CN101404480A - 单片集成的防破音d类音频功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种D类音频功率放大器，所述D类音频功率放大器包括：前置放大器，对输入的音频信号进行放大；PWM调制电路，将放大的音频信号调制为脉冲信号；逻辑控制及驱动电路，对从PWM调制电路输出的脉冲信号进行逻辑控制和驱动，以输出驱动信号；输出功率级电路，通过使用驱动信号来驱动声学元件；防破音模块，根据前置放大器放大的音频信号进行自动增益控制以改变前置放大器的增益。

Description

单片集成的防破音D类音频功率放大器

技术领域

本发明涉及音频功率放大，更具体地讲，涉及一种能够通过消除破音以提高输出音质并对后级声学元件进行保护的D类音频功率放大器。

背景技术

D类音频功率放大器(以下简称D类放大器)将输入的音频信号放大，通过PWM调制产生脉冲信号，最后经由输出级驱动和滤波，还原输入的音频信号。D类放大器主要作用就是放大输入的音频信号，改善输入音频信号的音质，并在声学元件上高效和高保真地恢复输入的音频信号。

然而，信号源输入信号幅度的不可预知性对芯片和后级电路产生了不可预知的后果，因此，如果输入音频信号幅度超过规定的范围，则会导引如下问题。第一，信号失真将会增加，这必然导致信噪比变差，直接影响输出音频的音质，其宏观的表现就是刺耳声音的出现。第二，由于输出功率管持续的大电流输出引起芯片的温度上升，因此会损坏芯片，并且导致后级声学元件(如扬声器)长时间的大功率工作，也会造成声学元件的损害。因此，设计能够根据输入信号的幅度自动对芯片的输出功率进行调节的音频功率放大芯片，已经成为了迫切的需求。

发明内容

在下面的描述中将部分地阐明本发明另外的方面和/或优点，通过描述，其会变得更加清楚，或者通过实施本发明可以了解。

根据本发明的一方面，提供一种D类音频功率放大器，包括：前置放大器，对输入的音频信号进行放大；PWM调制电路，将放大的音频信号调制为脉冲信号；逻辑控制及驱动电路，对从PWM调制电路输出的脉冲信号进行逻辑控制和驱动，以输出驱动信号；输出功率级电路，通过使用驱动信号来驱动声学元件；防破音模块，根据前置放大器放大的音频信号进行自动增益控制以改变前置放大器的增益。

根据本发明的另一方面，还可提供一种用于D类音频功率放大器的防破音模块，所述防破音模块包括：缓冲器，用于对输入的音频信号进行缓冲；阈值电平产生电路，用于产生破音阈值和复位阈值；第一比较器，其正相端接收缓冲器的输出，负相端接收阈值电平产生电路输出的破音阈值电平；第二比较器，其正相端接收阈值电平产生电路输出的复位阈值电平，负相端接收缓冲器的输出；毛刺消除电路，根据第一比较器的输出产生脉冲信号；延时单元，根据第二比较器的输出产生复位信号；自动增益控制电路，根据毛刺消除电路输出的脉冲信号自动调节D类音频功率放大器的增益，并且当接收到延时单元输出的复位信号时，将D类音频功率放大器的增益复位为初始值。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中：

图1示出根据本发明实施例的D类放大器的框图；

图2示出根据本发明实施例的图1所示的D类放大器中的防破音模块的框图；

图3示出根据本发明实施例的图2所示的防破音模块中的毛刺消除电路的示意图；

图4示出根据本发明实施例的图2所示的防破音模块中的自动增益控制电路的示意图；

图5示出根据本发明实施例的图4所示的自动增益控制电路中的译码器的输出波形的示例；

图6示出根据本发明实施例的图1所示的D类放大器中的防破音模块工作时的波形图。

具体实施方式

现在对本发明实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。下面通过参照附图对实施例进行描述以解释本发明。

图1是根据本发明实施例的D类放大器的框图。根据本发明实施例的D类放大器包括前置放大器101、PWM调制电路102、防破音模块103、逻辑控制及驱动级电路104和功率输出级电路105。此外，根据本发明实施例的D类放大器还可包括保护电路106。参照图1，输入的音频信号通过全差分前置放大器101放大后被输出到PWM调制电路102。放大的音频信号在PWM调制电路102中经过三角波调制，被调制成占空比大小不一的脉冲信号。经过PWM调制的脉冲信号被输出到逻辑控制及驱动级电路104。逻辑控制及驱动电路104对输入的脉冲信号进行逻辑控制和驱动，并将驱动信号输出到功率输出级电路105，从而通过功率输出级电路105来驱动后级声学元件(例如，扬声器)。另一方面，防破音模块103接收前置放大器101输出的音频信号，根据该音频信号进行自动增益控制以改变前置放大器101的增益，从而改变音频信号传播链路上的增益。此外，保护电路106可对芯片的温度进行监视，当有温度过高现象发生时，切断整个D类放大器中电路的工作。保护电路106可由常用的过流保护或过热保护器件来实现。

如上所述，根据本发明实施例的D类放大器中的前置放大器、PWM调制电路、逻辑控制及驱动级电路和功率输出级电路都可采用本领域技术人员常用的电路构造，因此这里不再对其进行详细描述。以下，参照图2至图5对根据本发明实施例的D类放大器中的防破音模块进行详细描述。

图2示出根据本发明实施例的图1所示的D类放大器中的防破音模块的框图。参照图2，防破音模块103包括缓冲器201、阈值电平产生电路202、第一比较器203、第二比较器204、毛刺消除电路205、延时单元206和自动增益控制电路207。

缓冲器201可由单位增益的两级运算放大器构成，即，缓冲器采用NMOS输入的差分对管实现。缓冲器201用于对前置放大器101放大的信号进行缓冲，以减少后级自动增益控制电路207引入对通道信号的影响，并增加驱动能力。缓冲器201能够完成对前置放大器101的输出信号的采集，增加对后级信号处理电路的驱动能力，以便有效地完成对信号的处理。

阈值电平产生电路202采用电阻串分压的形式实现，用于完成信号幅度放大/减小的阈值设置，并且保持该电压在工艺和温度条件下的稳定性。阈值电平产生电路202可以控制自动增益控制电路207的启动和复位电平，根据输出功率和信噪比的折中选择阈值电平。阈值电平产生电路202将启动阈值(即，破音阈值)电平和复位阈值电平分别输入到第一比较器203的负相端和第二比较器204的正相端。在工作电压VDD＝5V，输出功率P＝2.2W时，复位阈值可设置为1.95V，破音阈值可设置为3V。然而，复位阈值和破音阈值不限于上述值，可以根据电路的工作电压、输出功率等来适当设置。

第一比较器203采用NMOS差分对管来实现，其正相端接收缓冲器201的输出，负相端接收阈值电平产生电路202输出的破音阈值电平，输出端连接到毛刺消除电路205。第一比较器203用于对缓冲器201输出的高电平进行检测，当通过缓冲器203输入到第一比较器203的正相端的前置放大器101的输出信号幅度过大时，第一比较器203输出高电平信号，从而启动毛刺消除电路205。第二比较器204采用PMOS差分对管来实现，其正相端接收阈值电平产生电路202输出的复位阈值电平，负相端接收缓冲器201的输出，输出端连接到延时单元206。第二比较器204用于对缓冲器201输出的低电平进行检测，当通过缓冲器203输入到第二比较器204的负相端的前置放大器101的输出信号幅度过低时，第二比较器204输出高电平信号，从而启动延时单元206。实质上，第一比较器203和第二比较器204的功能类似于1位的模数转换电路，能够为后级自动增益控制电路207提供触发电平。

图3示出根据本发明实施例的图2所示的防破音模块中的毛刺消除电路的示意图。参照图3，毛刺消除电路205采用一阶低通滤波器的形式实现，其包括电流源i_b，电容器C和整形电路，其中，电流源i_b接收第一比较器203的输出，整形电路将经过整形的信号输出到自动增益控制电路207。具体地讲，输入到D类放大器的音频信号可能会由于某些原因产生瞬间冲击(即，毛刺)，此时，第一比较器203将输出高电平，从而电流源i_b对电容器C进行充电。对于毛刺持续时间小于设定时间τ1的信号，电容器C的充电电压不会大于毛刺阈值，因此不会启动自动增益控制电路207，只有当毛刺持续时间大于设定时间τ1时，才会认为输入音频信号的幅度过大不是由于偶然因素导致的。此时，整形电路对大于毛刺阈值的电容器C的充电电压进行整形，从而输出高电平脉冲信号。毛刺阈值根据如下等式确定：

$V=\frac{Q}{C}=\frac{i_b*t}{C}=\left(\frac{i_b}{C}\right)*t,$

其中，i_b表示电流源电流，t表示电容器的充电时间，C表示电容器的电容值。此外，毛刺消除电路205的整形电路可以采用常用的反相器或者施密特触发器来实现，这里不再对其进行详细描述。

延时单元206采用时钟计数的方式实现，其接收第二比较器204输出的信号，用于完成对输入的音频信号幅度变小的判决。当延时电路206对于输入信号的计数周期超过预定时间τ2时，延时电路206将复位信号输出到自动增益控制电路207，以便有效正确地将前置放大器101的增益复位。

图4示出根据本发明实施例的图2所示的防破音模块中的自动增益控制电路的示意图。参照图4，自动增益控制电路207包括Gray计数器和译码器。Gray计数器的时钟端CLK接收毛刺消除电路205输出的脉冲信号，对该脉冲信号进行计数，并将计数值输出到译码器。译码器将计数器的输出脉冲译码为开关脉冲序列，以便控制前置放大器101的可变电阻器的阻值，从而调节前置放大器的增益。图5示出根据本发明实施例的图4所示的自动增益控制电路中的译码器的输出波形的示例。然而，译码器的输出波形不限于图5所示的波形。

Gray计数器的清零端CLR接收延时电路的输出信号，如果前置放大器的输出低电平满足复位要求(即，音频信号幅度小于复位阈值的时间超过预定时间τ2时)，则复位信号有效，Gray计数器清零。此时，译码器输出低电平信号，从而将可变电阻器的阻值恢复为初始阻值，即，将前置放大器的增益复位为0dB。为了完成正确的复位，复位时间设置为τ3。Gray计数器的计数方式可采用二进制或一位热码计数的方式。如上所述，自动增益控制电路207根据前置放大器输出信号的幅度改变前置放大器的可变电阻器的电阻值，实现前置放大器增益的改变，最终实现增益的自动调节功能。

图6示出根据本发明实施例的图1所示的D类放大器中的防破音模块工作时的波形图。参照图6，通过自动增益控制，根据本发明的D类放大器可以输出稳定的音频信号。具体地讲，前置放大器101的输出信号经过缓冲器201的缓冲以后，输入到第一比较器203和第二比较器204。当前置放大器101的输出信号大于预定的安全电压(破音阈值)时，第一比较器203就会输出高电平“1”。如果前置放大器101的输出信号超过安全电压的时间大于τ1，则毛刺消除电路205就会输出一个脉冲信号到自动增益控制电路207，自动增益控制电路207每接收到一个脉冲就会对前置放大器101的增益减小一个步阶，直到前置放大器101的输出降到安全的范围内。当前置放大器101的输出信号小于预定的安全电压(复位阈值)时，第二比较器204就会输出高电平“1”。当前置放大器101的输出信号低于安全电压的时间超过τ2时，自动增益控制电路207将前置放大器101的增益复位为预定值0dB。复位时间为τ3。

图4中示出的可变电阻的设置对应自动增益的调整范围α，当可变电阻的电阻值为R₀时，对应最大的增益0dB。当增益衰减α时，对应的电阻数值R根据如下等式确定：

$20*\log \frac{R_0}{R}=\mathrm{\α}.$

图4中示出的Gray计数器和译码器的位数N决定可变电阻器的递增步长，可变电阻器的改变步长ΔR根据如下等式确定：

$\mathrm{\ΔR}=\frac{R_0-R}{2^N}.$

上述时间变量τ1取2μs～6μs，τ2取100ms，τ3取100μs，自动增益能够调整的范围α为5dB。然而，上述时间变量和自动增益的调整范围不限于上述数值。

因此，根据本发明的D类放大器可以能动地改变信号链路增益，从而使输出保持在安全输出范围内，避免因音源的过大输入造成输出的音频信号失真和声学元件的损坏。通过使用自动增益控制电路，改善了D类放大器对输入大信号的瞬态响应，有效缓解了大音量输入对后级电路的冲击效应。

虽然已经表示和描述了本发明的一些实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1、一种D类音频功率放大器，包括：

前置放大器，对输入的音频信号进行放大；

PWM调制电路，将放大的音频信号调制为脉冲信号；

逻辑控制及驱动电路，对从PWM调制电路输出的脉冲信号进行逻辑控制和驱动，以输出驱动信号；

输出功率级电路，通过使用驱动信号来驱动声学元件；

防破音模块，根据前置放大器放大的音频信号进行自动增益控制以改变前置放大器的增益。

2、根据权利要求1所述的D类音频功率放大器，还包括：保护电路，对逻辑控制及驱动电路进行过流保护和过热保护。

3、根据权利要求1所述的D类音频功率放大器，所述防破音模块包括：

缓冲器，用于对前置放大器放大的音频信号进行缓冲；

阈值电平产生电路，用于产生破音阈值和复位阈值；

第一比较器，其正相端接收缓冲器的输出，负相端接收阈值电平产生电路输出的破音阈值电平；

第二比较器，其正相端接收阈值电平产生电路输出的复位阈值电平，负相端接收缓冲器的输出；

毛刺消除电路，根据第一比较器的输出产生脉冲信号；

延时单元，根据第二比较器的输出产生复位信号；

自动增益控制电路，根据毛刺消除电路输出的脉冲信号自动调节D类音频功率放大器的增益，并且当接收到延时单元输出的复位信号时，将D类音频功率放大器的增益复位为初始值。

4、根据权利要求3所述的D类音频功率放大器，其中，缓冲器构造为单位增益的两级运算放大器。

5、根据权利要求3所述的D类音频功率放大器，其中，阈值电平产生电路构造为电阻串分压形式。

6、根据权利要求3所述的D类音频功率放大器，其中，第一比较器构造为NMOS差分对管，第二比较器构造为PMOS差分对管。

7、根据权利要求3所述的D类音频功率放大器，其中，毛刺消除电路包括：

电流源，当接收到第一比较器输出的高电平信号时，电流源输出恒定电流信号；

电容器，通过电流源输出的电流对电容器进行充电；

整形电路，当电容器的充电电压大于毛刺阈值时，输出脉冲信号。

8、根据权利要求3所述的D类音频功率放大器，其中，毛刺阈值根据如下等式确定：

$V=\frac{i_b*t}{C},$

其中，i_b表示电流源电流，C表示电容器的电容值，t表示电容器的充电时间。

9、根据权利要求3所述的D类音频功率放大器，其中，延时单元构造为时钟计数形式，并且当第二比较器输出高电平的计数周期大于预定时间时，延时单元输出复位信号。

10、根据权利要求3所述的D类音频功率放大器，其中，自动增益控制电路包括：

Gray计数器，其时钟端接收毛刺消除电路输出的脉冲信号，清零端接收延时单元输出的复位信号；

译码器，将Gray计数器的输出脉冲译码为开关脉冲序列以调节D类放大器的增益，并且当Gray计数器接收到复位信号而清零时，译码器输出低电平信号以将D类放大器的增益复位为初始值。

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