CN101079602A - 自动输入增益控制电路及其方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种音频放大器的自动输入增益控制电路及其方法。如果音响信号超出动态范围，则可基于预设的限制电平来自动衰减音响信号的增益以使音响信号的削波引起的音响信号的失真最小化并限制过输入，以便输入所述动态范围内的音响信号。因此，可保持特定电平或更高电平的过输入信号的原始形式，而仅衰减过输入信号的增益。结果，可使输出波形的削波引起的输出波形的失真最小化，并且可同时去除在削波期间出现的谐波失真和阶跃高频失真。

Description

自动输入增益控制电路及其方法
                         技术领域
本发明涉及一种音频放大器的自动增益控制电路及其方法。
                         背景技术
通常，数字/模拟(A/D)D类放大器电路对音响信号执行脉冲宽度调制(PWM)以将音响信号转换为一种类型的数字信号，放大该数字信号，并使放大的数字信号通过低通滤波器(LPF)以恢复原始的模拟信号。
图1是示出传统的D类放大器电路的结构的示意图。参照图1，传统的D类放大器电路包括放大器110、比较器120、栅极驱动器130、低通滤波器(LPF)140、三角波发生器150和限幅器160。
如图1所示，放大器110以积分器的形式来实现，并且对输入信号和输出信号进行比较以产生信号Vea。
比较器120对信号Vea和三角波信号进行比较以产生脉冲宽度调制(PWM)信号。栅极驱动器130放大PWM信号以驱动金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关。从根据栅极信号执行开关操作的MOSFET开关输出的信号被LPF 140低通滤波并且作为音响信号被施加到扬声器SP。这里，可以在输入端构成限幅器160以改善当传统的D类放大器电路的输出信号Vo被电源削波时产生的高频失真分量。如图2A和图2B所示，普通的限幅器可包括普通的齐纳二极管ZD1和ZD2或者普通的小信号二极管D1和D2。
如果音响信号Vin被输入到传统的D类放大器电路，则具有积分器形式的放大器110对音响信号Vin和从输出信号Vo反馈的信号进行比较，以产生与音响信号Vin和输出信号Vo的差相应的信号Vea。比较器120对信号Vea和三角波信号进行比较以产生PWM信号，并且比较器120的输出由PWM信号进行PWM开关。PWM信号通过低通滤波器(LPF)140以再现音响信号Vin。这里，输出信号Vo和音响信号Vin由于反馈电阻而具有如等式1所示的增益。
V o V in = 1 + R b R a . . . ( 1 )
如等式1所示，输出信号Vo随着音响信号Vin的增加而增加。如果输出信号Vo的峰顶点Vp由于音响信号Vin的进一步增加而超过电源电压VCC，则如图3A或图3B所示，输出信号Vo在与电源电压VCC相应的输出电平上被削波。如果传统的D类放大器电路是模拟放大器电路而不是数字放大器电路，则如图3A所示，输出信号Vo被简单地削波。这里，输出信号Vo具有被定义为D1的失真分量。然而，如果传统的D类放大器电路是已被主要用作数字放大器电路的PWM开关放大器，则当被削波时，输出信号Vo具有如图3B所示的波形，其中除了失真分量D1之外在其削波部分的边缘具有附加的阶跃高频失真分量D2。
图3B所示的附加的阶跃高频失真分量D2的产生可参照图4所示的数字放大器电路的内部操作波形来理解。如图4所示，放大器110的信号Vea逐渐增大并与三角波信号比较，直到输出信号Vo被削波。因此，PWM信号的占空比逐渐增大并达到大约100％。占空比达到100％的时间点是放大器110的输出信号Vo增大到电源电压VCC的时间点。因此，虽然音响信号Vin在该时间点之后被进一步放大，但是输出信号Vo不超过电源电压VCC并被削波。这里，从放大器110输出的信号Vea超过三角波信号的范围并进入饱和状态。如果音响信号Vin通过峰顶点Vp被衰减并且音响信号Vin的值变得小于削波的输出信号Vo的反馈值，则从放大器110输出的信号Vea经过饱和状态并进入三角波信号的范围。由于积分器的特性，因此必然出现时间延迟。信号Vea被延迟以经过饱和状态并进入三角波信号的范围。输出信号Vo由于积分器的特性而在延迟时间内被连续削波，并且从放大器110输出的信号Vea进入三角波信号的范围，随后进入正常的PWM操作。其后，输出信号Vo以陡坡变化来快速跟随与音响信号Vin相应的输出。因此，出现阶跃失真。
从放大器110输出的信号Vea必须在三角波的范围内，以改善当输出信号Vea被削波时产生的阶跃高频失真分量D2。为此，使用输入限幅器来将音响信号Vin限制在适当的电平或更低的电平。输入限幅器通常可具有如图2A或图2B所示的结构。虽然简单地构成了这样的结构，但是将被限制的电平被限制到齐纳电压或二极管电压。因此，难以自由地改变所述电平。结果，难以准确地处理放大器或电源电压的增益中的变化。此外，在限幅期间，过输入的上部和下部被削波。因此，出现输出失真。
                         发明内容
因此，本发明的一方面在于当出现过输入时通过限制输出电平来防止或实际上减小输出信号的失真。
本发明的另一方面在于当出现过输入时防止或实际上减小输出信号的削波。
本发明的另一方面在于可变地限制音响信号的增益以允许具有不同功率需求的产品使用相同的电源。
可通过提供一种自动输入增益控制电路及其方法来实现本发明的上述方面，所述自动输入增益控制电路用于：如果在包括音响放大器和开关放大器的音频设备中没有在动态范围内输入音响信号，则基于预设的限制电平自动地衰减音响信号的增益，使得音响信号的削波引起的音响信号的失真最小化并限制音响信号的过输入，以输入所述动态范围内的音响信号。
本发明的一方面提供了一种音频放大器的自动输入增益控制电路，包括：输出比较器，对所述音频放大器的输出信号的电压和基于阈值电压Vth产生的参考电压进行比较；和输入增益调节器，根据所述输出比较器的比较结果自动调节所述音频放大器的输入信号的电压，以便输出信号的电压处于所述参考电压之内。
所述参考电压可以是与电源电压VCC和阈值电压Vth之差相应的电压。
所述阈值电压Vth可以使用等式“Vth＝VDZ1-2VD1”来计算，其中，VDZ1表示齐纳二极管DZ1的反向电压，VD1表示晶体管Q1的发射极和基极之间的正向电压或者二极管D1的正向电压。
所述输出比较器可包括：检测器，检测输出信号的电压是否超过所述参考电压；和发送器，根据所述检测器的检测结果将输出信号的电压发送到所述输入增益调节器。
所述检测器可以是恒压元件，所述恒压元件可包括齐纳二极管。
所述发送器可以是开关元件，所述开关元件可包括晶体管。
所述输入增益调节器可以是可变电阻器元件，如果输出信号的电压超过所述参考电压，则所述可变电阻器元件调节输入阻抗以衰减输入增益，以便输出信号的电压处于所述参考电压之内。所述可变电阻器元件可包括结型场效应晶体管(J-FET)。
如果所述检测器检测到输出信号的电源超过所述参考电压，则所述输出比较器可通过所述发送器将该输出信号发送到所述输入增益调节器。
所述输出比较器可包括：第一比较器，对输出信号的电压和正参考电压进行比较；和第二比较器，对输出信号的电压和负参考电压进行比较。
根据本发明的另一方面，提供了一种自动控制音频放大器的输入增益的方法，包括：对所述音频放大器的输出信号的电压和基于阈值电压Vth产生的参考电压进行比较；和根据比较结果自动调节所述音频放大器的输入信号的电压，以便输出信号的电压处于所述参考电压之内。
所述参考电压可以是与电源电压VCC和阈值电压Vth之差相应的电压。
所述对音频放大器的输出信号的电压和基于阈值电压Vth产生的参考电压进行比较的步骤可包括：检测输出信号的电压是否超过所述参考电压；和根据检测结果输出该输出信号。
所述检测输出信号的电压是否超过所述参考电压的步骤可使用恒压元件来执行。
所述音频放大器的输出信号可以使用开关元件来输出。
如果输出信号的电压超过所述参考电压，则可使用可变电阻器元件来调节输入阻抗以衰减输入增益，以便输出信号的电压处于所述参考电压之内。
                          附图说明
通过参照附图对本发明的特定实施例进行的描述，本发明的以上和其他方面和特点将会变得更清楚，其中：
图1是示出传统的D类放大器电路的结构的示意图；
图2A和图2B是示出传统的限幅器电路的电路图；
图3A和图3B是示出当输出电压的峰顶点Vp超过电源电压VCC时发生的输出电压的削波的曲线图；
图4是示出音频放大器电路的内部操作波形的曲线图；
图5是示出根据本发明实施例的音频放大器的自动输入增益控制电路的电路图；
图6是示出根据本发明另一实施例的自动输入增益控制电路的电路图；
图7是示出根据本发明实施例的自动输入增益控制电路的等效电路的电路图；和
图8是示出根据本发明实施例的在参考电压范围内输出的输出电压的波形的曲线图。
在全部的附图中，相同的标号将被理解为指示相同的元件、特点和结构。
                       具体实施方式
描述中定义的诸如详细的结构和元件的内容被提供以帮助全面地理解本发明的实施例，并且这些内容只是示例性的。因此，本领域技术人员应该理解，在不脱本发明的范围和精神的情况下，可以对这里描述的实施例进行各种变动和修改。此外，为了清楚简明，省略对已知功能和结构的描述。
在下文中，将参照附图对本发明的示例性实施例进行详细的描述。
本发明的特定实施例的特征在于，过输入信号被衰减，以防止过输入和过输出引起的削波失真D1以及由音频放大器的内部块的饱和引起的阶跃高频失真D2，从而使输出信号不接近音频放大器的电源电压VCC，而是不管音频放大器和电源电压VCC的增益中的变化处于阈值电压Vth之内。此外，整体增益可被衰减，而不是削减过输入分量，以保持原始形式的输入信号并将输入分量的失真最小化，从而限制输入电平。此外，阈值电压Vth可关于电源电压VCC来调节，以改变输出限制电平，以便设计根据产品而具有不同输出功率的放大器。因此，可设计放大器以使其具有与先前设计的放大器相同的扬声器阻抗和电源电压，以便共享扬声器和电源块。
图5是示出根据本发明实施例的音频放大器的自动输入增益控制电路的电路图。参照图5，根据本发明实施例的音频放大器的自动输入增益控制电路包括输出比较器510、输入增益调节器520、开关放大器530和扬声器SP。
自动输入增益控制电路还可包括如图1所示的比较器120、栅极驱动器130、低通滤波器(LPF)140和三角发发生器150。也就是说，本发明的自动输入增益控制电路可以合并到诸如图1所示的现有技术的装置。上面已经描述了比较器120、栅极驱动器130、LPF 140和三角波发生器150的结构，因此这里将省略它们的详细描述。
输出比较器510对输出信号Vo的电压(以下称为“输出电压”)和用于在电源电压VCC内输入音频放大器的音响信号的参考电压进行比较。如图5所示，输出比较器510包括第一比较器512和第二比较器514。第一比较器512对输出电压和正电源电压+VCC的阈值电压Vth进行比较。第二比较器514对输出电压和负电源电压-VCC的阈值电压Vth进行比较。这里，阈值电压Vth表示不允许输出信号达到电源电压VCC的裕度电压(margin voltage)。
输入增益调节器520根据比较器510输出的比较结果自动调节音响信号的电压，以在电源电压VCC之内输入音响信号。换句话说，输入增益调节器520衰减音响信号的整体增益，以保持原始形式的音响信号并使音响信号的失真最小化。为此，用于调节音响信号的输入阻抗的压控可变电阻器Rds可用作输入增益调节器520。
开关放大器530放大音响信号。
在具有如图5所示的上述结构的音频放大器的自动输入增益控制电路中，通过操作电源产生的音响信号通过输入电阻器Rin施加到开关放大器530。输出比较器510和扬声器SP连接到开关放大器530的输出端，而用于调节音响信号的输入增益调节器520连接到开关放大器530的输入端。输出比较器510的第一比较器512连接到开关放大器530上面的正电源电压+VCC，输出比较器510的第二比较器514连接到开关放大器530下面的负电源电压-VCC。
图6是示出根据本发明另一实施例的自动输入增益控制电路的电路图。根据本发明的自动输入增益控制电路包括检测发送器610和输入调节器620。这里，检测发送器610和输入调节器620分别是图5的输出比较器510和输入增益调节器520的示例性实现。
检测发送器610包括检测器和发送器。当输出电压超过参考电压时，检测器工作。发送器根据检测器的操作而被接通，以将输出电压发送到输入调节器620。这里，参考电压是通过从电源电压VCC减去阈值电压Vth获得的电压。换句话说，参考电压对应于电源电压VCC和阈值电压Vth之差。
如图6所示，检测器可以是包括齐纳二极管DZ1的恒压元件，而发送器可以是包括晶体管Q1的开关元件。
更详细地讲，在检测发送器610中，齐纳二极管DZ1在电源电压VCC和接地电压之间与电阻器R串联连接，晶体管Q1的基极连接到齐纳二极管DZ1和电阻器R之间的连接点。二极管D1在晶体管Q1的发射极和输出端之间与电阻器R1串联连接，晶体管Q1的集电极连接到输入调节器620。这里，晶体管Q1可以是PNP型晶体管。
电容器C1在输入信号的电压Vin(以下称为“输入电压”)和输入端INPUT之间与输入电阻器Rin串联连接。包括结型场效应晶体管(J-FET)J1的输入调节器620连接到输入端INPUT和输入电阻器Rin之间的连接点。换句话说，输入调节器620可包括作为可变电阻器工作的元件，或者可包括如图6所示的J-FET J1。
输入调节器620的J-FET J1的漏极连接到输入端INPUT和输入电阻器Rin之间的连接点。J-FET J1的源极接地，电容器C2在栅极和地之间与电阻器R串联连接。负电源电压-VCC通过电阻器R2连接到电容器C2和电阻器R之间的连接点，检测发送器610的晶体管Q1的集电极连接到电容器C2和电阻器R之间的连接点。
图7中显示了图6所示的自动输入增益控制电路的等效电路。换句话说，所述等效电路包括输入电压、输入电阻器Rin和可变电阻器Rds，并且所述等效电路通过可变电阻器Rds调节输入电压的强度。
现在将描述根据本实施例的音频放大器的自动输入增益控制电路的操作。
为了描述自动输入增益控制电路的操作，假设图6所示的自动输入增益控制电路构成图1所示的音频放大器的输入部分。
这里，当输出电压超过定义为电源电压VCC的裕度的阈值电压Vth时，自动输入增益控制电路工作。这里，阈值电压如等式2来定义：
                 Vth＝VDZ1-2VD1                      …(2)
其中，VDZ1表示齐纳二极管DZ1的反向电压，VD1表示晶体管Q1的发射极和基极之间的正向电压或者二极管D1的正向电压。因此，如果输出电压大于电源电压VCC和阈值电压Vth之差时，晶体管Q1工作，以增大输入调节器620的J-FET J1的栅极电压。如果增大的栅极电压大于或等于J-FET J1的导通电压-VGON，则J-FET J1的漏极和源极之间的阻抗改变并减小。在这种情况下，输入调节器620可等效为如图7所示。因此，实际上输入到音频放大器的输入端INPUT的电压VINPUT关于输入信号的电压Vin如等式3来表达：
V INPUT = ( R ds R in + R ds ) × V in . . . ( 3 )
如等式3所示，可变电阻Rds在过输入状态的增大而减小。因此，电压VINPUT衰减。结果，实际输出电压的峰值被固定在电源电压VCC和阈值电压Vth之差并且不超过电源电压VCC和阈值电压Vth之差。输入信号的增益如等式3衰减，以满足等式3的条件。因此，输出信号仅仅是增益被衰减，而保持其原始形式。如果输入信号的电平处于正常状态而不是过输入状态下，则晶体管Q1和J-FET J1截止。因此，Rds大于输入电阻器Rin，并且电压VINPUT等于输入电压。结果，输入信号被衰减为等于原始的音响信号，并且随后被输入到音频放大器的输入端。
如上所述，在包括根据本发明的音响放大器和开关放大器的音频设备中，如果输入的音响信号超过动态范围，则输入的音响信号的增益基于预设的限制电平自动衰减，以输入在所述动态范围内的输入音响信号。因此，等于原始信号的音响信号被输出，当音响信号被削波时音响信号的失真最小化，阶跃失真被去除，并且过输入被限制。
如上所述，在根据本发明的自动输入增益控制电路及其方法中，只有大于或等于特定电平的过输入信号的增益可被衰减，而不是削减过输入信号。因此，对输出波形进行削波引起的输出波形的失真可被最小化。特别地，开关放大器可防止内部块的饱和，以同时去除在削波期间出现的谐波失真和阶跃高频噪音。此外，线性模拟放大器可保持原始形式的过输入信号而仅衰减增益，而不是简单地对过输入信号削波，以使输出信号的失真最小化。
具有音频功能的电子设备可使用相等的电源电压来任意地调节作为增益衰减电路工作的输出比较器电路的参考电压，以限制输出电平。因此，可在实际上并未改变电源或扬声器阻抗来获得改变电源或扬声器阻抗的效果。因此，可以使具有各种输出规格的产品的电源电压和扬声器阻抗标准化。
如上所述，显示并描述了本发明的示例性实施例，但本发明不限于以上描述的特定实施例，并且在不脱离由权利要求及其等同物的全部范围限定的本发明的范围的情况下，本发明所属领域的技术人员可以以各种修改来实现本发明。

Claims (19)

1、一种音频放大器的自动输入增益控制电路，所述自动输入增益控制电路包括：
输出比较器，对所述音频放大器的输出信号的电压和基于阈值电压Vth产生的参考电压进行比较；和
输入增益调节器，根据所述输出比较器的比较结果自动调节所述音频放大器的输入信号的电压，以便输出信号的电压处于所述参考电压之内。
2、如权利要求1所述的自动输入增益控制电路，其中，所述参考电压是与电源电压VCC和阈值电压Vth之差相应的电压。
3、如权利要求1所述的自动输入增益控制电路，其中，所述阈值电压Vth通过使用等式“Vth＝VDZ1-2VD1”来计算，其中，VDZ1表示齐纳二极管DZ1的反向电压，VD1表示晶体管Q1的发射极和基极之间的正向电压或者二极管D1的正向电压。
4、如权利要求1所述的自动输入增益控制电路，其中，所述输出比较器包括：
检测器，检测输出信号的电压是否超过所述参考电压；和
发送器，根据所述检测器的检测结果将输出信号的电压发送到所述输入增益调节器。
5、如权利要求4所述的自动输入增益控制电路，其中，所述检测器是恒压元件。
6、如权利要求5所述的自动输入增益控制电路，其中，所述恒压元件包括齐纳二极管。
7、如权利要求4所述的自动输入增益控制电路，其中，所述发送器是开关元件。
8、如权利要求7所述的自动输入增益控制电路，其中，所述开关元件包括晶体管。
9、如权利要求4所述的自动输入增益控制电路，其中，所述输入增益调节器是可变电阻器元件，如果输出信号的电压超过所述参考电压，则所述可变电阻器元件调节输入阻抗以衰减输入增益，以便输出信号的电压处于所述参考电压之内。
10、如权利要求9所述的自动输入增益控制电路，其中，所述可变电阻器元件包括结型场效应晶体管。
11、如权利要求4所述的自动输入增益控制电路，其中，如果所述检测器检测到输出信号的电压超过所述参考电压，则所述输出比较器通过所述发送器将该输出信号发送到所述输入增益调节器。
12、如权利要求1所述的自动输入增益控制电路，其中，所述输出比较器包括：
第一比较器，对输出信号的电压和正参考电压进行比较；和
第二比较器，对输出信号的电压和负参考电压进行比较。
13、一种自动控制音频放大器的输入增益的方法，所述方法包括：
对所述音频放大器的输出信号的电压和基于阈值电压Vth产生的参考电压进行比较；和
根据比较结果自动调节所述音频放大器的输入信号的电压，以便输出信号的电压处于所述参考电压之内。
14、如权利要求13所述的方法，其中，所述参考电压是与电源电压VCC和阈值电压Vth之差相应的电压。
15、如权利要求13所述的方法，其中，所述对音频放大器的输出信号的电压和基于阈值电压Vth产生的参考电压进行比较的步骤包括：
检测输出信号的电压是否超过所述参考电压；和
根据检测结果输出该输出信号。
16、如权利要求15所述的方法，其中，所述检测输出信号的电压是否超过所述参考电压的步骤通过使用恒压元件被执行。
17、如权利要求15所述的方法，其中，所述音频放大器的输出信号通过使用开关元件被输出。
18、如权利要求13所述的方法，其中，如果输出信号的电压超过所述参考电压，则使用可变电阻器元件来调节输入阻抗以衰减输入增益，以便输出信号的电压处于所述参考电压之内。
19、如权利要求2所述的自动输入增益控制电路，其中，所述阈值电压Vth使用等式“Vth＝VDZ1-2VD1”来计算，其中，VDZ1表示齐纳二极管DZ1的反向电压，VD1表示晶体管Q1的发射极和基极之间的正向电压或者二极管D1的正向电压。
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