CN101110570A - 抑制数字音频功率放大器噪声的方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种抑制数字功放噪声的方法。该方法通过一逻辑电路中的逻辑控制，当音频数字放大器开机时，使负载两端的电压保持相同，待电路进入稳定状态后再输入调制信号，从而抑制开机时的噪声。当音频数字放大器关机时，在其它部分电路关断之前，负载两端的电压保持同步，并提供电流泄放的通路，使能量得到快速释放，从而抑制了关机时的噪声。

Description

抑制数字音频功率放大器噪声的方法

【技术领域】

本发明涉及一种抑制功放噪声的方法，特别是一种抑制数字音频功放开关机噪声的方法。

【背景技术】

如图1所示，是现有基本数字音频功率放大器的电路结构。它包括前放10、调制电路11、H桥开关电路12、驱动电路13以及逻辑控制电路14。H桥开关电路通常包括四个功率晶体管，该四个功率晶体管可为两个NMOS晶体管，两个PMOS晶体管，也可采用四个相同类型的功率晶体管，如全部是PMOS晶体管或全部是NMOS晶体管。

随着数字功放日益广泛的应用，对其品质的要求也越来越高，其中数字功放开关机时的噪声一直是业界期待解决的问题。一种常用的消除开机噪声的方法是在前级功放上加控制开关，如图2所示，开关打开时，前级运放不工作，运放的输出级输出共模电平。在音频功放的其它部分正常工作以前，开关保持开启状态，系统无音频信号输入而消除开机噪声。但是该方法并不普遍适用于所有的调制方式，对有些调制方式，开机噪声仍然会出现。

对于关机噪声，目前仍无比较好的方式来减小其强度和缩短其时间。

根据实验上的情况来看，开关机噪声被人耳听到须满足两个条件：

1.负载两端的电压较高，一般要超过200mV。如果低于200mV，即使十分敏感的扬声器也不能被听见。

2.负载两端的差分电压持续时间较长，如果持续时间小于10us也很难被听见。

在开关机时由于电路的不稳定，上述情况容易发生，产生人耳能听到的噪声。

因此，基于现有技术中存在的这些问题，我们需要一种并不增加成本、又能有效抑制数字音频功放开关机在开、关机时噪声的方法。

【发明内容】

本发明的主要目的是为了提供一种可有效抑制数字音频功放噪音干扰的方法。

本发明的技术方案中应用的电路包括前级功放，调制电路，H桥开关电路，驱动电路，以及逻辑控制电路，H桥开关电路包括四个功率管，开机时抑制噪声包括如下步骤：

1.先使顶部的功率管不受控而开启，而底部的功率管受控关断，使输出端负载两端保持等电压，差分输出电压为零；

2.一段时间后，电路进入稳定状态再使底部功率管开启，使调制信号进入开关电路，控制音频电路正常工作。

也可以先使底部的功率管不受控而开启，而顶部的功率管受控关断，待电路进入稳定状态后再使顶部的功率管开启，再让调制信号进入开关电路，控制音频电路正常工作。

关机时抑制噪声包括如下步骤：

1.在电源电压下降时，先关断顶部的功率管，底部的功率管仍保持开启，使输出端负载两端回复到等电压，差分输出电压为零；

2.完全关闭电源，关闭底部的功率管。

这样可使输出端尽快进入等电位，且提供了电流泄放的通路，抑制了关机噪声的强度和持续时间。

也可先头断底部的功率管，而让顶部的功率管仍保持开启，等电流泄放完毕后，完全关闭电源，关闭底部的功率管。

通过实施本发明，可以有效地抑制各种调制方式的开关机噪声，对于感性负载更为有效。且只是增加一逻辑电路，几乎并不增加成本。

【附图说明】

图1是现有的数字放大器的电路结构框图。

图2是现有消除噪声的数字放大器的电路结构框图。

图3是上电过程中输出级功率管及其栅极电压的控制电平的示意图。

图4是上电过程中音频功放的逻辑控制信号和相应的输出端电压，及差分电压和差分电流示意图。

图5是下电过程中输出级功率管及其栅极电压控制电平的示意图。

图6是下电过程中音频功放的逻辑控制信号和相应的输出端电压，及差分电压和差分电流示意图。

【实施方式】

下面参照附图具体介绍本发明的各种实施例，图中相同的结构或功能用相同的数字标出。应该指出的是，附图的目的只是便于对本发明具体实施例的说明，不是一种多余的叙述或是对本发明范围的限制，此外，附图没有按比例画出。

如上述现存的缺点，本发明主要是采用异步方式开启功率管的方法来消除开关机噪声。

如图1所示，一般的基本数字功率放大器的电路结构，包括前放10、调制电路11、H桥开关电路12、驱动电路13以及逻辑控制电路14。H桥开关电路通常包括四个功率晶体管，该四个功率晶体管可为两个NMOS晶体管，两个PMOS晶体管，也可采用四个相同类型的功率晶体管。在本实施例中，该H桥开关电路包括两个NMOS晶体管，两个PMOS晶体管。

图3显示了数字功率放大器上电时的功率晶体管的栅极电压的控制电压的时序T1、T2，T1为功率管N1、N2栅极控制电压的时序图，T2为N3、N4栅极控制电压的时序图。低电平为功率晶体管受控关断。

首先，在逻辑电路的控制下，使晶体管N3，N4的栅极电压T2先转为高电平，即底部的晶体管N3，N4不受控而开启，而顶部的栅极控制电压T1仍为低电平，顶部的晶体管N1，N2受控关断，这样输出电位OUTP和OUTN均为低电平，即OUTP和OUTN的差分输出电压为零。过一段时间后，通常是若干微秒后，电路趋于稳定，逻辑电路的控制下，N1，N2的栅极控制电压T1转为高电平，N1和N2两个晶体管再开启，此时因电路稳定，不会产生瞬时的尖峰脉冲，释放后受到调制信号的控制，而使音频电路正常工作。

或者，在本发明另一种实施方式中，是使晶体管N1，N2的栅极控制电压T1先转为高电平，即顶部的晶体管N1，N2不受控而开启，而底部的晶体管N3，N4的栅极电压仍为低电平，N3，N4晶体管受控关断，这样的情况和上述实施例是对称的，OUTP和OUTN均为高电平，即OUTP和OUTN的差分输出电压为零。过一段时间后，通常是若干微秒后，电路趋于稳定，T2转为高电平，N3和N4两个晶体管开启，释放后受到调制信号的控制，而使音频电路正常工作。

具体的逻辑信号图及其控制方式请参看图4，图4是完整的上电过程的逻辑控制信号的时序图。POR信号是上电过程的指示信号。POR信号为低，表明电源电压不够高，器件和整个音频功放系统可能工作不正常。反之，POR信号为高，表明电源电压可以维持系统正常工作。SD_H信号是四个功率管的栅极控制信号。SD_H为低，四个输出功率管全部受控而关断。MUTE_H是半个输出级的使能控制信号。MUTE_H为低时，底部或者顶部的两个功率管的栅极受控而关断。此时另外的两个功率管处于开启状态。MUTE为前放开关的使能信号，高电平有效，用以控制音频信号的输入时间，高电平时，音频信号开始输入。OUTP和OUTN是两个输出端的电位，从图中可以看出，在输入音频信号前，OUTP和OUTN的都是等电位的，差分电压一直为零。Vout和Iout是差分电压和差分电流，在输入音频信号前都为零。

可以看到，POR信号为高之前，所有的控制电压都是低电平，所有的电路模块不工作。输出电压和电流都保持为零。POR信号变高后，MUTE_H信号变为高电平，释放了一半的输出级功率管，使其开启，另一半仍保持关断状态，这样，负载两端的电压，即OUTN和OUTN会同时为高或同时为低，即输出的差分电压为零，而数字功放系统已经正常工作，待一段时间后电路稳定，SD_H信号变成高电平，释放了另两个功率管，此时电路因比较稳定，就不容易产生异常的脉冲或噪声干扰输出级，使两个输出端的电压处于可控制范围内，这样就有效抑制了开机时噪声的产生。

请参看图5显示了数字功率放大器下电时的输出端及功率晶体管的栅极电压的控制电压的时序T3、T4，在下电时，电源电压突然变低，T3变为低电平，此时先切断一半的功率管N1，N2，而T4仍然维持高电平，即N3，N4仍然开启，以迅速的吸收或泄放电流，可以大大地缩短下电时产生的噪声，强度也大为减弱。

或者，在本发明另一实施方式中，在下电时，T4先变为低电平，而T3仍然维持高电平，即功率管N3，N4先切断，而N1，N2保持开启，这样起到的效果是相同的，在此不作赘述。

图6是完整的下电过程的逻辑控制时序图。POFF是低电指示信号。POFF信号为低时，表明电源电压太低可能导致芯片工作不正常。一旦POFF信号为低，MUTE_H信号马上变成低电平，而SD_H维持为高电平，这样底部或顶部的两个功率管关断，而另外两个功率管仍保持开启，这样输出端OUTP和OUTN马上回复到等电位，负载上储存的能量可以通过开启的功率管泄放。

本发明的实质就是通过对数字功放上电的栅极电压的异步时序控制，使电路进入稳定状态后再进行调制信号的输出控制，这样负载两端异常的差动电压得以消除，避免了瞬时的尖峰脉冲引起的噪声。并在下电时再通过异步时序的控制关断一半功率管，使剩余的能量得以泄放，极大地缩短了下电的噪声的持续时间和强度。参看图3-6，总结本发明操作的具体步骤如下：

一.上电时：

1.先使一半的功率管(顶部或底部)不受控而开启而另一半的功率管受控关断，使输出端负载两端保持等电压，差分输出电压为零；

2.一段时间后，电路进入稳定状态再使另一半功率管开启，使调制信号进入H桥开关电路，控制音频电路正常工作。

二.下电时：

1.在电源电压下降时，先关断一半的功率管(顶部或底部)，另一半仍保持开启，使输出端负载两端回复到等电压，差分输出电压为零；

2.完全关闭电源，关闭另两个功率管。

进一步地，本发明消除功率放大器开关机噪声的方法的主要操作思想就是在上电起初一段时间内，使负载两端的电压相同或相近，基本无差分电压脉冲输出，电路进入稳定后，再将调制信号输入控制音频电路，这样就可基本或全部地消除开机噪声，下电时，在使负载两端电压回到等电位的同时，使负载保留部分能量泄放通路，极大地控制了噪声时间和强度。

虽然上面已描述本发明的特定实施例，但是它们的目的不是对本发明的范围加以限制。本发明包括那些对本领域技术人员来说是显而易见的对所述实施例的更改和变化。

Claims (21)

1.一种抑制数字功率放大器开机噪声的方法，该数字功率放大器电路包括H桥开关电路以及逻辑控制电路，H桥开关电路包括四个功率管，其特征在于：包括如下步骤：

A.先使顶部的功率管不受控而开启，而底部的功率管受控关断，使输出端负载两端保持等电压，差分输出电压为零；

B.一段时间后，至少若干微秒，电路进入稳定状态再使底部功率管开启，使调制信号进入开关电路，控制音频电路正常工作。

2.如权利要求1所述的消除数字功率放大器开机噪声的方法，其特征在于，功率管的开启和受控关断通过控制功率管的栅极电压而实现。

3.如权利要求2所述的消除数字功率放大器开机噪声的方法，其特征在于，电路运行及功率管的栅极电压通过上述逻辑电路加以控制。

4.如权利要求3所述消除数字功率放大器开机噪声的方法，其特征在于，上述逻辑电路控制的信号包括三种信号，

一是上电过程的指示信号，其为高时表示电源电压可以维护电路正常工作；

二是所有功率管的栅极控制信号，其为低时，所有功率管全部受控关断；

三是半个输出级的使能控制信号，其为高时，底部两个功率管的栅极受控而关断，顶部两个功率管处于开启状态；

开始状态为上电过程的指示信号为低，所有功率管的栅极控制信号为低，半个输出级的使能控制信号也为低，当上电过程的指示信号为高后，表明电路模块开始工作，稍后半个输出级的使能控制信号跳高释放了顶部两个功率管，电路进入稳定状态后，所有功率管的栅极控制信号跳高释放其余两个功率管。

5.如权利要求4所述的消除数字功率放大器开机噪声的方法，其特征在于，该逻辑电路控制的信号进一步包括前级功放的使能信号，其用以控制音频信号的输入时间。

6.一种在消除数字功率放大器开机噪声的方法，其电路包括H桥开关电路以及逻辑控制电路，H桥开关电路包括四个功率管，其特征在于，包括如下步骤：

A.先使底部的功率管不受控而开启，而顶部的功率管受控关断，使输出端负载两端保持等电压，差分输出电压为零；

B.一段时间后，至少若干微秒，电路进入稳定状态再使顶部功率管开启，使调制信号进入开关电路，控制音频电路正常工作。

7.如权利要求6所述的消除数字功率放大器开机噪声的方法，其特征在于，功率管的开启和受控关断通过控制功率管的栅极电压而实现。

8.如权利要求7所述的消除数字功率放大器开机噪声的方法，其特征在于，电路运行及功率管的栅极电压通过一逻辑电路加以控制。

9.如权利要求8所述的消除数字功率放大器开机噪声的方法，其特征在于，上述逻辑电路控制的信号包括三种信号，

一是上电过程的指示信号，其为高时表示电源电压可以使芯片正常工作；

二是所有功率管的栅极控制信号，其为低时，所有功率管全部受控关断；

三是半个输出级的使能控制信号，其为高时，顶部两个功率管的栅极受控而关断，底部两个功率管处于开启状态；

开始状态为上电过程的指示信号为低，所有功率管的栅极控制信号为低，半个输出级的使能控制信号也为低，当上电过程的指示信号为高后，表明电路模块开始工作，稍后半个输出级的使能控制信号跳高释放了底部两个功率管，电路进入稳定状态后，所有功率管的栅极控制信号跳高释放其余两个功率管。

10.如权利要求9所述的消除数字功率放大器开机噪声的方法，其特征在于，该逻辑电路控制的信号进一步包括前级功放的使能信号，其用以控制音频信号的输入时间。

11.一种消除数字功率放大器关机噪声的方法，其电路包括H桥开关电路以及逻辑控制电路，H桥开关电路包括四个功率管，其特征在于，包括如下步骤：

A.在电源电压下降时，先关断顶部的功率管，底部的功率管仍保持开启，使输出端负载两端回复到等电压，差分输出电压为零；

B.完全关闭电源，关闭底部的功率管。

12.如权利要求11所述的消除数字功率放大器关机噪声的方法，其特征在于，功率管的开启和受控关断受逻辑控制电路控制功率管的栅极电压而实现。

13.如权利要求12所述的消除数字功率放大器关机噪声的方法，其特征在于，电路运行及功率管的栅极电压通过一逻辑电路加以控制。

14.如权利要求12所述的消除数字功率放大器关机噪声的方法，其特征在于，上述逻辑电路控制的信号包括三种信号，

一是低电指示信号，其为低时表示电源电压可能使芯片工作不正常；

二是所有功率管的栅极控制信号，其为低时，所有功率管全部受控关断；

三是半个输出级的使能控制信号，其为低时，顶部两个功率管的栅极受控而关断，底部两个功率管处于开启状态；

在电路正常工作时，三种信号都为高，一旦低电指示信号为低，半个输出级的使能控制信号变成低电平，顶部两个功率管的栅极受控而关断，底部两个功率管处于开启状态，待负载电流泄放完毕后，再关闭底部功率管。

15.一种消除数字功率放大器关机噪声的方法，其电路包括H桥开关电路以及逻辑控制电路，H桥开关电路包括四个功率管，其特征在于，包括如下步骤：

A.在电源电压下降时，先关断底部的功率管，顶部的功率管仍保持开启，使输出端负载两端回复到等电压，差分输出电压为零；

B.完全关闭电源，关闭顶部的功率管。

16.如权利要求15所述的消除数字功率放大器关机噪声的方法，其特征在于，功率管的开启和受控关断受逻辑控制电路控制功率管的栅极电压而实现。

17.如权利要求16所述消除数字功率放大器关机噪声的方法，其特征在于，电路运行及功率管的栅极电压通过一逻辑电路加以控制。

18.如权利要求17所述消除数字功率放大器关机噪声的方法，其特征在于，上述逻辑电路控制的信号包括三种信号，

一是低电指示信号，其为低时表示电源电压可能使芯片工作不正常；

二是所有功率管的栅极控制信号，其为低时，所有功率管全部受控关断；

三是半个输出级的使能控制信号，其为低时，底部两个功率管的栅极受控而关断，顶部两个功率管处于开启状态；

在电路正常工作时，三种信号都为高，一旦低电指示信号为低，半个输出级的使能控制信号变成低电平，底部两个功率管的栅极受控而关断，顶部两个功率管处于开启状态，待负载电流泄放完毕后，再关闭顶部功率管。

19.如权利要求1-18中任一项所述的消除数字功率放大器开关机噪声的方法，其特征在于，H桥电路中的功率管包括两个PMOS功率管和两个NMOS功率管。

20.如权利要求1-18中任一项所述的消除数字功率放大器开关机噪声的方法，其特征在于，H桥电路中的功率管全部为PMOS功率管。

21.如权利要求1-18中任一项所述的消除数字功率放大器开关机噪声的方法，其特征在于，H桥电路中的功率管全部为NMOS功率管。

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