CN101136612A - 放大器装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于减少音频电路中的瞬态信号的放大器断电装置，该音频电路包括一个用于产生参考电压的参考电压生成器电路。该参考电压生成器电路包括一个用于将该参考电压维持在期望水平的电容器。该放大器断电装置包括一个用于在断电期间控制该参考电压生成器电路的工作的放电控制电路。该放电控制电路包括用于控制该电容器放电的开关器件，其中该开关器件用脉冲信号来控制。该脉冲信号是一个脉宽调制(PWM)信号，其中脉冲宽度与正被放电的参考电压的电压水平成比例。

Description

放大器装置及方法
技术领域
本发明涉及一种用于减少不希望的瞬态信号的放大器装置和方法，并且具体涉及一种用于减少在音频放大器电路中由瞬态信号生成的不希望的音频信号的放大器断电装置和方法。本发明涉及共同未决的申请ID-06-005，该申请ID-06-005已经和此申请一起提交。
背景技术
“喀哒声”和“砰声”是用来描述当启动或禁用音频放大器时在头戴式耳机或扬声器中所听到的不希望的音频带瞬态信号的术语。
在便携式音频应用中，功率消耗是一个关键问题，这意味着诸如音频放大器之类的电路组件经常在不需要时被禁用或断电。每当音频放大器断电或处于睡眠或休眠模式时，这都可能导致产生不希望的音频带瞬态信号。类似的问题还可能出现在其他非便携式应用中。
在加电期间必须被充电到某一限定的电压的单电源放大器中，喀哒声和砰声的问题是一个特别难以解决的问题。
图1示出了用于驱动耦接到输出端3的负载2的已知音频放大器电路1，所述负载2例如是头戴式耳机或扬声器。输出放大器5在第一输入端7接收来自诸如混频器9之类的音频源的音频信号。可以理解的是，该混频器9接收来自DAC(未示出)或其他信号源的音频信号。放大器5还在第二输入端11接收参考电压VMID。为了使放大器输出信号在其静态输出电压的任一侧都有最大幅度，将该静态电压设置在电源电压VDD和地(ground)(GND)的中间。通过所施加的参考电压VMID设置该静态电压，该VMID等于VDD/2。
参考电压VMID由参考电压生成器电路13生成。如以下将要更详细描述的，当参考电压生成器电路13断电时，可能产生瞬态信号，从而引起向头戴式耳机或扬声器传送不希望的“砰声”。当对该参考电压生成器电路加电时，也可能产生瞬态信号。应该注意的是，本发明关注减少或消除断电期间的不希望的瞬态信号效应。共同未决的申请ID-06-005关注减少或消除加电期间的或者加电期间与断电这两个期间的不希望的瞬态信号效应。
应该注意的是，控制逻辑10被提供，用于控制在断电和静噪操作(mute operation)期间输出放大器5的操作。例如，控制逻辑10提供了一个用于控制参考生成器电路13的控制信号S1、一个用于控制放大器5的控制信号S2(例如，当执行静噪操作时)以及一个用于控制缓冲电路14的控制信号S3。该缓冲电路14缓冲从参考电压生成器电路13接收的参考电压VMID。应该注意的是，该缓冲电路14对于放大器电路的功能操作来说不是必不可少的。
图2图解了一个根据现有技术的音频放大器的断电顺序的实施例。第一步骤，步骤201，包含使用控制逻辑10的控制信号S2使输出放大器5静噪。在静噪状态中，该输出不受该输入信号的影响，例如通过使用开关来中断信号路径。接着，禁用在输出放大器5上行的电路组件，例如混频器9、DAC(未示出)等，步骤203。在该上行电路被禁用以后，产生该参考电压VMID的该参考电压生成器电路13接着被禁用，步骤205。例如，这是通过使用来自该控制逻辑10的控制信号S1打开图1的开关131来执行。
该参考电压VMID下落到0v有一个延迟，步骤207。根据整个电容性负载，该延迟占用约1秒。一旦该参考电压VMID下降到0v，该输出放大器5接着被禁用或断电，步骤209。
在执行诸如上述的断电顺列时，当参考电压VMID开始放电至地时，可以听到“砰声”，如以下要更详细描述的。
图3示出了用于产生参考电压VMID的典型的参考电压生成器电路13。该参考电压VMID可以使用例如包括电阻元件137和139的分压器电路来产生。如果参考电压的电压水平要被选取为VDD/2，那么该电阻元件137和139将具有相等的值。可以理解的是，如果需要不同的参考电压，则电阻元件137和139将具有不同的值。在该电阻元件139两端连接一去耦电容器135。应该注意的是，在集成电路配置的情况下，该去耦电容器135可以在片外(off-chip)提供，如果需要，可用来对VMID节点133去耦。提供开关131，用于在控制信号S1的控制下启动或禁用参考电压生成器电路13。
图4示出了在该放大器电路1断电期间，节点133处的参考电压VMID。当在tOFF时刻切断参考电压生成器电路13时，该去耦电容器135开始放电至地电压，这导致电容器135两端的参考电压VMID的斜率不连续(slope discontinueity)或快速变化。该参考电压VMID中的斜率不连续产生可听见信号分量，该信号分量传播穿过输出端3并继续传至负载2。随着去耦电容器135继续放电，参考电压VMID的电压水平下降变得更缓，直至去耦电容器135完全放电。参考电压VMID在tOFF时刻的斜率不连续引起可听见的砰声的原因所在。
当打开开关131时，该电容器135通过电阻139放电。因此，一种减少砰声的方法是使该电阻139的值非常大。然而，由于该电容器135放电所需的总时间取决于该电阻139的值，所以增加该电阻139的值将产生放电时间增加的这一相应缺点，这对于多数应用来说是不能接受的。相比而言，如果调整该电阻139的值使具有所希望的约200ms量级的放电时间，则该初始放电速率非常快，并且该砰声极易被听到。
因此本发明的目的在于提供一种用于减少音频电路中不希望的信号的放大器断电装置和方法。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于减少音频电路中的瞬态信号的放大器断电装置，该音频电路包括一个用于产生参考电压的参考电压生成器电路，该参考电压生成器电路包括一个用于将该参考电压维持在希望水平的电容器。该装置包括一个用于放电该电容器的开关器件，以及一个用于控制断电期间该开关器件的操作的放电控制电路。该放电控制电路包括用于提供脉冲信号的线路，该脉冲信号用于控制该开关器件，因此控制该电容器放电的速率。
该放大器断电装置具有在音频放大器的断电期间减少可听瞬态信号的优点。
根据本发明的又一方面，提供了一种减少音频电路的放大器断电装置中的瞬态信号的方法，该音频电路包括一个用于产生参考电压的参考电压生成器电路，该参考电压生成器电路包括一个用于将该参考电压维持在希望水平的电容器。该方法包括的步骤是：提供一个用于放电该电容器的开关器件，以及通过提供一个用于控制该开关器件的脉冲信号来控制断电期间开关器件的操作，因此控制该电容器放电的速率。
根据本发明的再一方面，提供多种利用权利要求中所定义的装置的系统。这些系统包括，但不限于，音频装置、便携式音频装置、头戴式耳机放大器、头戴式耳机、通信装置(例如移动电话)，以及车用音频装置。
附图说明
为了更好地理解本发明，以及更清楚地显示本发明是如何实现的，现在仅以示例的方式参考以下附图，其中：
图1示出了根据现有技术的音频电路；
图2描述了对于图1中所示电路的典型的断电顺列；
图3示出了根据现有技术的参考电压生成器电路；
图4是示出在现有技术电路中断电期间参考电压如何放电的曲线图；
图5示出了根据本发明第一实施方案的具有放大器断电装置的参考电压生成器电路；
图6a和6b示出在断电操作期间，如何使用图6a的锯齿波形和VMID信号形成图6b的PWM信号184；
图7是示出了断电期间的参考电压的曲线图；
图8示出了根据本发明第二实施方案的具有放大器断电装置的参考电压生成器电路；
图9是示出了该断电期间的参考电压的曲线图，以及还图解了第一和第二工作时间段；
图10示出了本发明典型应用的实施例；
图11示出了本发明典型应用的又一实施例；
图12示出了本发明典型应用的又一实施例；以及
图13示出了本发明典型应用的又一实施例。
具体实施方式
参考图5，图5示出了根据本发明第一实施方案的放大器断电装置。与图3的方式相类似，用于产生参考电压VMID的参考电压生成器电路13包括一个分压器电路，该分压器电路包括电阻元件137以及139。可以对该电阻元件137和139进行选择，例如，以提供参考电压，该参考电压位于VDD和地的供电轨(supply rail)中间。在电阻元件139两端连接一去耦电容器135。该去耦电容器135起着在工作期间将参考电压维持在期望电压水平的作用。该去耦电容器135可以在片外提供，如果需要，可用来对VMID节点133去耦。
然而，如以下所要描述的，并不是仅使用开关131来使参考电压生成器电路13禁用或断电，提供一个包括放电控制电路180的放大器断电装置，用于以受控的方式对参考电压VMID放电。
该放电控制电路180包括一个开关器件185，例如NMOS晶体管，该开关器件用于在断电操作期间控制电流从电容器135放电至地。可以理解的是，可以使用诸如PMOS或双极性器件之类的其他开关器件。
该开关晶体管185受一个比较器181的控制。该比较器181被连接成在第一输入端接收参考电压VMID(即，受控制的参考电压被提供为一个输入)。该比较器181被连接成在第二输入端接收比较波形。该比较波形优选地是从锯齿生成器183接收的锯齿波形，或者可能是从一外部源接收的，该锯齿生成器183可以被提供在片上。锯齿波形的典型频率为约100kHz，尽管可以理解的是，还可以使用其他频率。还可以理解的是，可以使用其他合适的波形，包括其他重复地扫描在预期的输入信号范围内的对称的或非对称的波形，只要这类信号具有至少一个具有斜率的边缘。其他这类实施例包括正弦波或三角形状的波形。
当该参考电压生成器电路处于加电状态中时，并且该电容器135处于充电状态中时，该节点133处的电压VMID对应于所希望的参考电压，比如VDD/2。当即将使电路断电或关闭时，该放电控制电路180以以下方式控制从电容器135放电电流。
向比较器181的第一输入施加参考电压VMID，并且向第二输入端施加比较波形，即锯齿波形。该比较或锯齿波形的峰值Vcomax被设定为VMID或略高于此。由于节点133处的电压将是高电压，即为参考电压VMID，如图6b中所示，来自比较器181的输出信号184初始将由窄脉冲组成。这是由于锯齿波形的电压水平将仅在一相对短的时间期间内高于参考电压电压水平VMID的电压水平。这将导致NMOS晶体管185打开较短的时间段，从而允许节点133处的电压以相对缓慢的速率衰减。
然而，如图6b所示，当该参考电压VMID开始下落时，来自比较器181的输出信号184的脉冲宽度将变宽。这进而导致NMOS晶体管185打开较长的时间段，这导致该电压下落更快。该放电控制电路180因此提供了由于反馈配置而导致发生的加速效应。
应该注意的是，图6a和6b被提供来图解该放电控制电路180的工作原理。可以理解的是，实际中，该放电控制电路180将产生比图6a和6b中所示出的脉冲明显更多的脉冲。
本领域普通技术人员还可以理解的是，比较器181的输入连接将取决于是NMOS还是PMOS晶体管用作开关器件185(以及还取决于比较波形本身的结构)，以及因此还可能需要其他电路组件，以提供一个用于控制晶体管185的合适脉冲信号(例如使用反相缓冲器以提供所需信号)。
从以上可以看出，该比较器181生成了一个脉宽调制(PWM)信号184，其中该脉冲宽度与被控制的参考电压的电压水平成比例。
当VMID下落到低于锯齿波形的最小Vco.min电压时，晶体管185将变为持续打开(hard-on)。因此，图5的该电路在第一时间段期间以第一工作模式工作，并且在第二时间段期间以第二工作模式工作。在第一工作模式下，经由该包括了比较器181、电阻139和晶体管185的反馈路径控制该电容器135的放电。为此，在第一工作期间内，该平均放电电流将随开关占空比的增加而增加。在第二工作模式中，该电容器的放电基于电阻139与电容器135并联的RC时间常数。结果，如图7所示，将产生一个光滑的S形VMID波形。
在tOFF处不再出现斜率不连续或偏移，并且相反，该参考电压VMID以一种更光滑以及更受控的方式放电，从而最小化或抑制与现有技术波形相关的在该放大器输出端引起“喀哒声”和“砰声”的高频成分。在参考电压VMID的斜率初始渐进和光滑的下落之后，参考电压接着更快速地下落，紧跟着是另一个渐进和光滑的过渡，直至为地，此时该电容器135完成其放电过程。
因此，可以理解的是，图5的实施方案具有的优点是减少、优选地阻止在该参考电压生成器电路断电期间由该VMID斜率不连续所引起的不希望的音频信号生成不期望的“砰声”的声音，而同时仍旧允许参考电压生成器电路及时地放电。
为了确保放电控制电路的工作能正确地开始(即即使电路不理想，诸如出现偏移电压(offset voltage))，该比较器可以被设计成具有小的相容偏移(consistent offset)，或者可以将交换电流箱(sink)(未示出)直接或经过电阻139连接至VMID，以开始下拉VMID。替代地，该比较锯齿波形可以在电压上有偏移。在每种情形下，可能发生初始瞬态，但这只是很小的，由于该额外的偏移或电流只需足以克服诸如比较器输入偏移之类的任何小瑕疵(non-idealite)。
由于功率消耗是一个日渐重要的因素，特别是在涉及诸如便携式音乐播放器之类的便携式音频装置时，可以理解的是，为了节约功率，在该初始断电工作模式后，优选地将该放电控制电路180关闭。
图8示出了根据本发明另一实施方案的此类电路的实施例，其中提供了一种在断电期间禁用放电控制电路180的装置。与图5的方式类似，参考电压生成器电路包括一个分压器电路，该分压器电路含有电阻元件137以及139。在电阻元件139两端连接一去耦电容器135。
该放电控制电路180包括一个开关器件185，例如NMOS晶体管，该开关器件用于控制断电工作期间从电容器135向地放电电流。
该比较器181被连接成在第一输入端接收参考电压VMID(即，受控制的参考电压被提供为一个输入)。该比较器181被连接成在第二输入端接收比较波形。该比较波形优选地是从锯齿生成器183接收的锯齿波形。
根据图8的实施方案，切换电路176a、176b被提供用于控制晶体管185。具体地，可以使用切换电路176b来控制该晶体管185，该切换电路176b从比较器181处接收额定输出184，并且从切换电路176a的比较器171接收输出信号173(VCOMP)。该比较器171在第一输入接收参考电压VMID，以及在第二输入接收阈值电压172(VCHANGEOVER)。因此该比较器被配置成在参考电压VMID到达一预定阈值，如VDD/4时提供开关信号。该切换电路176b被配置成在收到该信号时或之后保持开关185打开。根据信号极性，该切换电路176b例如可以是简单的或非门。以这种方式，该比较器181、比较波形生成器183以及相关电路被用于在断电工作的第一时间段期间控制该开关185，并且比较器171和切换电路176b被用于在工作的第二时间段期间控制晶体管185，使来自比较器181的输出为何晶体管都处于打开。以这种方式，比较器181和相关的电路可以在第二工作时间段期间被禁用，使得只有比较器171和切换电路176b消耗功率，而不是放电控制电路180内的整个组件在消耗功率。
尽管没有示出，本领域技术人员应该理解的是，可以将176b修改成，一旦该176b发生转换便闭锁来自比较器171的输出，从而使比较器171能够被断电。
图9还图解了放大器断电装置在上述第一和第二工作时间段期间的工作。上述实施方案具有减少、潜在地阻止该参考电压生成器电路断电期间，由该VMID非光滑改变的不希望的音频带信号生成不期望的可听人为现象，而同时仍旧允许参考电压生成器电路及时地放电。
可以理解的是，除了优选实施方案中所示的分压器电路外，放电控制电路还可以利用本领域普通技术人员已知的其他类型的参考电压生成器电路。
尽管优选实施方案已经对产生一个音频输出信号的放大器电路作了描述，但该发明同样可应用于产生多个音频输出信号的放大器电路，例如图10中所示的立体声系统。图10中，该音频系统包括：第一音频放大器电路1111，用于从第一源1151产生第一音频输出信号1131(例如，左输出)；以及第二音频放大器电路1112，用于从第二源1152产生第二音频输出信号1132(例如，右输出)。图10被示为具有用于音频放大器51和52的独立控制器101和102。然而，应该注意的是，音频放大器51和52可以根据单个共同控制器10来工作。而且，尽管图10示出分开的VMID参考电压生成器131和132，但是音频放大器51和52可以根据单个共同参考电压生成器13来工作。可以理解的是，根据图10的系统是包括一个还是两个VMID参考电压生成器131和132来采用根据本发明的单个或两个放大器断电电路。
此外，本发明可以用于如图11所示的音频系统，该音频系统是涉及如家庭影院应用中所使用的具有多个输出的系统(例如DolbyTMprologic 5.1)。单个VMID参考电压生成器13和单个控制电路10被示为控制多个音频放大器51至5N，每个音频放大器基于输入信号1151至115N提供独立的输出信号1131至113N。应该注意的是，图11中分离缓冲器141至14N还可以用单个缓冲器14来代替。
图12和13示出了可以利用本发明的更多典型应用。图12示出了其中的N个输入信号被示为是源自诸如DolbyTM解码器之类的解码器的系统，该解码器例如用于对来自DVD的时间复用音频信号进行解码。图13显示了其中来自解码器的N个信号输入下混频器(Down Mixer)，以便信号1至N被混合形成信号1’至N(其中N<N)的系统。例如，信号1至N可以是与一个家庭影院系统相关的六个信号，而信号1’至N’可以是左和右立体声信号，该左和右立体声信号用来产生立体声输出信号1’至N’。
本领域普通技术人员可以理解，NMOS晶体管参考可以通过其他开关器件，以及在可提供相同结果的其他结构中实现。例如，图5的NMOS开关器件185可以用PMOS器件来代替，只要该比较器181适于提供相应的控制信号。换而言之，如果比较器181被配置为驱动PMOS晶体管185，那么该比较器184的输出通常将为高，而“窄”脉冲是接地的窄脉冲，与图6b所示的窄脉冲相反。类似的替代适用于优选实施方案的其他开关器件。
应该注意的是，上述实施方案说明而不是限制本发明，并且在不偏离所附权利要求的范围的情况下，本领域普通技术人员可以设计许多替代实施方案。词语“包括”并不排除在权利要求中所列的元件或步骤之外存在其他元件或步骤，“一”或“一个”并不排除多个，以及单个元件或其他单元可能实现权利要求中记载的多个单元的功能。权利要求中的任何参考表记不应解释成用来限制权利要求的范围。

Claims (29)

1.一种用于减少音频电路中的瞬态信号的放大器断电装置，该音频电路包括一个用于产生参考电压的参考电压生成器电路，该参考电压生成器电路包括一个用于将该参考电压维持在期望水平的电容器，该装置包括：
一个用于放电该电容器的开关器件；以及
一个用于在断电期间控制该开关器件的工作的放电控制电路；
其中该放电控制电路包括用于提供脉冲信号的电路，该脉冲信号用于控制该开关器件，因此控制该电容器放电的速率。
2.根据权利要求1所述的装置，其中该放电控制电路被配置成在第一时间段期间以第一工作模式工作，并且在第二时间段期间以第二工作模式工作。
3.根据权利要求2所述的装置，其中该放电控制电路适于提供脉宽调制信号，该脉宽调制信号用于在第一工作时间段期间控制该开关器件。
4.根据权利要求3所述的装置，其中该脉宽调制信号的脉冲宽度与正被放电的参考电压的水平成比例。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其中该放电控制电路适于在放电工作的初始阶段期间提供具有窄脉冲宽度的脉冲信号，并且适于在放电工作期间增加脉冲宽度。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的装置，其中用于提供脉宽调制信号的电路包括一个第一比较器。
7.根据权利要求6所述的装置，其中该第一比较器被连接成在第一输入端接收比较波形，以及在第二输入端接收正被放电的参考电压。
8.根据权利要求7所述的装置，其中该比较波形是锯齿波形。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其中该放电控制电路在第一时间段期间的工作是基于参考电压生成器电路中的正反馈路径，该正反馈路径包括该第一比较器、该开关器件以及第一电阻器件。
10.根据权利要求7至9中任意一项所述的装置，其中该放电控制电路在第二时间段期间的工作是基于该参考电压生成器电路的RC时间常数。
11.根据权利要求2至10中任意一项所述的装置，其中该放电控制电路被配置为在第二工作时间段期间被禁用。
12.根据权利要求11所述的装置，还包括切换电路，该切换电路用于当该放电控制电路在第二时间段期间被禁用时控制该开关器件。
13.根据权利要求1至12中任意一项所述的装置，其中该开关器件包括一个晶体管。
14.根据权利要求1至13中任意一项所述的装置，其中该参考电压生成器电路包括一个用于产生该参考信号的分压器电路，该分压器电路包括在电源和地连接之间串联的第一和第二电阻，以及从连接该第一和第二电阻的节点连接到地的电容。
15.一种减少音频电路的放大器断电装置中的瞬态信号的方法，该音频电路包括一个用于产生参考电压的参考电压生成器电路，该参考电压生成器电路含有一个用于将该参考电压维持在期望水平的电容器，该方法包括步骤：
提供一个用于放电该电容器的开关器件；以及
通过提供一个用于控制该开关器件的脉冲信号来控制断电期间开关器件的工作，因此控制该电容器放电的速率。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括步骤：将放电控制电路配置为在第一时间段期间以第一工作模式工作，以及在第二时间段期间以第二工作模式工作。
17.根据权利要求15或16所述的方法，还包括提供一个用于生成脉冲信号的比较器的步骤。
18.根据权利要求17所述的方法，其中该比较器在第一输入端接收比较波形，以及在第二输入端接收正被放电的参考电压。
19.根据权利要求18的方法，其中该比较波形是锯齿波形。
20.根据权利要求16至19中任意一项所述的方法，其中该第一时间段期间的放电步骤是基于参考电压生成器电路中的一个正反馈路径，该正反馈路径包括该比较器、该开关器件以及第一电阻器件。
21.根据权利要求16至20中任意一项所述的方法，其中在第二时间段期间的放电步骤是基于该参考电压生成器电路的RC时间常数。
22.根据权利要求16至21中任意一项所述的方法，还包括在第二工作时间段期间禁用该放电控制电路的步骤。
23.一种音频装置，该音频装置包含根据权利要求1至14中任意一项所述的放大器断电装置。
24.一种便携式音频装置，该便携式音频装置包含根据权利要求1至14中任意一项所述的放大器断电装置。
25.一种头戴式耳机放大器，该头戴式耳机放大器包含根据权利要求1至14中任意一项所述的放大器断电装置或其一部分。
26.一种头戴式耳机，该头戴式耳机包含根据权利要求1至14中任意一项所述的放大器断电装置。
27.一种通信装置，该通信装置包含根据权利要求1至14中任意一项所述的放大器断电装置。
28.一种车用音频装置，该车用音频装置包含根据权利要求1至14中任意一项所述的放大器断电装置。
29.一种用于音频电路中的参考电压信号，使用权利要求1至14中任意一项所述的放大器断电装置将该参考电压信号配置成具有“S”型形状。
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