CN101375534B - 用于音频设备的改进的充/放电控制电路 - Google Patents

用于音频设备的改进的充/放电控制电路 Download PDF

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Abstract

一种用于控制流过输入/输出音频设备的电流的充/放电控制电路，包括第一参考电压；第二参考电压以及响应于第一和第二参考电压，用于生成接近于听不见的波形的多级波形分布，以抑制输入/输出设备中可听见的非自然信号的波形生成电路。

Description

用于音频设备的改进的充/放电控制电路
相关申请
本申请要求2005年6月29日提交的美国临时申请系列号60/695,101的优先权，其在此结合作为参考。
技术领域
本发明涉及一种用于控制流过输入/输出音频设备的电流的充/放电控制电路，尤其是涉及一种轰隆声消除器a/k/a de-whumper。
背景技术
在通过一个交流耦合电容与音频设备连接的电子设备中，由于加电、断电、或者其它的一些电压转换将引起的交流耦合电容器的任何一侧上的DC状态的变化，该变化可能导致可听见的非自然信号，因为交流耦合电容器的充/放电使得电流流过交流耦合电容器和音频设备。例如，编译码器系统被用于驱动输入和输出设备，例如，扬声器、耳机、放大器、麦克风、CD唱机。编译码器的I/O触点一般通过交流耦合电容器与特定的输入和输出设备相连。当编译码器加电或断电时，穿过交流耦合电容器的电压变化引起一个假信号，如果该设备具有音频输出，例如扬声器、耳机，则该假信号脉冲能够被听到为令人烦恼的“卡嗒”、“砰”或“轰隆”声。即使是该设备为CD唱机、放大器或麦克风，如果后续部件不对其加以抑制，仍可以听到该声音。这种特殊的声音，“卡嗒”、“砰”或“轰隆声”，取决于由穿过交流耦合电容器的电压转换感应的充电电流的频率内容。
在一种现有技术中试图克服这种问题，一旦出现加电或断电命令，编译码器的共模发生器电路被直接切换到输入/输出触点，而且共模电容的RC时间常数和共模发生器的阻抗调制该“假信号”，但是该“假信号”仍然存在，并且通过切换引入了串音。另一个缺点是这些切换和交流耦合电容以及输入/输出设备的网络将其它的RC时间常数与之前提及的RC时间常数混合，这就引入了延迟，使得当驱动放大器打开/关闭时在短暂延迟后在第二个中等的假信号之后跟随有一个中等的假信号。另一个方法是简单地使用外部电路，如交流耦合电容器的接地端上的钳位电路，以抑制由于那些电容器充/放电引起的任何电的非自然信号。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种用于控制流过输入/输出音频设备的电流的改进的充/放电控制电路。
本发明的另一个目的是提供这样一种改进的充/放电控制电路，其减少了不想要的可听见的非自然信号，还提供交流耦合电容器的快速充电和放电。
本发明的再一个目的是提供这样一种改进的充/放电控制电路，其大大地减少或者消除了对外部钳位电路的需求。
本发明的再一个目的是提供这样一种改进的充/放电控制电路，其工作在齿形(profile)电容器的宽范围之上。
本发明的再一个目的是提供这样一种改进的充/放电控制电路，其工作在交流耦合电容器的宽范围之上。
本发明的再一个目的是提供这样一种改进的充/放电控制电路，其工作用于广泛的各种音频输入/输出设备。
本发明的再一个目的是提供这样一种改进的充/放电控制电路，其在硅面积上相对较小。
本发明的再一个目的是提供这样一种改进的充/放电控制电路，其功耗相对较低。
本发明的再一个目的是提供这样一种改进的充/放电控制电路，其不会引入串音。
本发明实现了一种用于控制流过输入/输出音频设备的电流的改进的充/放电控制电路，其减少了不想要的非自然信号，还提供交流耦合电容器的快速充电和放电，该控制电路可以与波形生成电路响应于第一和第二参考电压一同作用，生成接近于听不见的电流波形的多级电压波形分布，以抑制输入/输出设备中可听见的非自然信号。
然而，在其它实施例中，本发明不需要实现于此的所有这些目的和权利要求，不应当局限于能够实现这些目的的结构或方法。
本发明的特征在于一种用于控制流过输入/输出音频设备的电流的充/放电控制电路包括第一参考电压和第二参考电压。波形生成电路响应于该第一和第二参考电压，用于生成接近于听不见的多级波形分布，以抑制输入/输出设备中可听见的非自然信号。
在优选实施例中，第一参考电压可以包括共模电压而第二参考电压可以包括接地。多级波形可以包括跟随以衰退级的生长级。生长级的斜率的幅度可以随时间增大。衰退级的斜率的幅度可以随着时间减小。多级波形可以包括初始级。初始级可以具有固定斜率。波形生成电路可以在加电时工作，并且多级波形的各级可以具有正斜率。波形生成电路可以在断电时工作，并且多级波形的各级可以具有负斜率。波形生成电路可以在加电时工作，并可以包括第一电流源、齿形电容器、以及用于在初始级期间为齿形电容器充电的第一电流反射镜。其可以包括第二电流反射镜，以及响应于初始级期间齿形电容器上电压的增大以提高生长级期间充电齿形电容的电流的第一正反馈电路。在衰退级，电流反射镜的输出引线可以响应齿形电容器上进一步升高的电压以工作在线性阻抗区域内。波形生成电路可以在断电时工作，并且可以包括第二电流源、齿形电容器、以及用于在初始级期间放电齿形电容器的第三电流反射镜。其可以包括第四电流反射镜，以及响应于初始级期间齿形电容器上电压的减小以增大生长级期间放电齿形电容器的电流的第二正反馈电路。在衰退级，电流反射镜的输出引线可以响应齿形电容器上进一步减小的电压以工作在线性阻抗区域内。齿形电容器可以是共模电压电容器。输入/输出设备可以包括交流耦合电容器并且齿形电容器可以包括交流耦合电容器。可以有正的反馈预偏压电路用于减小初始级的周期。波形生成电路可以包括与所有输入/输出设备相关联的缓冲放大器，或者其可以包括与输入/输出设备的每一个相关联的缓冲放大器。可以利用数-模转换器实现波形生成电路。缓冲放大器可以包括音频驱动放大器。多级波形分布可以是电压波形。听不见的波形可以是电压波形。多级波形分布可以接近于听不见的波形的积分。波形分布可以是电流波形。多级波形分布可以是电流波形分布。
本发明的特征还在于，一种用于控制流过输入/输出音频设备的电流的充/放电控制电路包括第二参考电压，响应于第一和第二参考电压用于生成接近于听不见的波形的积分的多级波形分布，以抑制输入/输出设备中可听见的非自然信号的波形生成电路。
附图说明
通过下面对优选实施例和附图的说明，本领域的技术人员将清楚其它目的、特征和优点，其中：
图1是根据本发明安装在pc板上、并通过交流耦合电容器与输入/输出设备相连的编译码器的原理框图；
图2是示出了根据本发明的波形生成电路的图1的编译码器的更为详细的原理框图；
图3是根据本发明，用于抑制输入/输出设备处的、来自诸如加电和断电时的电压转换的产生的非自然音频信号的理想的电流波形分布图；
图4是针对正向电压转换的图3的电流波形的积分近似的多级电压波形，比如应用于交流耦合电容器的加电，其产生了如图3所示的导数；
图5是针对反向电压转换的图3的电流波形的积分近似的多级电压波形，比如应用于交流耦合电容器的断电，其产生了如图3所示的导数；
图6是对于图4和图5的电压转换波形的导数的实际电流波形分布图；
图7是对于正向电压转换实现的图2的波形生成电路的更为详细的示意图；
图8是对于反向电压转换实现的图2的波形生成电路的更为详细的示意图；
图9是利用交流耦合电容器作为齿形电容器的图7和8的波形生成电路的原理框图；
图10是利用单个缓冲放大器服务多个输入/输出设备的图7和8的波形生成电路的原理框图；
图11是利用单个缓冲放大器服务多个输入/输出设备的每一个的图7和8的波形生成电路的原理框图；
图12是对于以预偏压电路进行正向电压转换以缩短初始级的周期的图2的波形生成电路的另一个实施例的原理图；
图13是对于以预偏压电路进行反向电压转换以缩短初始级的周期的图2的波形生成电路的另一个实施例的原理图；
图14示出了利用不同的、线性充电的另一多级电压波形积分近似；以及
图15示出了利用不同的、非线性充电的另一多级电压波形积分近似。
具体实施方式
除了优选实施例或下面公开的实施例之外，本发明允许有其它实施例，并且将以各种方式实践和实现。因此，将理解的是本发明并不局限于其对下面描述中阐明的或附图中举例说明的构成细节和组件排列的应用。如果在此只描述了一个实施例，则有关于此的权利要求不局限于该实施例。此外，不要限制性地阅读有关于此的权利要求，除非有清楚和可信的证据证明某些排他性、限制、或放弃。
图1示出了根据本发明安装在PC板12上的编译码器10。编译码器10具备两个电压，例如端子14处的正电源vdd和端子16处的负电源GND。编译码器10还具有触点48，用于通过共模电容器Ccm50信号调节共模电压。编译码器10典型地具有多个I/O触点18，在此由单个表示，其通过插孔20提供输出到，例如输入/输出设备22，在此示意为扬声器36。编译码器10的输出通过交流耦合电容器CAC 24提供到插孔20。在此还可以提供电阻26和电感28。
通常，在正向或反向电压转换时，在I/O触点18，例如在加电或断电时，在节点30、32的电压剧变感应了电流，该电流将流经输入/输出设备22，这就引起了一个问题，即当设备22为诸如扬声器36的音频设备时，其会产生可听见的非自然信号。根据本发明的一个构造，图2的编译码器10可以包括共模参考电压电路40，其通过开关42为共模缓冲放大器44提供共模电压，并通过开关46为与共模电容器CCM 50相连的共模触点48提供共模电压。共模电压缓冲放大器44的输出被传递到波形生成电路52作为两个参考电压的其中一个，另一个参考电压是来自端子16的GND电压。波形发生器电路52的输出通过触点48连接到电容器50，到激励放大器64，以及到缓冲放大器54，其又与服务多个输入/输出设备22的多个I/O触点相连，输入/输出设备22的每一个通过交流耦合电容器CAC24与其各自的触点18耦合。在其它的实施例中，缓冲放大器54可以包括或者用作一个或多个激励放大器64。假定输入/输出设备22的每一个都是音频输出设备，并且穿过节点30、32的电容器24的电压剧变将产生可听见的卡嗒、砰、“轰隆声”，或其它令人烦恼的可听见的非自然信号，该编译码器将行动以抑制那些非自然信号，例如消除轰隆声。
在操作时，假定出现加电、断电或其它电压转换命令，开关46将打开而开关42将关闭。因此，一个共模电压将通过共模缓冲放大器44提供给波形生成电路52。根据本发明的一个实施例，波形生成电路52立刻和齿形电容器CP一道生成近似理想的电流波形的积分的波形，齿形电容器CP在此情况下是利用共模电容器CCM50实现的，当其流过交流耦合电容器24和输入/输出设备22时，该波形低于可听见的范围，典型地为20至20kHz，使得通过从一个参考电压到另一个电压的转换不会有可听见的非自然信号。因此在所选择的节点30提供积分的波形以提供导数波形，即流过交流耦合电容器24和输入/输出设备22的电流，其低于可听见的范围。这是通过整形波形生成电路52中的波形来完成的，使得其转换是平滑和低频的，即低于可听见的范围。可以在线路60上提供实际音频信号，并且选择性应用于触点18...从激励放大器64通过开关62。当提供实际音频信号时，开关42和46的状态将被互换。如之前说明的，还通过触点18提供由波形生成电路52生成的波形，但是这可以通过选择开关68通过缓冲放大器54来完成。缓冲放大器54使得波形发生器52服务多个输入/输出设备22成为可能，并且与现有技术相比，不同负载特性的交流耦合电容器具有在输入/输出设备22之间更为改善的串音水平。迄今，在本说明中，已经使用了听不见的信号的积分，但这不是本发明必要的限制。例如，听不见的波形本身可以被使用而且多波形分布可以是电流。
参照图3可以更好的理解本发明，其中示出了理想的电流波形80，期望该电流波形流过电容器24和音频输入/输出设备22。该波形的缓慢、逐渐的转换被控制在低于可听见的范围，即，例如低于20Hz。当曲线80表示诸如加电的正向电压转换时流过电容器24和设备22的理想电流波形，波形82表示诸如断电的反向电压转换时流过电容器24和设备22的理想电流波形。由于流过电容器，如电容器24，的电流与跨过电容器的电压的导数成比例，并且由于我们想要仅仅对电容器24和设备22中没有电流的稳定状态应用波形80、82，使得节点32在GND开始，这些波形组成了节点30上耦合电容器CAC 24的另一侧上的波形的导数。因此，为了获得这些理想的波形80、82，或者至少尽可能地接近，本发明使用波形生成电路52和齿形电容器以生成图4的理想的正向变换波形80的积分84的近似。注意，如同所说明的，可以使用听不见的波形本身，并且多波形分布可以是电流。节点30处将出现的波形84是包括至少一个生长级86和一个衰退级88的多级波形。就图3而论，通常当电流波形的幅度上升到高于0并增大到其峰值时将出现生长级，通常，衰退级从该峰值开始延伸，并且电流的幅度减小回到0。参考图4，在生长级86，斜率的幅度增大，在衰退级88其减小。生长级和衰退级基本上都是生成波形80所必需的，然而，实际上采用了初始固定级90。该级不是真正必需的并且可以使得尽可能的短。在反向电压转换的情况下，参考图5，波形82的积分92同样具有生长级86a和衰退级88a。在此还示出了初始或固定级90a。由于根据波形生成电路的本实施例所产生的图4和5的波形84、92近似于图3的理想电流波形80、82的积分，任何人将注意到在节点30应用的由波形生成电路52感应的图6的实际电流波形94、96分别是正向电压转换波形84和反向电压转换波形92的导数，它们稍微不同于理想的电流波形80、82。特别的，正向电压转换90和反向电压转换90a的初始固定级在实际电流波形94、96中产生一个小的“阶”，其没有出现在理想电流波形80、82中。这是由对波形生成电路52的本实施例的要求强加的限制，如对使用更小的硅面积以及更小的功耗的限制。如果不是类似地受到它们的要求的限制，波形生成电路52的其它实施例可能没有这种非理想性。因此，通过生成近似于图3的理想电流波形80、82的图4和5的积分84、92的波，实现了抑制电压转换非自然信号的可听性的图6的实际电流波形94、96。虽然在实施例中公开了多级波形分布作为电压而听不见的波形作为电流，这些都不是本发明的必要限制。
在一个实施例中，如图7，对于诸如加电操作的正向电压转换，波形生成电路52u包括齿形电容器CP 100、第一电流反射镜102u，电流源104u，第二电流反射镜106u，以及正反馈放大器108u。还提供有参考电压110u，如缓冲的共模电压；以及参考电压112u，如接地。如下所述，在操作时，在加电或正向电压转换命令时波形生成电路将生成如图4所示的多级积分。电流反射镜102u的引线114u传送由电流源104u指示的电流。该电流在引线116u中被反射，并且为齿形电容器CP 100充电。这是图4的初始级90。再参照图7，由于齿形电容器CP 100处的节点118u上的电压增大，晶体管120u和正反馈放大器108u接通，促使电流在电流反射镜106u的引线122u中流动。引线124u中反射的电流现在通过节点118u添加到流入齿形电容器CP 100的电流中，由此增大了斜率并且开始图4的生长级86。在生长级，电容器100(CP/CM/CAC)和电阻器101与晶体管120u一起产生了一个音频I/O设备电流的频率控制，以将其保持在20Hz或更低。由于在节点118u处齿形电容器CP 100上的电压持续增大，电流反射镜102u和106u的输出引线116u和124u分别进入线性区域而且波形进入图4的衰退级88。在衰退级，电容器100(CP/CM/CAC)和电阻器103、105与晶体管107、109一起产生了一个音频I/O设备电流的频率控制，以将其保持在20Hz或更低。虽然齿形电容器CP 100在此被示为分离的电容器，实际上其可以是共模电容器CCM或者甚至是耦合电容器CAC。
在反向电压转换操作中，如图8，除了PMOS和NMOS晶体管之外，波形生成电路52d包括与图7的波形生成电路52u中相同的组件，这些组件与图8的波形生成电路52d的那些对换。即，PMOS变为NMOS，而NMOS变为PMOS，并且该电路相对于第一和第二参考电压反转。此外，齿形电容器CP 100可包括共模电容器或交流耦合电容器。一旦出现反向电压转换命令，从电流源104d经过电流反射镜102d的引线114d流入的电流在电流反射镜102d的引线116d被反射，由此随着节点118d的电压减小开始对齿形电容器100放电。正反馈放大器108d中的晶体管120d促使电流在电流反射镜106d的引线122d中流动。在引线124d中反射的电流添加到并增大了来自齿形电容器100的放电电流，因此，将其从图5的固定级90a移动至生长级86a。随着齿形电容器100的节点118d上的电压持续减小，电流反射镜102d和106d的输出引线116d和124d进入线性阻抗区域，并且波前进入图5的衰退级88a。频率是以图8的反转结构中类似的方式控制的。
如图9，可能存在与每一个输入/输出设备22相关联的波形生成电路52。同样如图9所示，可以利用交流耦合电容器24实现齿形电容器CP 100。在其它变化中，如图10，允许波形生成电路52服务具有不同负载特性的多个输入/输出设备22。或者，如图11，每一个输入/输出设备22可以由单独的缓冲放大器54服务，当这些缓冲放大器可用时，这尤其有用，否则在电压转换期间在编译码器芯片上不使用，比如驱动放大器。
如图7，在正向电压转换波形生成电路52u中，可以通过如下来缩短图4的固定级90的周期：通过添加包括正反馈预偏压电路150u的预偏压，如图12；通过添加包括升高了正反馈放大器108u中的晶体管120u的门电路156u上的电压的PMOS晶体管152u和NMOS晶体管154u的第三引线150u。这就促使晶体管120u更早的导电，更快地将波形生成从图4的固定级90移动至生长级86，并由此如所期望地缩短固定级90的周期。
类似地，如图13，在反向电压转换波形生成电路52dd中，所添加的引线150d包含PMOS晶体管154d和NMOS晶体管152d。NMOS和PMOS再次对换位置，从正向电压转换对换到反向电压转换电路。在此情况下，引线150d上的预偏压降低了正反馈放大器108d中晶体管120d的门电路156d上的电压。这就促使晶体管120d更快的导电，由此更早的触发了图5的生长级86a，并缩短了固定级90a的周期。
尽管生成多级积分波形的波形生成电路52被示出为仅仅利用固定、生长和衰退级生成三级波形，这不是本发明的必要的限制。例如，如图14所示，波形84′可以包括固定斜率级，如90′、86′和88′。或者如图15所示，波形84″可以包括所有非线性级，如86″、88″、90″。另外，波形不局限于两个或三个或仅仅几级，其可以具有许多的级。例如，其可以用数-模转换器(DAC)来实现。即，在图2中，波形生成电路52可以是具有成百上千阶，例如28阶的数-模转换器。本领域的技术人员将理解，有多种方法实现这种近似，其可以是几阶或多阶，所有这些都在本发明的范围内，例如开关电容器、开关电流、开关电阻器。
尽管在一些附图中示出了本发明的特定特征，而在其它附图中没有示出，这仅仅是为了方便起见，因为根据本发明每个特征都可以与任何或所有其它特征结合。在此使用的词语“包括”“包含”“具有”和“带有”将取其广义和全面解释，并且不局限于任何物理互连。此外，在本申请中公开的任何实施例不作为仅仅可能的实施例。
另外，在本专利的专利申请审查期间提出的任何修改不会放弃本申请中提出的任何权项：本领域的技术人员不能合理地期望撰写可能字面上包含所有可能的等同物的权利要求，许多等同物将在修改时不可预见，并且超出将被放弃的(如果有的话)公正的解释，经过修改后的基本原理与许多等同物仅仅具有附带的关系，和/或有许多其它原因无法期望申请人对修改后的任意权项描述确定的不实际的替代物。
本领域的技术人员将想到其它的实施例，这些实施例在下面的权利要求范围之内。

Claims (24)

1.一种用于控制流过输入/输出音频设备的电流的充/放电控制电路，包括：
第一参考电压；
第二参考电压；以及
响应于所述第一和第二参考电压，用于生成接近于听不见的波形的多级波形分布，以抑制所述输入/输出音频设备中可听见的非自然信号的波形生成电路，
其中所述多级波形分布包括初始级、生长级和衰退级，并且
其中所述波形生成电路在正向转换时工作，包括第一电流源、齿形电容器以及用于在所述初始级期间为所述齿形电容器充电的第一电流反射，并且包括第二电流反射镜，以及响应于所述初始级期间所述齿形电容器上电压的增大，以提高所述生长级期间对所述齿形电容器进行充电的电流的第一正反馈电路，在所述衰退级中，所述第一电流反射镜的输出引线和所述第二电流反射镜的输出引线响应于所述齿形电容器上进一步升高的电压，以工作在线性阻抗区域内。
2.根据权利要求1的充/放电控制电路，其中所述第一参考电压包括共模电压。
3.根据权利要求1的充/放电控制电路，其中所述第二参考电压包括接地。
4.根据权利要求1的充/放电控制电路，其中所述生长级被所述衰退级跟随。
5.根据权利要求4的充/放电控制电路，其中所述生长级的斜率的幅度随时间增大。
6.根据权利要求4的充/放电控制电路，其中所述衰退级的斜率的幅度随时间减小。
7.根据权利要求1的充/放电控制电路，其中所述初始级具有固定斜率。
8.根据权利要求1的充/放电控制电路，其中所述波形生成电路在正向电压转换时工作，而且所述多级波形的各级具有正斜率。
9.根据权利要求1的充/放电控制电路，其中所述波形生成电路在反向转换时工作，而且所述多级波形的各级具有负斜率。
10.根据权利要求1的充/放电控制电路，其中所述齿形电容器为共模电压电容器。
11.根据权利要求1的充/放电控制电路，其中输入/输出音频设备包括交流耦合电容器，并且所述齿形电容器包括所述交流耦合电容器。
12.根据权利要求1的充/放电控制电路，进一步包括用于减小所述初始级的周期的正反馈预偏压电路。
13.根据权利要求1的充/放电控制电路，其中所述波形生成电路包括与输入/输出音频设备相关联的缓冲放大器。
14.根据权利要求1的充/放电控制电路，其中所述波形生成电路包括数-模转换器。
15.根据权利要求13的充/放电控制电路，其中所述缓冲放大器包括音频驱动放大器。
16.根据权利要求1的充/放电控制电路，其中所述多级波形分布为电压波形分布。
17.根据权利要求1的充/放电控制电路，其中所述听不见的波形为电压波形。
18.根据权利要求1的充/放电控制电路，其中所述多级波形为接近于听不见的波形的积分。
19.根据权利要求1的充/放电控制电路，其中所述听不见的波形为电流波形分布。
20.根据权利要求1的充/放电控制电路，其中所述多级波形分布为电流波形分布。
21.一种用于控制流过输入/输出音频设备的电流的充/放电控制电路，包括：
第一参考电压；
第二参考电压；
响应于所述第一和第二参考电压，用于生成接近于听不见的波形的多级波形分布，以抑制所述输入/输出音频设备中可听见的非自然信号的波形生成电路，
其中所述多级波形分布包括初始级、生长级和衰退级，并且
其中所述波形生成电路在反向电压转换时工作，包括第二电流源、齿形电容器、以及用于在所述初始级期间放电所述齿形电容器的第三电流反射镜，并且包括第四电流反射镜，以及响应于所述初始级期间所述齿形电容器上的电压减小，以增大所述生长级期间对所述齿形电容器进行放电的电流的第二正反馈电路，在所述衰退级中，所述第三电流反射镜的输出引线和所述第四电流反射镜的输出引线响应于所述齿形电容器上进一步减小的电压，以工作在线性阻抗区域内。
22.根据权利要求21的充/放电控制电路，其中所述齿形电容器为共模电压电容器。
23.根据权利要求21的充/放电控制电路，其中输入/输出音频设备包括交流耦合电容器，并且所述齿形电容器包括所述交流耦合电容器。
24.根据权利要求21的充/放电控制电路，进一步包括用于减小所述初始级的周期的正反馈预偏压电路。
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