CN101465619B

CN101465619B - D类功放噪声抑制方法和装置及抑制噪声的d类功放

Info

Publication number: CN101465619B
Application number: CN2007101993806A
Authority: CN
Inventors: 郎芸萍; 张军明; 任远程
Original assignee: Hangzhou MPS Semiconductor Technology Ltd
Current assignee: Hangzhou MPS Semiconductor Technology Ltd
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2027-12-20
Also published as: CN101465619A

Abstract

本发明为一种D类功放的噪声抑制方法，包括步骤S1，接收外部使能信号；步骤S2，在所述外部使能信号的状态发生改变时，根据所述外部使能信号产生所述D类功放的使能信号，同时根据所述外部使能信号产生静音信号用于控制所述D类功放的负载。本发明能够有效的抑制电容充放电产生的“POP”或者“CLICK”噪声，同时无须增加或者修改芯片管脚。

Description

D类功放噪声抑制方法和装置及抑制噪声的D类功放

技术领域

本发明涉及D类功放噪声抑制方法和装置，特别是涉及一种针对D类功放的“POP”或者“CLICK”噪声抑制方法和装置，以及抑制噪声的D类功放。

背景技术

D类放大器由于输出级开关管工作在开关模式，减小了功率消耗，因此与线性放大器，诸如A/B类放大器比较，D类音频放大器的效率更高。当前许多D类音频放大器具有瞬态“POP”或者“CLICK”噪声的问题，“POP”或者“CLICK”噪声是指音频器件在上电、断电瞬间以及上电稳定后，各种操作带来的瞬态冲击所产生的爆破声。这种噪声往往是由对隔直电容的充/放电直接造成的。如图1所示，一个音频信号通过电容C_I和电阻R_I连接到比较器CMP的反相输入端。其中C_I是输入隔直电容。CMP的同相输入端连接到电压V_DD/2，其中V_DD是功率级的电源电压。CMP的两个输入端由积分电容C_INT连接在一起。CMP的输出信号通过控制及门驱动电路驱动输出级开关Q₁和Q₂。Q₁的开关信号与CMP的输出信号保持同相，Q₂的开关信号与Q₁互补，同时在Q₁和Q₂导通状态之间存在一定的死区时间。C_BS是自举电容，C_OUT是输出隔直电容。在放大器电路启动时对这些电容的充电，以及在放大器关断时对这些电容的放电决定了电路所产生的开关机“POP”或者“CLICK”噪声。

在开始正常工作之前，放大器系统必须先对隔直电容和自举电容预充电。图2A和图2B示出在这个时间里，可以从输出连接的扬声器上听见两个开机“POP”或者“CLICK”噪声，其中一个是由对隔直电容预充电造成，另一个是由停止对隔直电容预充电以及对自举电容预充电造成的。

对单端D类功率放大系统而言，必须对隔直电容C_I和C_OUT预充电至电源电压的一半，然后才能开始正常工作。这是为了保证输出信号在正负两个方向都可以有较大的摆动而不至于被削顶。对输入隔直电容的充电会引起比较器反相输入端产生不必要的电压波动。对输出隔直电容的充电，此充电电流必然流过负载扬声器。当功率放大器使能时，此充电电流开始给输入输出隔直电容充电，当隔直电容预充完成后此充电电流立刻关断。由于此阶跃直流充电电流在开通和关断时都包含一定的低频分量，这些低频分量不能被低通滤波器滤除，流经扬声器就会产生噪声，如图2A所示，在t₀时刻，放大器被上电使能，输出和输入隔直电容开始被预充电，此充电电流会流经输出扬声器引起启动噪声，直到t₁时刻放大器判断输出和输入隔直电容充电完全，放大器停止输出此电流。同时，在启动阶段，自举电容在开关电路下管导通时被充电，这也会导致输出端产生噪声，波形如图2B所示。

当放大器停止工作时，会产生一个关断“POP”或者“CLICK”噪声。但由于放电的速度与充电的速度相比较慢，因此噪声也相对较不明显。

一些现有的功率放大器采用专门的管脚来实现电容的充/放电，消除这种充/放电对输出信号的影响，或者使用斜坡电流代替阶跃电流对电容充电。图3示出飞利浦公司生产的型号为TDA8931的D类功率放大器，该放大器使用其他管脚(管脚HVP和管脚HVPI)对输入电容和输出电容进行预充电。当该功率放大器处于待机状态时，管脚HVPI用0.5秒对输入端外部参考电压电容C₆进行充电至电源电压的一半。同时单端输出隔直电容C₁₅也会被管脚HVP充电至电源电压的一半。当C₁₅的容值为1000uF时，对其的充电时间也是0.5秒。当管脚HVP上的电压达到0.5V_P时，它就将EN管脚释放供外部使用，该运算放大器才能被外部使能信号使能从而开始工作。当器件处于工作状态时，HVP管脚转为悬空状态与内部充电电路脱开以减小功率耗散。当电源电压下降时，输出隔直电容C15放电，运算放大器就会停止开关工作以避免随电源电压下降而下降的开关频率所引起的关断“POP”或者“CLICK”噪声。这种方法增加了芯片管脚数目，并且对于不同的电路或者芯片需要修改芯片管脚，致使其应用具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种D类功放的噪声抑制方法和装置及抑制噪音的D类功放，其可有效的抑制电容充放电产生的“POP”或者“CLICK”噪声，同时无须增加或者修改芯片管脚。

为了达到上述目的，本发明为一种D类功放噪声抑制方法，包括步骤S1，接收外部使能信号；步骤S2，在所述外部使能信号的状态发生改变时，根据所述外部使能信号产生所述D类功放的使能信号，同时根据所述外部使能信号产生静音信号用于控制所述D类功放的负载。

如本发明优选实施例所述的噪声抑制方法，在步骤S2中，将处于上升沿的所述外部使能信号直接作为所述D类功放的使能信号，同时将处于上升沿的所述外部使能信号进行延时并反相作为所述静音信号；或将处于下降沿的所述外部使能信号进行延时作为所述D类功放的使能信号，同时将处于下降沿的所述外部使能信号反相作为所述静音信号。

如本发明优选实施例所述的噪声抑制方法，根据所述静音信号，将所述D类功放的负载短接达到使其静音的作用。

如本发明优选实施例所述的噪声抑制方法，所述的延时长度为大于或等于所述D类功放的耦合电容充电或放电的时间。

为了达到上述目的，本发明另为一种D类功放噪声抑制装置，包括使能信号产生模块，静音信号产生模块以及负载控制模块，其中所述使能信号产生模块以及所述静音信号产生模块同时接收外部使能信号，在所述外部使能信号的状态发生改变时，所述使能信号产生模块通过所述外部使能信号产生所述D类功放的使能信号，同时所述静音信号产生模块通过所述外部使能信号产生静音信号，所述负载控制模块根据所述静音信号控制所述D类功放的负载。

如本发明优选实施例所述的噪声抑制装置，所述使能信号产生模块将处于上升沿的所述外部使能信号直接作为所述D类功放的使能信号，同时所述静音信号产生模块将处于上升沿的所述外部使能信号进行延时并反相作为所述静音信号；或所述使能信号产生模块将处于下降沿的所述外部使能信号进行延时作为所述D类功放的使能信号，同时所述静音信号产生模块将处于下降沿的所述外部使能信号反相作为所述静音信号。

如本发明优选实施例所述的噪声抑制装置，所述第一和第二延时电路的延时长度大于或等于耦合电容充电或时间。

如本发明优选实施例所述的噪声抑制装置，所述静音信号产生模块包括串联的第一延时电路和反相电路，所述使能信号产生模块包括第二延时电路，所述负载控制模块包括短接电路。

如本发明优选实施例所述的噪声抑制装置，所述短接电路包括两个MOSFET，所述两个MOSFET的栅极与所述反相器的输出端连接，所述两个MOSFET的漏极串联，所述两个MOSFET的源极分别与所述负载的两端连接。

为了达到上述目的，本发明还为一种抑制噪声的D类功放，包括输入部分，功放部分，输出部分，负载部分，并且进一步包括如本发明优选实施例所述的D类功放噪声抑制装置，其中所述输入部分向所述使能信号产生模块和所述静音信号产生模块发送外部使能信号，所述负载控制模块根据所述静音信号控制所述负载部分。

如本发明优选实施例所述的D类功放，所述使能信号产生模块将处于上升沿的所述外部使能信号直接作为所述D类功放的使能信号，同时所述静音信号产生模块将处于上升沿的所述外部使能信号进行延时并反相作为所述静音信号；或所述使能信号产生模块将处于下降沿的所述外部使能信号进行延时作为所述D类功放的使能信号，同时所述静音信号产生模块将处于下降沿的所述外部使能信号反相作为所述静音信号。

如本发明优选实施例所述的D类功放，所述短接电路包括两个MOSFET，所述两个MOSFET的栅极与所述反相器的输出端连接，所述两个MOSFET的漏极串联，所述两个MOSFET的源极分别与所述负载部分的两端连接。

如本发明优选实施例所述的D类功放，其特征在于，所述第一延时电路的延迟时间大于或等于耦合电容充电时间，所述第二延时电路的延迟时间大于或等于耦合电容放电时间。

本发明能够有效的抑制电容充放电产生的“POP”或者“CLICK”噪声，同时无须增加或者修改芯片管脚。

附图说明

图1示出现有技术中单端D类音频放大电路。

图2A示出图1电路中由于对耦合电容预充电而产生的第一个启动“POP”或者“CLICK”噪声的波形。

图2B示出图1电路中由于对耦合电容预充电而产生的第二个启动“POP”或者“CLICK”噪声的波形。

图3示出现有技术的具有“POP”或者“CLICK”噪声抑制功能的D类功率放大器系统电路结构。

图4A示出根据本发明的一个具体实施例的“POP”或者“CLICK”噪声抑制电路模块图。

图4B示出根据本发明的另一具体实施例的“POP”或者“CLICK”噪声抑制电路模块图。

图5示出图4的“POP”或者“CLICK”噪声抑制电路电路图。

图6示出图4的具有“POP”或者“CLICK”噪声抑制电路的D类音频放大系统的信号时序。

图7示出本发明的一种将“POP”或者“CLICK”噪声抑制电路应用于一D类放大器系统的电路。

图8A和图8B示出图7的具有“POP”或者“CLICK”噪声抑制电路的D类音频放大系统的启动波形。

图9A和图9B示出图7的具有“POP”或者“CLICK”噪声抑制电路的D类音频放大系统的关断波形。

具体实施方式

“POP”或者“CLICK”噪声是由单端D类功率放大器的输入级和输出级的直流基准电压造成的。为了把这种“POP”或者“CLICK”噪声减到最小，需要采用特殊的控制方法、时序或外部“POP”或者“CLICK”噪声抑制电路来实现。

当PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)启动或者停止时都可能造成噪声。在PWM的启动阶段，输出信号的频域不同于正常运行状态。频率范围在开关频率及其镜像频率附近有延伸，其中一些频率范围的信号低于滤波器的截止频率而不能被低通滤波器滤去，因此产生了可被人耳听见的“POP”或者“CLICK”噪声。根据本发明，解决这个问题的最好办法就是在D类放大器进入正常工作状态之前先将扬声器完全静音一段时间。在这段时间内使D类放大器完成其正常工作前的启动准备工作(对其耦合电容的充电过程，启动PWM等)。理想的启动/关断波形如图6所示。本发明采用的方法是在放大器的PWM开始工作和结束工作时，“POP”或者“CLICK”噪声抑制电路迅速将放大器的输出端接地，使负载(如扬声器)静音；而当放大器进入正常工作状态时再把放大器输出端释放，使负载(如扬声器)正常输出音频信号。无论放大器采用什么样的控制方法和启动时序，都可以用这种方式来抑制“POP”或者“CLICK”噪声。同时，为了达到最好的启动和关断表现，D类放大器系统应该在使能前开始上电，在停止工作后再掉电。

本发明的基本原理在于提供一种D类功放噪声抑制方法，包括步骤S1，接收外部使能信号；步骤S2，在所述外部使能信号的状态发生改变时，根据所述外部使能信号产生所述D类功放的使能信号，同时根据所述外部使能信号产生静音信号用于控制所述D类功放的负载静音。根据该噪声抑制方法，本发明还提供一种D类功放噪声抑制装置，包括使能信号产生模块，静音信号产生模块以及负载控制模块，其中所述使能信号产生模块以及所述静音信号产生模块同时接收外部使能信号，在所述外部使能信号的状态发生改变时，所述使能信号产生模块通过所述外部使能信号产生所述D类功放的使能信号，同时所述静音信号产生模块通过所述外部使能信号产生静音信号，所述负载控制信号根据所述静音信号控制所述D类功放的负载静音。基于本发明的该噪声抑制装置，本发明还提供一种具有噪声抑制功能的D类功放，包括输入部分，功放部分，输出部分，负载部分，并且进一步包括上述的D类功放噪声抑制装置，其中所述输入部分向所述使能信号产生模块和所述静音信号产生模块发送外部使能信号，所述负载控制模块根据所述静音信号控制所述负载部分。

图4A和图4B是“POP”或者“CLICK”噪声抑制电路的实施方式的模块图。如图4A所示，原先用于使能D类放大器的外部使能信号“EXT_EN”被作为“POP”或者“CLICK”噪声抑制电路的输入信号而输入“POP”或者“CLICK”噪声抑制电路，这个信号被送到两个延时电路，其中第一延时电路将外部使能信号“EXT_EN”的上升沿延迟一个预设的时间段，第二延时电路将外部使能信号“EXT_EN”的下降沿延迟一个预设的时间段，输出使能信号“EN”信号。第一延时电路的输出信号输入反相器01后被翻转180°，输出静音信号“MUTE”。外部使能信号“EXT_EN”，静音信号“MUTE”和使能信号“EN”信号的时序如图6所示。如图4B所示也可以先被反相器反相，所得反相信号再被延时电路进行预先设定时间的延迟。最终得到的理想信号时序均如图6所示。

图5是图4A的“POP”或者“CLICK”噪声抑制电路的具体结构图。该电路的主要目的是在耦合电容充电或放电完成之前使静音信号“MUTE”有效，从而使这段时间内没有电流流经扬声器。设计参数会由于D类放大器的不同而具有差异，但须保证第一延时电路的延迟时间大于电容充电时间，且第二延时电路的延迟时间大于电容放电时间。

如图5所示，二极管D₅、二极管D₇、电阻R₂₆以及电容C₃₀构成第一延时电路，实现上升沿延迟，其中电阻R₂₆的阻值和电容C₃₀的容值控制设定第一延时电路的延迟时间；二极管D₉、电阻R₂₇以及电容C₃₁构成第二延时电路，实现下降沿延迟，其中电阻R₂₇的阻值和电容C₃₁的容值控制设定第二延时电路的延迟时间。直流电源V_CC、三极管Q₅、电阻R₁₁₅以及电阻R₁₁₆构成反相器。MOS管Q₆和MOS管Q₇漏极相连，源极输出，门极共同连接于反相器的输出，构成“POP”或者“CLICK”噪声抑制电路的输出级。但是本领域的技术人员应该认识到，这里的开关器件不仅限于MOS管，并且开关管的数量可以不仅限于两个，可以其他偶数个相连。外部使能信号“EXT_EN”经过第二延时电路被送至D类放大器的使能端。外部使能信号“EXT_EN”经过第一延时电路后被送到反相器，得到静音信号“MUTE”。静音信号“MUTE”控制开关器件Q₆和Q₇的导通状态。当静音信号“MUTE”为高电平时，开关器件Q₆和Q₇被同时导通，输出端“OUT₁”和“OUT₂”，即D类放大器的负载两端被短接。当输出端“OUT₁”和“OUT₂”由于静音信号“MUTE”有效而被内部接地时，D类放大器输出的启动“POP”或者“CLICK”噪声被消除了。当所有耦合电容都充电完成后，静音信号“MUTE”变为低电平时，开关器件Q₆和Q₇被同时截止，而且由于开关器件Q₆和Q₇漏极相连，分别源极输出，使得开关器件Q₆和Q₇被同时截止时，其内部寄生二极管互为反相，保证输出端“OUT₁”和“OUT₂”，即D类放大器的负载两端被释放，而使其负载开始正常输出音频信号。当外部使能信号“EXT_EN”由高电平变为低电平时，第二延时电路对外部使能信号“EXT_EN”进行预设时间延时，使得D类放大器延迟关断。即当D类放大器的PWM结束前，D类放大器的输出端又被“POP”或者“CLICK”噪声抑制电路内部接地，因此耦合电容的放电不会影响到负载，从而抑制了D类放大器关机时的“POP”或者“CLICK”噪声。

图7为将“POP”或者“CLICK”噪声抑制电路应用于一个D类音频放大器的电路。如图7所示，由二极管D₉、电阻R₂₇、电容C₃₁组成的第二延时电路连接在放大器的EN使能端，由开关管Q₆、开关管Q₇组成的“POP”噪声抑制电路的输出级连接于放大器的负载两端。而放大器的其他部分保持原来的电气连接不变。

图8A和图8B示出了根据本发明构思的具有“POP”或者“CLICK”噪声抑制电路在D类功率放大器应用中外部使能信号由低变高，即系统启动时各个节点的波形。

如图8A所示，在t₀时刻，外部输入的使能信号V_EXT-EN由低变高。V_EXT-EN经过二极管D₅、电阻R₂₆、电容C₃₀，实现一定的上升沿延时，再经过由直流电源V_CC、电阻R₁₁₅、电阻R₁₁₆、三极管Q₅组成的反相器部分进行相位反相，得到延迟的由高变低的静音信号”MUTE”。同时，V_EXT-EN经过二极管D₉、电容C₃₁得到V_EN信号送至放大器EN端，使放大器开始上电使能。在t₀至t₁时间内，放大器系统对输入隔直电容C₁、输出隔直电容C_OUT和自举电容C_BS进行充电。此时因为静音信号“MUTE”为高电平，放大器输出负载被短接静音，因此由各电容充电造成的“POP”或者“CLICK”噪声被消除了。t₁时刻，各电容充电完毕，放大器整个系统开始正常工作。而由图8A可以看到，此时静音信号“MUTE”依旧为高电平，放大器的输出负载依旧被短接静音。直至静音信号“MUTE”由高变低后，“POP”噪声抑制电路对放大器输出负载进行释放，从而使负载能正常输出音频信号。放大器被“POP”噪声抑制电路释放后的工作过程如下：给比较器的正相输入端P_IN提供一个等于1/2V_CC的偏压，输入的音频信号“AUDIO INPUT”经由输入隔直电容C1，电阻R1接至比较器反相输入端N_IN。比较器的同相端PIN和反相端NIN之间连接有积分电容C_INT。比较器有内部滞环。比较器在反相端NIN的电压与1/2V_CC±dV进行比较而输出PWM波，其中dV代表比较器滞后电压。比较器的输出PWM波经过栅极驱动电路控制晶体管Q₁和Q₂交替导通，晶体管Q₁的源极连接到节点SW，而晶体管Q₂的源极接地。晶体管Q1的漏极连接到电源V_CC，而晶体管Q₂的漏极连接到节点SW。晶体管Q₁和Q₂起着开关的作用，它们构成D类功率放大器电路的输出级的一部分，以便当在开关模式下使用输出级时，在节点SW产生方波输出。节点SW处的波形Switch经L_F和C_F滤波之后恢复成被放大的音频信号输送到负载(如扬声器)。同时Switch信号通过电阻R_f向电容积分电容C_INT充/放电，从而得到控制信号。而连接于比较器反相端NIN和输出端的电容C_FB起相位补偿作用。

图9A和图9B示出了根据本发明构思的具有“POP”或者“CLICK”噪声抑制电路在D类功率放大器应用中外部使能信号由高变低，即系统关断时各个节点的波形。

如图9A所示，在t₂时刻，外部输入的使能信号V_EXT-EN由高变低，对放大器进行去使能。而由电阻R₂₇和电容C₃₁组成的“POP”噪声抑制电路的第二延时电路对V_EXT-EN进行下降沿延时，使得真正施加到放大器系统的去使能信号V_EN延时作用。直至t₃时刻，V_EN足够低使得放大器关断，放大器系统中的输入隔直电容、输出隔直电容、自举电容开始放电，而此时静音信号“MUTE”已经由低电平变为高电平，对放大器的输出负载进行了短接静音，因此此时由放大器系统中各电容放大造成的“POP”或者“CLICK”噪声被消除。

从图8B和图9B示出的具有“POP”或者“CLICK”噪声抑制功能的电路在D类功率放大器启动和关断时的示波器波形可以看出，当D类放大器的PWM开始时(t₀至t₁时间内)或结束时(t₂至t₃时间内)，没有任何电流流经扬声器，因此听不见“POP”或者“CLICK”噪声。当外加的开关器件Q₆和Q₇导通和关断的瞬间，会有很小的尖脉冲电流流经扬声器，波形如图8B和图9B所示。这是由MOSFET的寄生电容和扬声器的寄生电感等寄生参数引起的。但由于这种噪声比先前的启动/关断“POP”或者“CLICK”噪声要轻微得多，几乎不会被听见。

需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换、或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。

Claims

1.一种D类功放噪声抑制方法，其特征在于，所述噪声抑制方法包括：步骤S1，接收外部使能信号；步骤S2，在所述外部使能信号的状态发生改变时，根据所述外部使能信号产生所述D类功放的使能信号，同时根据所述外部使能信号产生静音信号用于控制所述D类功放的负载，其中：

将处于上升沿的所述外部使能信号直接作为所述D类功放的使能信号，同时将处于上升沿的所述外部使能信号进行延时并反相作为所述静音信号；或将处于下降沿的所述外部使能信号进行延时作为所述D类功放的使能信号，同时将处于下降沿的所述外部使能信号反相作为所述静音信号。

2.如权利要求1所述的噪声抑制方法，其特征在于，根据所述静音信号，将所述D类功放的负载短接达到使其静音的作用。

3.如权利要求1所述的噪声抑制方法，其特征在于，所述的延时长度为大于或等于所述D类功放的耦合电容充电或放电的时间。

4.一种D类功放噪声抑制装置，其特征在于，所述噪声抑制装置包括使能信号产生模块，静音信号产生模块以及负载控制模块，其中所述使能信号产生模块以及所述静音信号产生模块同时接收外部使能信号，在所述外部使能信号的状态发生改变时，所述使能信号产生模块通过所述外部使能信号产生所述D类功放的使能信号，同时所述静音信号产生模块通过所述外部使能信号产生静音信号，所述负载控制信号根据所述静音信号控制所述D类功放的负载，其中：

所述使能信号产生模块将处于上升沿的所述外部使能信号直接作为所述D类功放的使能信号，同时所述静音信号产生模块将处于上升沿的所述外部使能信号进行延时并反相作为所述静音信号；或所述使能信号产生模块将处于下降沿的所述外部使能信号进行延时作为所述D类功放的使能信号，同时所述静音信号产生模块将处于下降沿的所述外部使能信号反相作为所述静音信号。

5.如权利要求4所述的噪声抑制装置，其特征在于，所述静音信号产生模块包括串联的第一延时电路和反相电路，所述使能信号产生模块包括第二延时电路，所述负载控制模块包括短接电路。

6.如权利要求5所述的噪声抑制装置，其特征在于，所述第一和第二延时电路的延时长度大于或等于耦合电容充电或时间。

7.如权利要求5所述的噪声抑制装置，其特征在于，所述短接电路包括两个MOSFET，所述两个MOSFET的栅极与所述反相电路的输出端连接，所述两个MOSFET的漏极串联，所述两个MOSFET的源极分别与所述负载的两端连接。

8.一种具有噪声抑制功能的D类功放，包括输入部分，功放部分，输出部分，负载部分，其特征在于，进一步包括如权利要求4-7之一所述的D类功放噪声抑制装置，其中所述输入部分向所述使能信号产生模块和所述静音信号产生模块发送外部使能信号，所述负载控制模块根据所述静音信号控制所述负载部分。