CN101814900A - D类音频放大器及其输出非线性改善方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用以改进由死区时间导致的输出非线性的D类音频放大器架构。本发明在正负电源之间引入了一个零电平开关电路，使得供电电源的电流保持固定方向，不仅避免了逆充电效应，而且使得死区时间导致的脉宽非连续性发生在输入为零电压时，通过测量死区时间以及相应调节输出脉冲宽度，消除死区时间导致的输出误差，从而补偿了死区时间导致的非线性，大大改进了D类音频放大器的输出性能。

Description

D类音频放大器及其输出非线性改善方法

【技术领域】

本发明涉及音频放大器领域，特别是关于一种改进由死区时间导致的输出非线性的D类音频放大器结构及其输出非线性改善方法。

【背景技术】

由于人耳对音频信号的非线性非常敏感，在音频放大器设计中，输出线性是一个重要考量，通常高质量的音频放大器都要求有100dB以上的线性度。目前的音频放大器的种类通常包括A类放大器、B类放大器、AB类放大器以及D类放大器等。现有的各种音频放大器中，D类音频放大器虽然在输出效率上有明显优势，但是在输出线性指标上，比A类放大器、B类放大器等其他类放大器线性功放要差。解决D类音频放大器的输出线性是设计中的一个具挑战性的课题。

如图1所示，其显示现有的D类音频放大器的半桥拓扑结构，如图1所示，现有的D类音频放大器，其包括由晶体管P1、N1、P2、N2构成的全桥调制结构，其中晶体管N1、P2在输入信号的正半周导通，晶体管N2、P1在输入信号的负半周导通，晶体管输出的信号经过一个LC振荡电路之后驱动负载发声。

为避免N1、P2和N2、P1两组晶体管在切换时，由于延迟等原因发生两组晶体管同时导通的情况。人为地在两组晶体管的导通时间之间设置一个时间差，在这个时间差阶段，两组晶体管都不导通，因此这段时间称为死区时间。影响D类音频放大器输出线性的因素有很多种，其中死区时间就是一个主导因素。

在理想状态下，D类音频放大器在输入信号为0的时候输出为0，输出信号中间有一段输出为0的死区时间，其输出波形应当如图2所示，在输出信号的正半周和负半周之间有一段输出电压为0的不连续的波形，这段输出电压为0的波形的宽度即为死区时间的长度。如果在前述理想状态下，则可以采用补偿的方式弥补死区时间造成的波形非线性。

但现有的D类音频放大器电路，经晶体管放大输出的音频信号需要通过LC振荡电路滤波，在第一晶体管关断时，由于LC振荡电路的电感储存的能量释放，会出现负载电流反向流动的情形，导致所谓的电源逆充电效应(Power BusPump)，此时输出电压的波形如图3所示，输出电压波形的非连续阶段并非理想状态的输出电压为0的阶段，而是对应于正负两个有限值，这两个电压有限值的大小不仅依赖于晶体管的开关频率，还依赖于外置的滤波电感的大小，所以该电压有限值的大小无法确定，也即输出电压波形非连续的位置不确定，其导致的非线性很难用补偿的方法消除。

由于无法采用补偿的方法消除非线性，现有的改善方法通常是尽量减小死区时间，但由于死区时间是保证D类音频放大器输出可靠性的重要因素，过分减小死区时间则可能导致两个晶体管同时导通，正负电压直接流经两个晶体管则可能会烧坏晶体管，所以靠减小死区时间来改进放大器线性有其局限性。

因此，确有必要对现有的D类音频放大器进行改进，进而使改善由于死区时间造成的输出非线性变的更加容易。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种音频放大器，其可以有效抑制电源逆充电效应，以为改善音频放大电路的输出非线性提供方便。

本发明的另一目的在于提供一种改善音频放大器输出非线性的方法。

本发明的再一目的在于提供一种音频放大电路，其可以有效抑制电源逆充电效应，以为改善音频放大电路的输出非线性提供方便。

为了实现上述目的，本发明一种D类音频放大器，其包括脉宽调制单元以及功率放大单元，所述功率放大单元包括在输入信号正半周导通以输出信号的第一开关电路以及在输入信号负半周导通以输出信号的第二开关电路；其中第一开关电路的第一端连接于第一电源，第二端连接于输出节点，并由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断，第二开关电路的第一端连接于第二电源，第二端连接于输出节点，并由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制，该音频放大器的功率放大单元还包括一个第三开关电路，其第一端连接于前述第一电源和第二电源的中间电压点，第二端连接于第一开关电路与第二开关电路的输出节点，该第三开关电路由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制，在第一开关电路与第二开关电路发生切换时导通。

在一个实施例中，前述第三开关电路为一个晶体管，其第一端连接于前述第一电源和第二电源的中间电压点，第二端连接于第一开关电路与第二开关电路的输出节点，门极由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制，在第一开关电路与第二开关电路发生切换时导通。

在一个实施例中，前述第三开关电路包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管以及第四晶体管，其中第一晶体管的第一端连接于第一开关电路的输出端，第二端连接于前述第一电源和第二电源的中间电压点，门极由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；第二晶体管第一端连接于第一开关电路的输出端，第二端连接于功率放大单元的输出端，门极由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；第三晶体管的第一端连接于第二开关电路的输出端，第二端连接于前述第一电源和第二电源的中间电压点，门极由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；第四晶体管第一端连接于第二开关电路的输出端，第二端连接于功率放大单元的输出端，门极由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；前述第一开关电路与第二开关电路切换时存在一段第一开关电路与第二开关电路均截止的死区时间，前述第一开关电路截止时，前述第三开关电路的第一晶体管和第三晶体管同时导通，第二晶体管导通至前述死区时间的一半，然后第四晶体管导通至第二开关电路导通，在前述第二开关电路截止时，前述第三开关电路的第一晶体管和第三晶体管同时导通，第四晶体管导通至前述死区时间的一半，然后第二晶体管导通至第一开关电路导通。

在一个实施例中，前述第一电源与第二电源为电压相等极性相反的电源，前述第一电源和第二电源的中间电压点为0电压点。

为达成前述另一目的，本发明一种改善D类音频放大器输出非线性的方法，其中前述D类音频放大器包括脉宽调制单元以及功率放大单元，所述功率放大单元包括在输入信号正半周导通以输出信号的第一开关电路以及在输入信号负半周导通以输出信号的第二开关电路；其中第一开关电路的第一端连接于第一电源，第二端连接于输出节点，并由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断，第二开关电路的第一端连接于第二电源，第二端连接于输出节点，并由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制；该方法包括如下步骤：

首先将由死区时间导致的脉宽非连续性控制在输入信号为零电压时；

然后通过补偿的方法消除死区时间导致的输出信号非连续性。

在一个实施例中，前述将由死区时间导致的脉宽非连续性控制在输入信号为零电压时的步骤，包括在前述功率放大单元中增加一个第三开关电路，其第一端连接于前述第一电源和第二电源的中间电压点，第二端连接于第一开关电路与第二开关电路的输出节点，该第三开关电路由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制，在第一开关电路与第二开关电路发生切换时导通。

在一个实施例中，前述第三开关电路为一个晶体管，其第一端连接于前述第一电源和第二电源的中间电压点，第二端连接于第一开关电路与第二开关电路的输出节点，门极由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制，在第一开关电路与第二开关电路发生切换时导通。

在一个实施例中，前述第三开关电路包括第一晶体管(M2)、第二晶体管(M5)、第三晶体管(M3)以及第四晶体管(M6)，其中第一晶体管(M2)的第一端连接于第一开关电路的输出端，第二端连接于前述第一电源和第二电源的中间电压点，门极由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；第二晶体管第一端连接于第一开关电路的输出端，第二端连接于功率放大单元的输出端，门极由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；第三晶体管(M2)的第一端连接于第二开关电路的输出端，第二端连接于前述第一电源和第二电源的中间电压点，门极由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；第四晶体管第一端连接于第二开关电路的输出端，第二端连接于功率放大单元的输出端，门极由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；前述第一开关电路与第二开关电路切换时存在一段第一开关电路与第二开关电路均截止的死区时间，前述第一开关电路截止时，前述第三开关电路的第一晶体管和第三晶体管同时导通，第二晶体管导通至前述死区时间的一半，然后第四晶体管导通至第二开关电路导通，在前述第二开关电路截止时，前述第三开关电路的第一晶体管和第三晶体管同时导通，第四晶体管导通至前述死区时间的一半，然后第二晶体管导通至第一开关电路导通。

在一个实施例中，前述通过补偿的方法消除死区时间导致的输出信号非连续性的步骤进一步包括：先设定一个大于死区时间的补偿值，然后将该补偿值反馈给输入信号，输入信号经过放大器放大后输出PWM信号，此时判断输出的PWM信号的脉宽最小值是否为预设最小值，如果不是预设最小值，则减小一个脉宽补偿值，继续反馈给输入信号，直到最终的输出脉冲的脉宽最小值为预设最小值，则结束反馈补偿。

在一个实施例中，前述通过补偿的方法消除死区时间导致的输出信号非连续性的步骤进一步包括：测量输出信号和输入信号的峰值和能量比，当死区时间欠补偿时，输出的峰能比小于输入值；当死区时间过补偿时，输出的峰能比大于输入峰能比；当临界补偿时，输出峰能比等于输入的峰能比。

为达成本发明的再一目的，本发明一种音频放大电路，其包括第一开关电路和第二开关电路，

所述第一开关电路包括控制端、与第一电源连接的第一连接端以及连接至输出节点的第二连接端，所述控制端接收控制信号来控制第一开关电路的导通和关断；

所述第二开关电路包括控制端、与第二电源连接的第一连接端以及连接至输出节点的第二连接端，所述控制端接收控制信号来控制第二开关电路的导通和关断；其中

在第一开关电路处于导通状态时，第二开关电路处于关断状态，在第二开关电路处于导通状态时，第一开关电路处于关断状态，其特征在于，其还包括有第三开关电路，在第一开关电路和第二开关电路均处于关断状态时，所述第三开关电路将输出节点连接至第一电源和第二电源的中间电压点。

与现有技术相比，本发明通过在第一开关电路与第二开关电路之间增设一个第三开关电路，则在第一开关电路和第二开关电路发生切换时，LC振荡电路的能量通过第三开关电路释放，而不会发生电源逆流效应，而且能够保证第一开关电路与第二开关电路切换的时间为输入电压为0时，此时的输出电压也为0，从而为补偿了死区时间导致的非线性提供方便。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为现有D类音频放大器的简单结构示意图。

图2为现有的D类音频放大器理想状态下的输出波形图。

图3为现有的D类音频放大器由于逆流效应产生的实际输出波形图。

图4是本发明D类音频放大器的结构示意图。

图5是本发明D类音频放大器的输出单元的全桥拓扑结构图。

图6是本发明D类音频放大器的半桥拓扑结构图。

图7是本发明D类音频放大器的输出单元各晶体管的导通时序图。

图8是本发明D类音频放大器半桥结构简化的拓扑结构图。

图9是本发明D类音频放大器的全桥结构简化的拓扑结构图。

图10是本发明D类音频放大器进行反馈补偿的结构示意图。

图11是本发明一种实施例中对D类音频放大器死区时间进行补偿的流程图。

图12是本发明另一种实施例中对D类音频放大器死区时间进行补偿的结构示意图。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。很显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不脱离本发明本质和精神的情况下所获得的所有其它实施例，都属于本发明公开和保护的范围。

在该说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”可能并非指的是同一个实施例，也不是与其它实施例相互排斥的相互独立或选择性的实施例。此外，在流程图或图示模块的顺序，或者用来描述本发明的一个或多个实施例的序号并非固定的指代任何特定的顺序，也不构成对本发明的限制。

鉴于D类音频放大器的基本结构应当为该领域的技术人员所知悉，为突出本发明的发明重点，本说明书中对于完整D类音频放大器的详细结构不再赘述，对于非本发明重点的部分结构作了省略。

请参阅图4所示，其显示本发明D类音频放大器的结构示意图。如图所示，本发明的D类音频放大器包括由三角波信号发生器和比较器组成的脉宽调制单元、功率放大单元以及LC振荡单元。声音输入信号经过D类音频放大器放大之后输出即可驱动扬声器发出声音。

D类放大器的输入信号通常为正弦波的音频信号，将这个正弦波输入信号与三角波信号发生器产生的三角波经过比较器比较之后输出一个脉宽调制(PWM)信号，然后该脉宽调制信号用于控制功率放大单元中的晶体管的导通和关断，功率放大单元输出的输出信号经过LC振荡单元过滤PWM载波之后即可还原出经过放大的正弦音频输入信号，该信号驱动扬声器发出声音。

请参阅图5所示，其显示本发明D类音频放大器的一个实施例的功率放大单元(也可称之为音频放大电路)的具体电路拓扑结构图。如图所示，在一个实施例中，本发明的功率放大单元的拓扑结构为全桥结构。其包括作为第一开关电路的第一晶体管M1和第十二晶体管M12，作为第二开关电路的第四晶体管M4和第九晶体管M9，以及作为第三开关电路的第二晶体管M2、第三晶体管M3、第五晶体管M5、第六晶体管M6、第七晶体管M7、第八晶体管M8、第十晶体管M10以及第十一晶体管M11。由于第一晶体管M1至第六晶体管M6组成的电路与第七晶体管M7至第十二晶体管M12组成的电路是以中间的负载扬声器对称的，如果把负载分割为两个等同的串联负载，则两个负载中间的电压为零，为了便于分析及说明，可以把电路从负载中间分割为如图6所示的两个半桥电路。以下仅以第一晶体管M1至第六晶体管M6组成的半桥电路，对各晶体管的连接关系以及导通时序做说明。

请参阅图6所示，在一个实施例中，第一晶体管M1为NMOS晶体管，其漏极连接于电压Vcc，门极由前述经比较器输出的PWM信号驱动(在比较器输出的PWM信号与功率放大单元之间设置有驱动单元，本说明书中省略未图示)，第一晶体管M1的源极连接于第一节点。

第二晶体管M2为PMOS晶体管，其漏极连接于前述第一节点，源极连接于接地端，门极由前述经比较器输出的PWM信号驱动。

第三晶体管M3为NMOS晶体管，其漏极连接于接地端，源极连接于第二节点，门极由前述经比较器输出的PWM信号驱动。

第四晶体管M4为PMOS晶体管，其源极连接于前述第二节点，漏极连接于电源-Vcc，门极由前述经比较器输出的PWM信号驱动。

第五晶体管M5为NMOS晶体管，其漏极连接于前述第一节点，源极连接于输出节点，门极由前述经比较器输出的PWM信号驱动。

第六晶体管M6为PMOS晶体管，其源极连接于输出节点，漏极连接于前述第二节点，门极由前述经比较器输出的PWM信号驱动。

请参阅图7并结合图6所示，其中图7为各晶体管的导通/截止时序图，其中高电平表示晶体管导通，低电平表示晶体管截止。各晶体管在每个周期的导通/截止顺序为：

在时间点T1时，第一晶体管M1和第五晶体管M5导通，此时其他晶体管均截止，则电流经Vcc、第一晶体管M1和M5经过LC滤波电路滤波之后驱动负载扬声器发声。此时电路中电流的流向如图中I1所示。

在时间点T2时，第一晶体管M1截止，第二晶体管M2和第三晶体管M3同时导通，此时第五晶体管M5仍然导通，而其他晶体管继续截止，则电感储存的电能经过第二晶体管M2和第五晶体管M5组成的回路释放，此时电流的流向如图中I2所示。其中在第一晶体管M1截止而第二晶体管M2导通的之间同样存在一小段死区时间。

在时间点T3时，第二晶体管M2和第三晶体管M3导通，第六晶体管M6导通，第一晶体管M1、第四晶体管M4以及第五晶体管M5均截止，则电感还未完全释放的电能经过第三晶体管M3和第六晶体管M6组成的回路继续释放，此时电流的流向如图中I3所示。

在时间点T4时，第四晶体管M4导通，第六晶体管M6继续导通，而第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3以及第五晶体管M5均截止，此时电路的电流经第四晶体管M4以及第六晶体管M6组成的回路流经负载，如图中I4所示。其中在第三晶体管M3截止而第四晶体管M4导通的之间同样存在一小段死区时间。

在时间点T5时，第四晶体管M4截止，此时第六晶体管M6仍然导通，第二晶体管M2和第三晶体管M3导通，而第一晶体管、第五晶体管截止，则电感储存的电能经第三晶体管M3和第六晶体管M6组成的回路释放。其中在第四晶体管M4截止而第三晶体管M3导通的之间同样存在一小段死区时间。

在时间点T6时，第六晶体管M6截止，第五晶体管M5导通，而第二晶体管M2和第三晶体管M3仍然导通，则电感储存的电能经过第二晶体管M2和第五晶体管M5组成的回路继续释放。

在时间点T7则重复时间点T1的动作，开始各晶体管新的导通关断周期。其中在第二晶体管M2截止而第一晶体管M1导通的之间同样存在一小段死区时间。

当第一开关电路的第一晶体管M1和第二开关电路的第四晶体管M4进行切换的死区时间，此时电感储存的电能是通过第三开关电路的第二晶体管M2和第五晶体管M5或第三晶体管M3和第六晶体管M6进行释放，因此不会发生电流逆流回电源的情形，而且能够保证第一开关电路与第二开关电路在进行切换时正好是输入电压为0时，此时的输出电压为0，也不受电感大小的影响，则整个放大器输出的波形即为图3所示的理想输出波形。

基于前述原理，在本发明的一个实施例中，也可以对前述图6所示的半桥结构进行简化，简化成如图8所示的结构，即将图6中的第三开关电路的第二晶体管M2、第三晶体管M3、第五晶体管M5以及第六晶体管M6用图8中的一个晶体管M0替换。如图8所示，在一个实施例中所述晶体管M0为PMOS晶体管，其源极接地，漏极连接于调制开关管的输出端与负载相连的节点，门极由前述比较器输出的PWM信号驱动。在第一晶体管M1和第四晶体管M4进行切换的死区时间时，LC振荡电路的电感通过晶体管M0进行放电，则不会发生电源逆流效应，也可以使放大器的输出波形不受电感大小的影响。

同样，对于图5所示的全桥结构也可以相应地进行简化，简化成图9所示的结构，即将图5中的第三开关电路的第二晶体管M2、第三晶体管M3、第五晶体管M5、第六晶体管M6、第七晶体管M7、第八晶体管M8、第十晶体管M10以及第十一晶体管M11用图9中的一个晶体管M0替换。在第一开关电路的第一晶体管M1、第十二晶体管M12和第二开关电路的第四晶体管M4、第九晶体管M9进行切换的死区时间时，LC振荡电路的电感通过晶体管M0进行放电，则不会发生电源逆流效应，也可以使放大器的输出波形不受电感大小的影响。

在前述具体实施方式中，图中的各晶体管可能为具体的NMOS管或者PMOS管，但在其他实施方中各晶体管的具体结构或控制时序等可以在不脱离本发明的原理的基础上做任何改动，例如将原来的PMOS管换成NMOS管或者使用其他开关管代替现有的MOS晶体管等，这些改动均不脱离本发明的保护范围。

如前述背景技术中所述，当放大器的输出波形为图3所示的理想波形时，即死区时间导致的脉宽非连续性发生在输入为零电压时，其中波形中非线性的阶段即为死区时间的阶段，此时可以采用补偿的方式弥补死区时间造成的波形非线性。

死区时间的补偿有多种方案。最简单的方案是没有反馈的盲补偿。该方案适用于死区时间比较稳定，成本较低的产品。反馈补偿可以有模拟反馈和数字反馈补偿。鉴于对死区时间进行补偿以弥补死区时间造成非线性的方案现有的已经有很多种，下面仅给出现有的两种反馈补偿方案作为例子说明一下反馈补偿的原理。

如图10所示，可以在功率放大单元的输出端采集输出信号经过反馈补偿电路补偿之后与输入信号进行叠加形成一个反馈补偿回路。

死区时间补偿电路的输入是输出的调制PWM波形。当电路发生过补偿时，也就是说当脉宽补偿值超过由死区时间导致的脉宽损失时，当原始输入信号跨越零电平时，由于过补偿，此时输输出脉冲的脉宽的最小值是一个大于0的有限值。当减小脉宽补偿值时，该脉冲的有限值开始减小。当脉冲补偿值减少到临界补偿值，也就是目标值的时候，输出脉宽的最小值达到预设的最小值，继续减少脉冲补偿值不会再减少输出脉冲脉宽的最小值，则此时即完成补偿而输出稳定的脉宽调制信号。其方法流程图如图11所示，即先设定一个大于死区时间的补偿值，然后将该补偿值反馈给输入信号，输入信号经过放大器放大后输出PWM信号，此时判断输出的PWM信号的脉宽最小值是否为预设最小值，如果不是预设最小值，则减小一个脉宽补偿值，继续反馈给输入信号，直到最终的输出脉冲的脉宽最小值为预设最小值，则结束反馈补偿。

如图12所示，更精确的补偿办法可以通过测量输出信号和输入信号的峰值和能量比来实现。由于死区时间导致的非线性具有可以预测的效果，当死区时间欠补偿时，输出的峰能比小于输入值。当死区时间过补偿时，输出的峰能比大于输入峰能比。当临界补偿时，输出峰能比等于输入的峰能比。则可以根据这个原理设计补偿电路。其中峰能比可以通过模拟或者数字方法实现，具体电路结构图本发明不再详细说明。

综上所述，本发明的D类音频放大器的改善输出非线性的方法可以概括为如下步骤：

首先消除LC振荡电路中电感大小对输出波形的影响，使得死区时间导致的脉宽非连续性发生在输入为零电压时。具体方法即采用本发明D类音频放大器的前述改进的功率放大单元，通过增加一个连接于第一开关电路与第二开关电路之间的第三开关电路，在输出波形在发生正负半周的切换时的死区时间，LC振荡电路的能量通过第三开关电路释放，而不会发生电源逆流效应，而且能够保证第一开关电路和第二开关电路在发生切换是在输入电压为0电压时，则此时的输出电压也为0电压。

使得死区时间导致的脉宽非连续性发生在输入为零电压之后，再通过补偿的方式对死区时间造成的输出非线性进行补偿，进一步消除死区时间造成的非线性。具体的补偿方式可以是通过比较输出脉宽的最小值是否达到预设最小值来调整补偿的脉宽，也可以通过测量输出信号和输入信号的峰能比来判断补偿的程度。

本发明的放大器通过在第一开关电路与第二开关电路之间增设一个第三开关电路，则在第一开关电路和第二开关电路发生切换时，LC振荡电路的能量通过第三开关电路释放，而不会发生电源逆流效应，而且能够保证第一开关电路与第二开关电路切换的时间为输入电压为0时，此时的输出电压也为0，然后可以通过补偿的方式进一步消除死区时间造成的非线性，从而补偿了死区时间导致的非线性，大大改进了D类音频放大器的输出性能。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (15)

1.一种D类音频放大器，其包括脉宽调制单元以及功率放大单元，所述功率放大单元包括在输入信号正半周导通以输出信号的第一开关电路以及在输入信号负半周导通以输出信号的第二开关电路；其中第一开关电路的第一端连接于第一电源，第二端连接于输出节点，并由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断，第二开关电路的第一端连接于第二电源，第二端连接于输出节点，并由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制，其特征在于：该音频放大器的功率放大单元还包括一个第三开关电路，其第一端连接于前述第一电源和第二电源的中间电压点，第二端连接于第一开关电路与第二开关电路的输出节点，该第三开关电路由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制，在第一开关电路与第二开关电路发生切换时导通。

2.如权利要求1所述的D类音频放大器，其特征在于：前述第三开关电路为一个晶体管，其包括第一端、第二端和控制端，其第一端连接于前述第一电源和第二电源的中间电压点，第二端连接于第一开关电路与第二开关电路的输出节点，控制端由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制，在第一开关电路与第二开关电路发生切换时导通。

3.如权利要求1所述的D类音频放大器，其特征在于：前述第三开关电路包括第一晶体管(M2)、第二晶体管(M5)、第三晶体管(M3)以及第四晶体管(M6)，每一晶体管均包括第一端、第二端和控制端；其中第一晶体管的第一端连接于第一开关电路的输出端，第二端连接于前述第一电源和第二电源的中间电压点，控制端由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；第二晶体管第一端连接于第一开关电路的输出端，第二端连接于功率放大单元的输出端，控制端由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；第三晶体管的第一端连接于第二开关电路的输出端，第二端连接于前述第一电源和第二电源的中间电压点，控制端由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；第四晶体管第一端连接于第二开关电路的输出端，第二端连接于功率放大单元的输出端，控制端由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；前述第一开关电路与第二开关电路切换时存在一段第一开关电路与第二开关电路均截止的死区时间，前述第一开关电路截止时，前述第三开关电路的第一晶体管和第三晶体管同时导通，第二晶体管导通至前述死区时间的一半，然后第四晶体管导通至第二开关电路导通，在前述第二开关电路截止时，前述第三开关电路的第一晶体管和第三晶体管同时导通，第四晶体管导通至前述死区时间的一半，然后第二晶体管导通至第一开关电路导通。

4.如权利要求1所述的D类音频放大器，其特征在于：前述第一电源与第二电源为电压相等极性相反的电源，前述第一电源和第二电源的中间电压点为0电压点。

5.一种改善D类音频放大器输出非线性的方法，其中前述D类音频放大器包括脉宽调制单元以及功率放大单元，所述功率放大单元包括在输入信号正半周导通以输出信号的第一开关电路以及在输入信号负半周导通以输出信号的第二开关电路；其中第一开关电路的第一端连接于第一电源，第二端连接于输出节点，并由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断，第二开关电路的第一端连接于第二电源，第二端连接于输出节点，并由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制；其特征在于：该方法包括如下步骤：

首先将由死区时间导致的脉宽非连续性控制在输入信号为零电压时，即在前述功率放大单元中增加一个第三开关电路，其第一端连接于前述第一电源和第二电源的中间电压点，第二端连接于第一开关电路与第二开关电路的输出节点，该第三开关电路由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制，在第一开关电路与第二开关电路发生切换时导通；

然后通过补偿的方法消除死区时间导致的输出信号非连续性。

6.如权利要求5所述的改善D类音频放大器输出非线性的方法，其特征在于：前述第三开关电路为一个晶体管，其包括第一端、第二端和控制端，其第一端连接于前述第一电源和第二电源的中间电压点，第二端连接于第一开关电路与第二开关电路的输出节点，控制端由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制，在第一开关电路与第二开关电路发生切换时导通。

7.如权利要求6所述的改善D类音频放大器输出非线性的方法，其特征在于：前述第三开关电路包括第一晶体管(M2)、第二晶体管(M5)、第三晶体管(M3)以及第四晶体管(M6)，每一晶体管均包括第一端、第二端和控制端；其中第一晶体管的第一端连接于第一开关电路的输出端，第二端连接于前述第一电源和第二电源的中间电压点，控制端由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；第二晶体管第一端连接于第一开关电路的输出端，第二端连接于功率放大单元的输出端，控制端由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；第三晶体管的第一端连接于第二开关电路的输出端，第二端连接于前述第一电源和第二电源的中间电压点，控制端由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；第四晶体管第一端连接于第二开关电路的输出端，第二端连接于功率放大单元的输出端，控制端由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；前述第一开关电路与第二开关电路切换时存在一段第一开关电路与第二开关电路均截止的死区时间，前述第一开关电路截止时，前述第三开关电路的第一晶体管和第三晶体管同时导通，第二晶体管导通至前述死区时间的一半，然后第四晶体管导通至第二开关电路导通，在前述第二开关电路截止时，前述第三开关电路的第一晶体管和第三晶体管同时导通，第四晶体管导通至前述死区时间的一半，然后第二晶体管导通至第一开关电路导通。

8.如权利要求6所述的改善D类音频放大器输出非线性的方法，其特征在于：前述通过补偿的方法消除死区时间导致的输出信号非连续性的步骤进一步包括：先设定一个大于死区时间的补偿值，然后将该补偿值反馈给输入信号，输入信号经过放大器放大后输出PWM信号，此时判断输出的PWM信号的脉宽最小值是否为预设最小值，如果不是预设最小值，则减小一个脉宽补偿值，继续反馈给输入信号，直到最终的输出脉冲的脉宽最小值为预设最小值，则结束反馈补偿。

9.如权利要求6所述的改善D类音频放大器输出非线性的方法，其特征在于：前述通过补偿的方法消除死区时间导致的输出信号非连续性的步骤进一步包括：测量输出信号和输入信号的峰值和能量比，当死区时间欠补偿时，输出的峰能比小于输入值；当死区时间过补偿时，输出的峰能比大于输入峰能比；当临界补偿时，输出峰能比等于输入的峰能比。

10.一种音频放大电路，其包括第一开关电路和第二开关电路，

所述第一开关电路包括控制端、与第一电源连接的第一连接端以及连接至输出节点的第二连接端，所述控制端接收控制信号来控制第一开关电路的导通和关断；

所述第二开关电路包括控制端、与第二电源连接的第一连接端以及连接至输出节点的第二连接端，所述控制端接收控制信号来控制第二开关电路的导通和关断；其中

在第一开关电路处于导通状态时，第二开关电路处于关断状态，在第二开关电路处于导通状态时，第一开关电路处于关断状态，其特征在于，其还包括有第三开关电路，在第一开关电路和第二开关电路均处于关断状态时，所述第三开关电路将输出节点连接至第一电源和第二电源的中间电压点。

11.如权利要求10所述的音频放大电路，其特征在于：所述第三开关电路包括一个开关管，所述开关管包括控制端、与第一电源和第二电源的中间电压点的第一连接端以及连接至输出节点的第二连接端，所述控制端接收控制信号来控制所述开关管的导通和关断。

12.如权利要求10所述的音频放大电路，其特征在于：所述第三开关电路包括第一开关管(M2)、第二开关管(M5)、第三开关管(M3)以及第四开关管(M6)，每一开关管均包括第一端、第二端和控制端；其中第一开关管的第一端连接于第一开关电路的输出端，第二端连接于前述第一电源和第二电源的中间电压点，控制端由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；第二开关管第一端连接于第一开关电路的输出端，第二端连接于功率放大单元的输出端，控制端由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；第三开关管的第一端连接于第二开关电路的输出端，第二端连接于前述第一电源和第二电源的中间电压点，控制端由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；第四开关管第一端连接于第二开关电路的输出端，第二端连接于功率放大单元的输出端，控制端由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；前述第一开关电路与第二开关电路切换时存在一段第一开关电路与第二开关电路均截止的死区时间，前述第一开关电路截止时，前述第三开关电路的第一开关管和第三开关管同时导通，第二开关管导通至前述死区时间的一半，然后第四开关管导通至第二开关电路导通，在前述第二开关电路截止时，前述第三开关电路的第一开关管和第三开关管同时导通，第四开关管导通至前述死区时间的一半，然后第二开关管导通至第一开关电路导通。

13.一种音频放大电路，其包括第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路和第四开关电路，

所述第一开关电路包括控制端、与第一电源连接的第一连接端以及连接至第一输出节点的第二连接端，所述控制端接收控制信号来控制第一开关电路的导通和关断；

所述第二开关电路包括控制端、与第二电源连接的第一连接端以及连接至第一输出节点的第二连接端，所述控制端接收控制信号来控制第二开关电路的导通和关断；

所述第三开关电路包括控制端、与第一电源连接的第一连接端以及连接至第二输出节点的第二连接端，所述控制端接收控制信号来控制第一开关电路的导通和关断；

所述第四开关电路包括控制端、与第二电源连接的第一连接端以及连接至第二输出节点的第二连接端，所述控制端接收控制信号来控制第二开关电路的导通和关断；其中

在第一开关电路和第四开关电路处于导通状态时，第二开关电路和第三开关电路处于关断状态，在第二开关电路和第三开关电路处于导通状态时，第一开关电路和第四开关电路处于关断状态，其特征在于，

其还包括有第五开关电路，在第一开关电路、第四开关电路、第二开关电路和第三开关电路均处于关断状态时，所述第五开关电路将第一输出节点或第二输出节点连接至第一电源和第二电源的中间电压点。

14.如权利要求13所述的音频放大电路，其特征在于：所述第五开关电路包括一个开关管，所述开关管包括控制端、与第一电源和第二电源的中间电压点的第一连接端以及连接至输出节点的第二连接端，所述控制端接收控制信号来控制所述开关管的导通和关断。

15.如权利要求13所述的音频放大电路，其特征在于：所述第五开关电路包括第一开关管(M2)、第二开关管(M5)、第三开关管(M3)以及第四开关管(M6)，每一开关管均包括第一端、第二端和控制端；其中第一开关管的第一端连接于第一开关电路的输出端，第二端连接于前述第一电源和第二电源的中间电压点，控制端由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；第二开关管第一端连接于第一开关电路的输出端，第二端连接于功率放大单元的输出端，控制端由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；第三开关管的第一端连接于第二开关电路的输出端，第二端连接于前述第一电源和第二电源的中间电压点，控制端由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；第四开关管第一端连接于第二开关电路的输出端，第二端连接于功率放大单元的输出端，控制端由前述脉宽调制单元输出的脉宽调制信号控制导通与关断；前述第一开关电路与第二开关电路切换时存在一段第一开关电路与第二开关电路均截止的死区时间，前述第一开关电路截止时，前述第三开关电路的第一开关管和第三开关管同时导通，第二开关管导通至前述死区时间的一半，然后第四开关管导通至第二开关电路导通，在前述第二开关电路截止时，前述第三开关电路的第一开关管和第三开关管同时导通，第四开关管导通至前述死区时间的一半，然后第二开关管导通至第一开关电路导通。

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