率开关可以是MOSFET晶体管。
上述设备中，所述负载可以是扬声器。
本发明可以实现D类音频放大器应用中的高质量输出信号和噪音干扰的最小化。
附图说明
下列附图示出了本发明的一些实施例。这些附图和实施例以非限制和非穷举的方式提供了本发明的实例。
图1A为现有技术的D类放大器。
图1B为现有技术的另外一个D类放大器。
图2为本发明的电路模块图。
图3A为本发明D类音频放大器的一个实例。
图3B为图3A中电路的工作波形。
图4为本发明D类音频放大器的第二个实例。
图5为本发明D类音频放大器的第三个实例。
图6A为输入缓冲器的一个实例。
图6B为PWM波形图。
具体实施方式
这里详细描述一种系统和方法的实施例，该实施例利用音频放大器及其周边电路实现高效的音频信号放大和进行其他音频信号处理。音频放大器接收数字PWM音频信号，并且在该音频放大器内部有反馈环路反馈输出信号，能排除PWM调制器和A/D转换。这同样使得从系统到放大器的信号路径的噪音干扰最小化。在接下来的说明中，一些具体的细节，例如实例电路和这些电路元件的实例值，都用于对本发明的实施例提供透彻的理解。然而本领域技术人员可以理解，即使在缺少一个或多个细节或者借助其他方法、元件、材料等等的情况下，本发明也可以实施。
本文将结合示例性和说明性的系统、电路和方法来说明以下实施例。在各实施例中，上述问题都被减少或消除了，而其他实施例则涉及其他改进。
本发明涉及一种高效率音频信号放大的电路和方法。所提出的电路将数字格式的音频信号转换为PWM音频信号，然后放大该PWM音频信号来驱动扬声器。本发明不需要从放大器的输出端子反馈任何信号到PWM调制器。
图2为本发明的电路框图。数字格式的音频信号由简单的线性PWM调制器转换成PWM音频信号。这个线性PWM调制器是开环的，并不需要任何反馈控制。PWM音频信号输入到D类音频放大器，该D类音频放大器至少具有一个反馈环路。放大器的输出端子与负载如扬声器连接。
图3A为本发明D类音频放大器的一个实例，其波形示于图3B中。PWM音频输入信号通过电容C1和电阻R1与高速比较器CMP1的反相输入端耦接。C1是隔直电容。CMP1的同相输入端耦接偏置电压VCC/2，其中VCC是功率级的供电电源。CMP1的两个输出端通过电容C2彼此耦接。CMP1的输出信号通过栅极驱动电路DR1和DR2驱动输出开关M1和M2。M1与CMP1的输出信号同相进行开关，M2与M1互补地进行开关，并且在M1与M2的开启状态之间有一些死区时间。需用死区时间来防止击穿。然而，为了能够将输出失真和功率损耗最小化，死区时间必须最小化。
音频放大器的输出通过电阻R2被反馈到CMP1的反相输入端子。VIN、VCC、R2、C2和CMP1的输入滞后决定音频放大器的开关频率。音频放大器的输出端子SW通过由Lf和Cf组成的低通滤波器以及隔直电容CDC与输出扬声器Rspeaker连接。如果在SW节点的开关频率足够高，这个低通滤波器可以被排除。扬声器Rspeaker耦接在输出端子OUT与地之间。在此电路中，fSW可能不等于PWM信号的频率FPWM。音频放大器的增益是由R2/R1之比确定的，PWM音频幅值能够改变VOUT幅值。此外，RC反馈环路ZH能被用于耦接OUT和CMP1的反相输入端，以改善总谐波失真(total harmonic distortion，THD)。
图4为本发明D类音频放大器的第二个实例。图3A与图4的电路之间有一些差别。在图4中，输出扬声器耦接在LC输出滤波器与供电电源轨(power supply rail)的中点之间，并且没有隔直电容与扬声器串联。PWM音频输入信号差分输入到输入比较器CMP1，并且音频输出也差分反馈到CMP1。CMP1的反相输入端通过R1和C1耦接同相输入信号，并通过R2连接来自输出节点SW的输出反馈信号；而CMP1同相输入端通过R1’和C1’连接反相输入信号和来自供电电源轨中点的输出反馈信号。这种结构改善了音频放大器的信噪比，减轻了在音频放大器饱和时潜在的电源电压“泵升”(pumping)的问题。如果在节点SW的开关频率fSW足够的高，低通滤波器可以被排除。电容CDC1和CDC2的容值都等于CDC/2.
在一个实施例中，R1＝R1’，R2＝R2’，C1＝C1’。开关频率是由R1、R2、C1、VIN、VDD和CMP1的输入滞后决定的。音频放大器的增益是由R2/R1之比决定的。然而，开关频率可能不等于PWM信号的频率FPWM。理想的是，(VCC-VMID)的平均值等于(VMID-VSS)的平均值。如果VMID被强制等于零，VCC等于-VSS，电路可以应用在分块电源(split-supply)结构中。
图5为本发明D类音频放大器的第三个实例。该实例具有全桥结构的4开关输出级，与图3A和图4相比，该实例需要额外的两个开关和对应的驱动器。给定的电源电压VDD的可用输出功率乘四倍。在低压供电轨例如5V或者12V的线路中，这种拓扑很普遍。在电路中，输入信号差分输入到比较器CMP1，输出信号差分反馈到比较器，这点与图4相似。CMP1的输出信号通过栅极驱动电路DR1、DR2、DR3和DR4分别驱动输出开关M1、M2、M3和M4。M1和M4与CMP1的输出信号同相进行开关，而M2和M3与CMP1输出信号互补地进行开关。因此，SW1与CMP1的输出信号同相，SW2与CMP1的输出信号互补。死区时间存在于M1与M2的“开启”状态之间以及M3与M4的“开启”状态之间，以防止击穿。这些死区时间必须最小化，以减少与MOSFET开关的体二极管相关的总谐波失真(THD)和功率损耗。SW1通过低通滤波器L1和CF1耦接扬声器的正节点OUT+；SW2通过另一个低通滤波器L2和CF2耦接扬声器的负节点OUT-。差分滤波器电容CF3位于OUT+与OUT-之间。CMP1的同相输入端通过R1和C1连接反相输入音频信号，并通过R2连接来自SW1的反馈信号；而CMP1的反相输入端通过R1’和C1’连接同相输入音频信号，并通过R2’连接来自SW2的反馈信号。推荐使得L1＝L2，CF1＝CF2，R1＝R1’，R2＝R2’，C1＝C1’。
在图5的电路中，fsw1与fsw2基本相等，且由R1、R2、VIN、C1和VDD决定。开关频率可能不等于PWM信号的频率FPWM。音频放大器的增益由R2/R1之比决定。为了改善THD，可以应用RC反馈环路ZH连接OUT+和CMP1的反相端子，同时应用另一个RC反馈环路ZH’连接OUT-和CMP1的同相端子。
在上述的电路中，输入的PWM信号的幅值可能影响输出信号，而输入信号的噪音干扰(glitch)可能影响输出信号的质量。本发明的一个实施例中，在每个放大器的输入端前增加如图6A中所示的额外的输入缓冲级，以产生具有固定幅值的无噪音的PWM波形，如图6B中所示。在这个电路中，使用施密特触发器消除噪音。必须适当设定栅极的输入阈值以滤掉噪音干扰。
在本发明的一个实施例中，使用简单的线性PWM调制器将数字格式的音频信号转换为PWM音频信号。线性PWM调制器是开环的，而且不需要任何反馈控制或者A/D转换器。通过至少具有一个反馈环路的D类音频放大器将PWM音频信号放大，然后输送给扬声器。由于将PWM信号，而不是模拟信号，用作放大器的输入信号，因此使得噪音最小化。同样，本发明也不需要具有反馈控制的复杂PWM调制器和连接复杂PWM调制器的输出端子的高速A/D转换器。这样要远为简单并且成本更低。在本发明的另外一个实施例中，D类音频放大器包括高速比较器、驱动器、功率输出开关设备、至少一个反馈环路和负载。
上述本发明的说明书和应用仅仅是示例性的，并不是要限定本发明的范围。对本领域普通技术人员来说，对所公开的实施例进行变化和修改都是可能的，并且对实施例中各种元件的可行的替代方案和等同方案是公知的。对本发明所公开的实施例的其他变化和修改并不超出本发明的精神和保护范围。

Claims (35)

1、一种方法，包括：
提供数字音频信号；
通过开环的PWM调制器，从所述数字音频信号获得脉冲宽度调制信号即PWM信号，并将所述PWM信号输入到包括至少一个输出级的D类音频放大器；
通过所述D类音频放大器，从所述PWM信号得到放大的音频信号；
将所述放大的音频信号连接到负载；
其中根据所述放大的音频信号来调节所述输出级的开关动作。
2、根据权利要求1所述的方法，其中所述D类音频放大器包括：
高速比较器；
至少一个驱动器；
至少一个逆变驱动器；
至少一个由两个功率器件组成的输出级；以及
至少一个反馈环路，位于所述输出级与所述高速比较器的一个输入端子之间。
3、根据权利要求2所述的方法，其中所述功率器件是MOSFET晶体管。
4、根据权利要求2所述的方法，其中所述D类音频放大器还包括：至少一个RC网络，耦接在所述负载的一个端子与所述高速比较器的一个输入端子之间。
5、一种方法，包括：
提供数字音频信号；
通过开环的PWM调制器，从所述数字音频信号获得PWM信号，并将所述PWM信号输入到有至少一个输出级的D类音频放大器；
通过所述D类音频放大器，从所述PWM信号获得放大的音频信号；
过滤所述放大的音频信号，以获得输出信号；
将所述输出信号连接到负载；
其中根据所述放大的音频信号来调节所述输出级的开关动作。
6、根据权利要求5所述的方法，其中所述D类音频放大器包括：
高速比较器；
至少一个驱动器；
至少一个逆变驱动器；
至少一个由两个功率器件组成的输出级；
至少一个低通滤波器；以及
至少一个反馈环路，位于所述输出级与所述高速比较器的一个输入端子之间。
7、根据权利要求6所述的方法，其中所述功率器件是MOSFET晶体管。
8、根据权利要求6所述的方法，其中所述D类音频放大器还包括：至少一个RC网络，耦接在所述负载的一个端子与所述高速比较器的输入端子之间。
9、一种系统，包括：
数字音频信号；
开环PWM调制器；
D类音频放大器，其中所述放大器的输入级的开关动作是根据其输出信号来调节的；以及
负载。
10、根据权利要求9所述的系统，其中所述D类音频放大器包括：
高速比较器；
至少一个驱动器；
至少一个逆变驱动器；
至少一个由两个功率器件组成的输出级；以及
至少一个反馈环路，位于所述输出级与所述高速比较器的一个输入端子之间。
11、根据权利要求10所述的系统，其中所述功率器件是MOSFET晶体管。
12、根据权利要求10所述的系统，其中所述D类音频放大器还包括：至少一个RC反馈环路，耦接在所述负载的一个端子与所述高速比较器的输入端子之间。
13、根据权利要求10所述的系统，其中所述D类音频放大器还包括：至少一个低通滤波器，耦接在所述输出级与所述负载之间。
14、根据权利要求13所述的系统，其中所述D类音频放大器还包括：至少一个RC网络，耦接在所述负载的一个端子与所述高速比较器的输入端子之间。
15、一种用于将脉冲宽度调制数字输入信号即PWM数字输入信号转换为模拟输出信号的设备，包括：
DC电源；
输入级，接收所述PWM数字输入信号；
至少一个输出级；以及
负载，具有第一端子和第二端子；
其中所述输出级的开关动作是根据其输出信号调节的。
16、根据权利要求15所述的设备，其中所述输入级包括高速比较器。
17、根据权利要求16所述的设备，其中所述输入级包括用于所述PWM数字输入信号的缓冲器。
18、根据权利要求15所述的设备，其中所述输出级与所述输入级之间存在反馈环路。
19、根据权利要求15所述的设备，其中所述负载的一个端子与所述输入级之间存在反馈环路。
20、根据权利要求15所述的设备，其中所述负载的第一端子直接耦接到所述输出级。
21、根据权利要求15所述的设备，其中所述负载的第一端子通过低通LC滤波器耦接到所述输出级。
22、根据权利要求15所述的设备，其中所述负载的第一端子通过低通LC滤波器和隔直电容耦接到所述输出级。
23、根据权利要求15所述的设备，其中所述负载的第二端子接地。
24、根据权利要求15所述的设备，其中所述负载的第二端子耦接所述DC电源的中点。
25、根据权利要求24所述的设备，其中所述输入级的输入端子耦接到所述PWM数字输入信号的同相输入端和反相输入端，并且还耦接到来自所述输出级的反馈信号。
26、根据权利要求25所述的设备，其中所述输入级接收来自于所述DC电源的中点的第二反馈信号。
27、根据权利要求15所述的设备，其中所述输出级包括半桥结构的两个功率开关，所述功率开关根据所述输入级的输出信号互补地开启和关闭。
28、根据权利要求27所述的设备，其中所述功率开关是MOSFET晶体管。
29、根据权利要求15所述的设备，其中所述模拟输出信号是电流信号。
30、根据权利要求15所述的设备，其中所述模拟输出信号是电压信号。
31、根据权利要求15所述的设备，其中所述模拟输出信号是功率信号。
32、根据权利要求15所述的设备，其中所述输出级包括全桥结构的四个功率开关。
33、根据权利要求15所述的设备，其中所述全桥结构的对角上的一对所述功率开关是根据所述输入级的输出信号的状态而开启和关闭的。
34、根据权利要求32所述的设备，其中所述功率开关是MOSFET晶体管。
35、根据权利要求15所述的设备，其中所述负载是扬声器。
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