CN101640517B - 交换式音频放大器、数字扬声装置以及音频放大方法 - Google Patents
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Abstract
交换式音频放大器、数字扬声装置以及音频放大方法。在交换式音频放大器中，一比较级比较一音频输入信号与一锯齿信号以产生一脉冲宽度调制信号。一驱动器级缓冲脉冲宽度调制信号以驱动扬声器。一检测器检测音频输入信号的一振幅以产生一控制信号，以及一锯齿产生器基于控制信号调整锯齿信号的一变迁速率。
Description
技术领域
本发明涉及一种音频放大器，特别涉及一种D类交换式音频放大器。
背景技术
音频录放技术已普遍用于可携式数字装置，例如移动电话、多媒体播放器或数字录音机。当输出高品质声音时，适用于可携式数字装置的音频放大器需要具有低功率消耗。然而，他们之间总是需要取舍。
图1显示已知D类音频放大器结构。在图1中，来自包含第一驱动器104a以及第二驱动器104b的缓冲级的第一PWM信号#U以及第二PWM信号#D驱动扬声器106。基于音频输入信号V+与锯齿产生器108第一PWM信号#U以及第二PWM信号#D分别产生自一对比较器102a与102b。第一比较器102a比较音频输入信号V+与来自锯齿产生器108的锯齿信号#S以产生第一PWM信号#U。同时发生地，第二比较器102b比较音频输入信号V-与锯齿信号#S以产生第二PWM信号#D。输入音频信号V+与V-自动地转换成表示变换工作周期的脉冲宽度调制(PWM)信号。此外，扬声器106作用成电容器串联电阻器与电感器，藉此第一PWM信号#U与第二PWM信号#D如同音频声音般播送。
众所皆知，D类音频放大器可以呈现大约80％到93％高功率效率，因为第一驱动器104a以及第二驱动器104b以非常低的导通电阻(大约0.2欧姆)偏压于截止区或三极区，因此显著地延长电池寿命。然而，急剧的上升与下降PWM信号边缘导致不想要的高频成分以及放射出引起电磁干扰(EMI)的放射线。同时，美国联邦通讯委员会(FCC)严格地实施低EMI要求标准。有许多各种贡献在解决EMI议题的先前技术，所以可符合FCC法规。举例来说，添加低通滤波器(LPF)可能降低高频成分。然而，实施LPF的缺点是它的大体积以及高成本。一些先前技术建议使用扬声器中固有的电阻电容(RC)常数以产生等效LPF，其对于大扬声器例如用于家庭剧院系统的那些扬声器是有效用的。然而，对于其他应用，例如可携式数字装置，扬声器需要压缩并且RC常数会因此太低而不能过滤出高频成分。
图2显示输出自扬声器106的信号输出的频谱。水平轴指示频率而垂直轴指示振幅。频内(in-band)信号202是指定为可听见、操作在频率w以及具有振幅m的音频信号。可能有次要的谐波失真发生在频率2w与3w。此外，一对旁波瓣(side lobe)212分别发生在频率2w与3w，2w是第二阶载波频率。载波频率x依赖于各种参数，包括数字扬声装置中的LC常数以及锯齿产生器108的变迁速率(transition rate)。图2显示出扬声器106固有LC常数所提供的LPF曲线210不能有效地过滤出旁波瓣212。因此，这对旁波瓣212与频内信号202具有相同的振幅，并且因此所引起的EMI可能显著影响电路运作。虽然通过增加锯齿产生器108的变迁速率旁波瓣212可能向右偏移到LPF曲线210的有效过滤区域，但是在取舍之下效率将会降低。因此，当输出高品质声音时，最好提供具有低功率消耗的音频放大器。
发明内容
本发明提供一种适用于数字扬声装置中用于驱动扬声器的交换式音频放大器。在交换式音频放大器中，一比较级比较一音频输入信号与一锯齿信号以产生一脉冲宽度调制信号。一驱动器级缓冲脉冲宽度调制信号以驱动扬声器。一检测器检测音频输入信号的一振幅以产生一控制信号，以及一锯齿产生器基于控制信号调整锯齿信号的一变迁速率；其中该锯齿产生器包括：一可编程电流源，用以产生一电流；一电容器，耦接到该可编程电流源以及电压接地，通过电流驱动产生该锯齿信号；一参考产生器，基于一差动信号产生一参考值；以及一运算放大器，比较该锯齿信号以及该参考值以产生该差动信号，其中该可编程电流源基于该控制信号以及该差动信号调整该电流。
在比较级中，第一比较器比较音频输入信号与锯齿信号以产生一第一脉冲宽度调制信号。第二比较器比较音频输入信号的反向与锯齿信号以产生第二脉冲宽度调制信号。
在驱动级中，一第一驱动器接收第一脉冲宽度调制信号以驱动扬声器的一第一端，以及第二驱动器，接收第二脉冲宽度调制信号以驱动该扬声器的一第二端。
锯齿信号的变迁速率以及音频输入信号的振幅之间的关系可能是单调递增函数。可选替地，锯齿信号的变迁速率以及音频输入信号的振幅之间的关系可能是逐步递增函数。
在检测器中，一二极管具有耦接到音频输入信号的P端，以及耦接到第一端点的N端。电阻器与电容器并联耦接到第一端点以及电压接地。模拟/数字转换器基于该第一端点的一电压电平产生该控制信号。
在锯齿产生器的具体实施例中，可编程电流源基于控制信号以及差动信号产生电流。电容器耦接到可编程电流源以及电压接地，通过电流驱动产生锯齿信号。参考产生器基于一差动信号产生一参考值，以及通过运算放大器比较锯齿信号以及参考信号产生差动信号。
当差动信号是正的时，参考产生器输出一正参考值。相反地，当差动信号是负的时，参考产生器输出一负参考值。同时，当差动信号是正的时，可编程电流源切换到一第一模式，以至于电流充电电容器以产生锯齿信号。当差动信号是负的时，可编程电流源切换到一第二模式，以至于电容器放电以产生锯齿信号。
一种数字扬声装置，包括一交换式音频放大器以及该交换式音频放大器所驱动的一扬声器，其中该交换式音频放大器包括：一比较级，比较一音频输入信号与一锯齿信号以产生一脉冲宽度调制信号；一驱动器级，耦接到该比较级，缓冲该脉冲宽度调制信号以驱动该扬声器；一检测器，检测该音频输入信号的一振幅以产生一控制信号；以及一锯齿产生器，耦接到该检测器，基于该控制信号调整该锯齿信号的一变迁速率；其中该锯齿产生器包括：一可编程电流源，用以产生一电流；一电容器，耦接到该可编程电流源以及电压接地，通过电流驱动产生该锯齿信号；一参考产生器，基于一差动信号产生一参考值；以及一运算放大器，比较锯齿信号以及该参考值以产生该差动信号，其中该可编程电流源基于该控制信号以及该差动信号调整该电流。
一种交换式音频放大器所实施的音频放大方法，包括步骤：提供一音频输入信号。检测音频输入信号的一振幅。基于音频输入信号的振幅产生具一变迁速率的一锯齿信号。比较音频输入信号与锯齿信号以产生一脉冲宽度调制信号。通过脉冲宽度调制信号驱动扬声器以输出音频声音；其中提供该锯齿信号的步骤还包括：产生通过该控制信号调整的具一可变振幅的一电流；通过该电流驱动一电容器以产生该锯齿信号；以及提供一运算放大器以基于一参考值追踪该锯齿信号，以及产生该差动信号，用以指示该锯齿信号以及该参考值的差。
附图说明
图1显示已知的D类音频放大器结构；
图2显示来自扬声器106的信号输出频谱；
图3根据本发明显示数字扬声装置300的实施例；
图4a与图4b显示输入音频信号V+的振幅AIN与锯齿信号#S的变迁速率FSAW之间的函数；
图5a显示检测器310的实施例；
图5b显示锯齿产生器320的实施例；
图6根据本发明显示锯齿信号#S的波型以及音频输入信号V+与V-；
图7根据本发明显示来自扬声器106的信号输出频谱；以及
图8是根据本发明的音频放大方法的流程图。
【主要元件符号说明】
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下：
图3根据本发明显示数字扬声装置300的实施例。数字扬声装置典型地包含交换式音频放大器以及交换式音频放大器所驱动的扬声器106。在本实施例中，交换式音频放大器是D类放大器的变更版本。第一比较器102a以及第二比较器102b形成比较级，基于锯齿信号#S转换音频输入信号V+至脉冲宽度调制(PWM)信号。特别地，第一比较器102a比较音频输入信号V+与锯齿信号#S以产生第一PWM信号#U，并且第二比较器比较音频输入信号V-与锯齿信号#S以产生第二PWM信号#D。紧接着比较级之后实施驱动器级，其中第一驱动器104a与第二驱动器104b缓冲第一PWM信号#U与第二PWM信号#D以驱动扬声器106。扬声器106包含耦接到第一PWM信号#U的第一端以及耦接到第二PWM信号#D的第二端。因此，第一PWM信号#U以及第二PWM信号#D经由扬声器联合地产生可听到的音频输出。
不像已知的D类结构，实施例提供一个检测器310与锯齿产生器320，藉此基于音频输入信号V+产生锯齿信号#S。检测器310检测音频输入信号V+的振幅以产生控制信号#ctrl，并且锯齿产生器320基于控制信号#ctrl调整锯齿信号的变迁速率。
因为变迁速率FSAW决定谐波失真的载波频率，所以较佳地是依据音频输入信号V+的振幅提供动态锯齿信号#S。当音频输入信号V+的振幅小时，即使LPF曲线210没有过滤出旁波瓣212，旁波瓣212的大小可以忽略，所以旁波瓣212不会导致重大影响。因此，锯齿信号#S可能用低变迁速率配置以节省功率消耗。相反地，当音频输入信号V+的振幅转大时，旁波瓣212开始放射无法忽视的EMI放射线。为防止不想要的EMI，调整锯齿信号#S增加载波频率以至于旁波瓣212向右偏移到LPF曲线210的外部区域并且被过滤出。因此，当增加变迁速率FSAW时，因为切换功率损失，功率消耗可能增加。然而，当音频输入信号V+大时，高功率消耗将不会是个问题。
图4a与图4b显示输入音频信号V+的振幅AIN与锯齿信号#S的变迁速率FSAW之间的函数。在实施例中，锯齿信号#S的变迁速率FSAW与音频输入信号V+的信号振幅AIN之间的关系可能是单调递增函数。有各种类型的单调递增函数。举例来说，曲线402显示凹面函数，曲线404显示线性函数，并且曲线406显示凸面函数。可能通过使用具有查表的模拟数字转换器(ADC)实施检测器310。同时，锯齿信号#S与信号振幅AIN成比例。
图4b显示变迁函数的另一实施例。曲线408显示变迁速率FSAW与信号振幅AIN之间的关系可能是逐步递增函数。举例来说，根据曲线408，当信号振幅AIN位于第一电平A1之下时，FSAW配置在频率f0。当信号振幅AIN位于第一电平A1与第二电平A2之间时，FSAW配置在频率f1。此外，当信号振幅AIN超过第二电平A2时，变迁速率FSAW配置在频率f2。电平值A1与A2分别对应到的频率f0、f1与f2都是可编程的。
图5a显示检测器310的实施例。因为音频输入信号V+是时变信号，检测器310可能取样音频输入信号V+的包络(envelop)以产生数字化的值当作控制信号#ctrl。为了检测包络，二极管502在P端接收音频输入信号V+，而它的N端是耦接到节点A。电阻器504以及电容器506并联于节点A与电压接地之间。然后ADC 508转换在节点A的电压电平至控制信号#ctrl。ADC 508可能是既定取样率的多位ADC，并且控制信号#ctrl可能是用于控制锯齿产生器320的多位元数字信号。
图5b显示锯齿产生器320的实施例。锯齿产生器320是设计成被控制信号#ctrl所控制。特别地，锯齿信号#S的变迁速率依赖于电流，并且控制信号#ctrl适用于调整电流，依序调整变迁速率FSAW。在锯齿产生器320，可编程电流源510用于产生电流。电容器516耦接可编程电流源510以及电压接地，经由电流驱动在节点B产生锯齿信号#S。参考产生器514作用成边界检测器，产生可变参考值以定义锯齿波的上边界以及下边界。运算放大器520用于基于参考值#ref追踪节点B上的电压。为实施时变锯齿信号#S，运算放大器520比较现在输出锯齿信号#S与参考值#ref以产生差动信号#Diff，并且差动信号#Diff更反馈至控制参考产生器514以及可编程电流源510。
举例来说，当差动信号#Diff是正的时，参考产生器514可能输出正参考值#ref。同时，响应于正差动信号#Diff，可编程电流源510可能同时地输出电流以充电电容器516，以至于锯齿信号#S连续地拉高到接近参考值#ref。相反地，当差动信号#Diff是负的时，参考产生器514输出负参考值#ref，然而可编程电流源510停止供应电流到节点B以至于节点B上的电压电平经由电容器516放电，使得锯齿信号#S连续地拉低到接近参考值#ref。
可见到当控制信号#ctrl递减时，电容器516的充电速度递增，所以节点B的电压电平将更快速增加，导致变迁速率FSAW增加。在实施例中，电容器516的放电速度不被控制信号#ctrl影响，然而，可编程电流源510可能更进一步变更而控制放电速度。可编程电流源510可用各种已知的替代方式达到可程序特性，在此不再赘述。
图6根据本发明显示锯齿信号#S的波型以及音频输入信号V+与V-。水平轴表示时间，垂直轴表示大小。V-是V+的反向，相对于水平轴形成对称的镜射。可见到当音频输入信号V+的振幅增加，锯齿信号#S变化更快速。如所描述，变迁速率FSAW的变化可能依赖于图4a与图4b所示的变迁函数。在图7，显示来自扬声器106的信号输出的频谱。类似图2，频内信号702表示指定为可听到、操作在频率w以及具有大小m的音频信号。谐波失真704与706发生在频率2w与3w。一对旁波瓣172分别发生在频率2x+w与2x-w，其中2x是第二阶载波频率。当音频输入信号V+的振幅增加，载波频率x增加，因此，旁办712向右偏移至LPF曲线710的有效过滤区域，并且因此被过滤出。
图8是根据本发明的音频放大方法的流程图。在步骤801，初始化数字扬声装置300。在步骤803，音频输入信号被提供到数字扬声装置300。在步骤805，检测器310检测音频输入信号的振幅。在步骤807，锯齿产生器320基于音频信号的振幅产生具有一变迁速率的锯齿信号。在步骤809，音频输入信号基于锯齿信号转换成脉冲宽度调制(PWM)信号。在步骤811，PWM信号驱动扬声器以广播音频声音。本发明的实施例成功地提供适合的锯齿产生器320以平衡功率消耗与信号品质之间的取舍。因为没有需要多余的RC电路，此结构是具有成本效益以及可实施的。
最后，本领域技术人员可体认到他们可以轻易地使用公开的观念以及特定实施例为基础而变更及设计可以实施同样目的的其他结构且不脱离本发明以及申请专利范围。
Claims (22)
1.一种交换式音频放大器，用以驱动一扬声器，包括：
一比较级，比较一音频输入信号与一锯齿信号以产生一脉冲宽度调制信号；
一驱动器级，耦接到该比较级，缓冲该脉冲宽度调制信号以驱动该扬声器；
一检测器，检测该音频输入信号的一振幅以产生一控制信号；以及
一锯齿产生器，耦接到该检测器，基于该控制信号调整该锯齿信号的一变迁速率；
其中该锯齿产生器包括：
一可编程电流源，用以产生一电流；
一电容器，耦接到该可编程电流源以及电压接地，通过电流驱动产生该锯齿信号；
一参考产生器，基于一差动信号产生一参考值；以及
一运算放大器，比较该锯齿信号以及该参考值以产生该差动信号，其中该可编程电流源基于该控制信号以及该差动信号调整该电流。
2.如权利要求1所述的交换式音频放大器，其中该比较级还包括：
一第一比较器，比较该音频输入信号与该锯齿信号以产生一第一脉冲宽度调制信号；以及
一第二比较器，比较该音频输入信号的反向与该锯齿信号以产生一第二脉冲宽度调制信号。
3.如权利要求2所述的交换式音频放大器，其中该驱动器级包括：
一第一驱动器，耦接至该第一比较器，接收该第一脉冲宽度调制信号以驱动该扬声器的一第一端；以及
一第二驱动器，耦接至该第二比较器，接收该第二脉冲宽度调制信号以驱动该扬声器的一第二端。
4.如权利要求1所述的交换式音频放大器，其中该锯齿信号的该变迁速率以及该音频输入信号的振幅之间的关系是一单调递增函数。
5.如权利要求1所述的交换式音频放大器，其中该锯齿信号的该变迁速率以及该音频输入信号的振幅之间的关系是一逐步递增函数。
6.如权利要求1所述的交换式音频放大器，其中该检测器包括：
一二极管，包括耦接到该音频输入信号的一P端，以及耦接到一第一端点的一N端；
一电阻器，耦接到该第一端点以及一电压接地；
一电容器，耦接到该第一端点以及该电压接地；以及
一模拟/数字转换器，耦接到该第一端点，基于该第一端点的一电压电平产生该控制信号。
7.如权利要求1所述的交换式音频放大器，其中：
当该差动信号是正的时，该参考产生器输出一正参考值；以及
当该差动信号是负的时，该参考产生器输出一负参考值。
8.如权利要求1所述的交换式音频放大器，其中：
当该差动信号是正的时，该可编程电流源切换到一第一模式，以至于该电流充电该电容器以产生该锯齿信号；以及
当该差动信号是负的时，该可编程电流源切换到一第二模式，以至于该电容器放电以产生该锯齿信号。
9.一种数字扬声装置，包括一交换式音频放大器以及该交换式音频放大器所驱动的一扬声器，其中该交换式音频放大器包括：
一比较级，比较一音频输入信号与一锯齿信号以产生一脉冲宽度调制信号；
一驱动器级，耦接到该比较级，缓冲该脉冲宽度调制信号以驱动该扬声器；
一检测器，检测该音频输入信号的一振幅以产生一控制信号；以及
一锯齿产生器，耦接到该检测器，基于该控制信号调整该锯齿信号的一变迁速率；
其中该锯齿产生器包括：
一可编程电流源，用以产生一电流；
一电容器，耦接到该可编程电流源以及电压接地，通过电流驱动产生该锯齿信号；
一参考产生器，基于一差动信号产生一参考值；以及
一运算放大器，比较锯齿信号以及该参考值以产生该差动信号，其中该可编程电流源基于该控制信号以及该差动信号调整该电流。
10.如权利要求9所述的交换式音频放大器，其中该比较级还包括：
一第一比较器，比较该音频输入信号与该锯齿信号以产生一第一脉冲宽度调制信号；以及
一第二比较器，比较该音频输入信号的反向与该锯齿信号以产生一第二脉冲宽度调制信号。
11.如权利要求10所述的交换式音频放大器，其中该驱动器级包括：
一第一驱动器，耦接至该第一比较器，接收该第一脉冲宽度调制信号以驱动该扬声器的一第一端；以及
一第二驱动器，耦接至该第二比较器，接收该第二脉冲宽度调制信号以驱动该扬声器的一第二端。
12.如权利要求9所述的交换式音频放大器，其中该锯齿信号的该变迁速率以及该音频输入信号的振幅之间的关系是一单调递增函数。
13.如权利要求9所述的交换式音频放大器，其中该锯齿信号的该变迁速率以及该音频输入信号的振幅之间的关系是一逐步递增函数。
14.如权利要求9所述的交换式音频放大器，其中该检测器包括：
一二极管，包括耦接到音频输入信号的一P端，以及耦接到一第一端点的一N端；
一电阻器，耦接到该第一端点以及一电压接地；
一电容器，耦接到该第一端点以及该电压接地；以及
一模拟/数字转换器，耦接到该第一端点，基于该第一端点的一电压电平产生该控制信号。
15.如权利要求9所述的交换式音频放大器，其中当该差动信号是正的时，该参考产生器输出一正参考值；以及当该差动信号是负的时，该参考产生器输出一负参考值。
16.如权利要求9所述的交换式音频放大器，其中：
当该差动信号是正的时，该可编程电流源切换到一第一模式，以至于该电流充电该电容器以产生该锯齿信号；以及
当该差动信号是负的时，该可编程电流源切换到一第二模式，以至于该电容器放电以产生该锯齿信号。
17.一种音频放大方法，用以驱动一扬声器，包括：
提供一音频输入信号；
检测该音频输入信号的一振幅；
基于该音频输入信号的该振幅提供一控制信号；
根据该控制信号调整锯齿信号的变迁速率；
比较该音频输入信号与调整后的锯齿信号以产生一调制信号；以及
通过该调制信号驱动该扬声器；
其中提供该锯齿信号的步骤还包括：
产生通过该控制信号调整的具一可变振幅的一电流；
通过该电流驱动一电容器以产生该锯齿信号；以及
提供一运算放大器以基于一参考值追踪该锯齿信号，以及产生该差动信号，用以指示该锯齿信号以及该参考值的差。
18.如权利要求17所述的音频放大方法，其中该锯齿信号的该变迁速率以及该音频输入信号的振幅之间的关系是一单调递增函数。
19.如权利要求17所述的音频放大方法，其中该锯齿信号的该变迁速率以及该音频输入信号的振幅之间的关系是一逐步递增函数。
20.如权利要求17所述的音频放大方法，其中检测该音频输入信号的该振幅的步骤还包括：
检测该音频信号的一包络；以及
以一第一比特率取样该包络以产生一控制信号。
21.如权利要求17所述的音频放大方法，其中产生该参考值的步骤还包括：
当差动信号是正的时，输出一正参考值；以及
当差动信号是负的时，输出一负参考值。
22.如权利要求17所述的音频放大方法，其中驱动该电容器的步骤还包括：
当差动信号是正的时，通过电流充电该电容器以产生该锯齿信号；以及
当差动信号是负的时，通过放电该电容器以产生该锯齿信号。
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