CN103326680B - D类音频功率放大器及其音频信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种D类音频功率放大器及其音频信号处理方法。该D类音频功率放大器包括前置放大器、积分器、比较器、驱动回路、功率开关管，及反馈回路；还包括用于产生方波的方波产生器、用于为前置放大器提供共模电压的共模电压产生器和用于抑制削顶失真的抗削顶失真回路。由于在本发明的D类音频功率放大器中的反馈回路中使用了分压器来实现降压，抗削顶失真回路通过产生衰减增益来抑制输出信号的削顶失真，所以该D类音频功率放大器的直流增益是恒定的，该直流增益不会受到供电电压变化的影响。这样的电路结构降低了电路的设计难度，降低了需要选用的器件的耐压要求，提高了电路整体的稳定性，也提高了D类音频功率放大器的输出音质。

Description

D类音频功率放大器及其音频信号处理方法

技术领域

本发明涉及音频功率放大技术领域，尤其涉及一种D类音频功率放大器及其音频信号处理方法。

背景技术

在现有技术的大功率D类音频功率放大器中，一般功率输出电路采用功率电源电压，前级模拟电路采用低压供电电压。

如图1所示，现有技术的D类的放大器包括输入音频信号1、参考波产生器2、脉冲宽度调制器3、高压功率开关4、低通滤波器5、电平移位器6、反馈网络7和输出音频信号9。现有技术的D类的放大器利用电平移位器6将功率输出级的功率电源电压降压到低压供电电压级电压。一般低压供电电压是内部LDO产生的一个恒定的电压。电平移位器6相当一个直流增益为低压供电电压/功率电源电压的降压器，其直流增益会随着供电电压的变化而变化，从而导致D类音频功率放大器的系统直流增益的变化。这种电路结构为D类音频功率放大器带来了不确定因素，影响电路工作的稳定性。

参考波产生器2产生三角波作为参考波。三角波易受到波谷和波峰附近的尖峰影响而产生错误的信号，对D类放大器的音质有很大的影响。

并且，当音频输入信号过大，或者电源工作电压降低时，放大器的输出将会出现削顶失真，出现让人烦躁的爆破音，使得D类放大器的音质变差。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种D类音频功率放大器及其音频信号处理方法以克服上述缺陷。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种D类音频功率放大器及其音频信号处理方法，以保证D类音频功率放大器的系统环路稳定，直流增益恒定，其直流增益不受电源电压的影响，并且还能抑制放大器输出的削顶失真。

为实现上述目的，本发明提供了一种D类音频功率放大器，包括前置放大器、积分器、比较器、驱动回路、功率开关管，及反馈回路，其特征在于：

还包括用于产生方波的方波产生器，所述方波产生器的输出端与所述积分器的输入端连接；

还包括用于为所述前置放大器提供共模电压的共模电压产生器，所述共模电压产生器的输出端与所述前置放大器的输入端连接；所述共模电压产生器包括运算放大器；参考电压输入所述运算放大器的同相输入端，所述参考电压为低压供电电压的二分之一；第八电阻、第九电阻串联在所述运算放大器的反相输入端与所述驱动电路的输入端之间；所述第九电阻、第七电阻串联在所述运算放大器的反相输入端和地之间；第十电阻并联在所述运算放大器的反相输入端和输出端之间；

还包括抗削顶失真回路和加法器，所述抗削顶失真回路用于产生抑制削顶失真的衰减增益，所述加法器用于将所述抗削顶失真回路产生的所述衰减增益加入到所述前置放大器的输出信号中；所述抗削顶回路包括D触发器、分频器和比较器；

所述抗削顶失真回路的输入端与所述比较器的输出端相连，所述抗削顶失真回路的输出端和所述前置放大器的输出端与所述加法器的输入端连接，所述加法器的输出端与所述积分器连接；

所述反馈回路包括用于将所述功率开关管的输出端信号降压后反馈回所述积分器中的分压器、反馈电阻；所述分压器包括第一分压电阻、第二分压电阻；所述第一分压电阻的第一端与所述功率开关管的输出端连接，所述第一分压电阻的第二端与所述反馈电阻连接；所述第二分压电阻的第一端接地，所述第二分压电阻的第二端与所述反馈电阻连接；同时所述第一分压电阻的第二端与所述第二分压电阻的第二端连接。

较佳地，所述共模电压产生器产生的所述共模电压为：

$Vcm=(1+\frac{R10}{R9})Vref-\frac{R7}{R8+R7}*\frac{R10}{R9}$

Vcm为所述共模电压、Vref为所述参考电压、R10为所述第十电阻、R9为所述第九电阻、R8为所述第八电阻，及R7为所述第七电阻；以下两公式使得所述D类音频功率放大器的单端输出电压的的静态工作点时的直流电压恒定在所述功率电源电压的1/2：

$\frac{R9}{R10}=\frac{Rf}{R3}$

$\frac{R7}{R8+R7}=\frac{1}{2}*\frac{R5}{R5+R6}$

R3为第三电阻、Rf为所述反馈电阻、R6为所述第一分压电阻，及R5为所述第二分压电阻；所述D类音频功率放大器的单端的直流增益恒定为：

$AV=\frac{R2}{R1}*\frac{Rf}{R3}(1+\frac{R6}{R5})$

AV为所述直流增益、R1为第一电阻、R2为第二电阻。

较佳地，供电电压包括所述功率电源电压、所述低压供电电压；所述功率电源电压至少为所述功率开关管供电，所述低压供电电压至少为所述积分器供电。

较佳地，所述D类音频功率放大器还包括抑制尖峰噪声回路；所述抑制尖峰噪声回路串联在所述比较器和所述驱动回路之间。

较佳地，所述抑制尖峰噪声回路还包括相位校正回路。

为实现上述目的，本发明也提供了一种D类音频功率放大器的音频信号处理方法，其特征在于：

a)方波作为参考波输入积分器；

b)为前置放大器提供共模电压，所述共模电压使所述D类音频功率放大器的单端输出电压的静态工作点时的直流电压恒定在功率电源电压的1/2；

c)提供一种反馈回路，所述反馈回路通过分压器为功率开关管的输出端信号降压，并将降压后的所述功率开关管的输出端信号反馈回所述积分器；

d)提供一种抗削顶失真回路，所述抗削顶失真回路通过D触发器、分频器和比较器来自动检测输出信号，调整自身增益来抑制信号的削顶失真。

较佳地，使用共模电压产生器产生所述共模电压。

较佳地，供电电压包括所述功率电源电压、所述低压供电电压；所述功率电源电压至少为所述功率开关管供电，所述低压供电电压至少为所述积分器供电。

较佳地，所述音频信号处理方法还包括e)抑制比较器的输出信号的尖峰噪声。

较佳地，使用抑制尖峰噪声回路抑制比较器的输出信号的尖峰噪声。

本发明提供的一种D类音频功率放大器及其音频信号处理方法有如下技术效果：由于在本发明的D类音频功率放大器中的反馈回路中使用了分压器来实现降压，该D类音频功率放大器的直流增益是恒定的，该直流增益不会受到供电电压变化的影响。由于D类音频功率放大器的直流增益恒定，并且将通过分压器降压后的功率开关管的输出端电压反馈回积分器，这样的电路结构降低了电路的设计难度，降低了需要选用的器件的耐压要求，提高了电路整体的稳定性。由于共模电压产生器的设计使D类音频功率放大器的单端输出电压的的静态工作点时的直流电压恒定在所述功率电源电压的1/2，最大化了该D类音频功率放大器的输出摆幅和动态范围。由于在本发明的D类音频功率放大器中使用了方波产生器，省去了现有技术中D类音频功率放大器中的三角波产生电路，节约了芯片的面积。由于在本发明的D类音频功率放大器中使用了抑制尖峰噪声回路，该抑制尖峰噪声回路抑制了积分器输出的三角波的尖峰噪声对D类音频功率放大器的影响，避免了现有技术的D类音频功率放大器的三角波在波谷和波峰附近受尖峰噪声的影响而产生错误的信号，导致D类音频功率放大器的输出音质下降。由于在本发明的D类音频功率放大器中使用了抗削顶失真回路，该抗削顶失真回路不同于以往的自动增益控制(AGG)和自动电平控制(ALC)电路。它是一种数字放大器，通过对D类音频功率放大器的内部信号的自动采样检测，获得衰减增益信号，利用衰减增益信号对前置放大器的输出信号进行衰减处理，以减小放大器的总增益值，并使放大器输出不再出现削顶失真。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是现有技术的D类音频功率放大器的结构框图；

图2是本发明的D类音频功率放大器及其音频信号处理方法的一具体实施例的结构框图；

图3是图2的实施例的电路图；

图4是图3的实施例的共模电压产生器的电路图；

图5是图3的实施例的抑制尖峰噪声回路的电路图；

图6是图5的抑制尖峰噪声回路的抑制尖峰噪声的示意波形图；

图7是图3的实施例的抗削顶失真回路的电路图；

图8是图7的抗削顶失真回路的工作示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图2、图3所示，根据本发明的D类音频功率放大器及其音频信号处理方法的一具体实施例，包括前置放大器20、积分器40、比较器50、驱动回路70、功率开关管80，及反馈回路100。

反馈回路100中包括用于将高压的驱动输出信号降压后反馈回积分器40中的第一分压电阻R6、第二分压电阻R5，及反馈电阻Rf；第一分压电阻R6的第一端与功率开关管80的输出端连接，第一分压电阻R6的第二端与反馈电阻Rf连接；第二分压电阻R5的第一端接地，第二分压电阻R5的第二端也与反馈电阻Rf连接；同时第一分压电阻R6的第二端与第二分压电阻R5的第二端连接。

在本实施例中，还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3，及第四电阻R4。

在本实施例中，供电电压包括功率电源电压PVDD和低压供电电压，功率电源电压PVDD为驱动回路70、功率开关管80的供电电压；低压供电电压为前置放大器20、积分器40、比较器50、方波产生器10、共模电压产生器30，及抑制尖峰噪声回路60的供电电压。如图3所示，本实施例只说明了图3中D类音频功率放大器的单端的电路的动作，该D类音频功率放大器的另一端回路的动作与上述单端回路的动作完全相同。

由于在本发明的D类音频功率放大器中的反馈回路100中使用了分压器90来实现降压，该D类音频功率放大器的单端的直流增益是恒定的，该直流增益不会受到供电电压变化的影响。本发明的D类音频功率放大器的单端的直流增益为：

$AV=\frac{R2}{R1}*\frac{Rf}{R3}(1+\frac{R6}{R5})$

由于D类音频功率放大器的直流增益恒定，并且将通过分压器90降压后的功率开关管80的输出端电压VOUT反馈回积分器40，这样的电路结构降低了电路的设计难度，降低了需要选用的器件的耐压要求，提高了电路整体的稳定性。

实施例2：

如图2、图3所示，本实施例与实施例1的电路结构基本相同，所不同之处在于，该D类音频功率放大器还包括用于产生方波的方波产生器10，方波产生器10的输出端与积分器40的输入端连接。

由于在本发明的D类音频功率放大器中使用了方波产生器10，省去了现有技术中D类音频功率放大器中的三角波产生电路，节约了芯片的面积。

实施例3：

如图3、图4所示，本实施例与实施例2的电路结构基本相同，所不同之处在于，该D类音频功率放大器还包括用于为前置放大器20提供共模电压的共模电压产生器30，共模电压产生器30的输出端与前置放大器20的输入端连接。共模电压Vcm使D类音频功率放大器的单端输出电压的的静态工作点时的直流电压恒定在所述功率电源电压的1/2。

共模电压产生器30包括运算放大器400。参考电压Vref输入运算放大器400的同相输入端，参考电压Vref为低压供电电压的1/2。第八电阻R8、第九电阻R9串联在运算放大器400的反相输入端与功率电源电压PVDD的输入端之间。第九电阻R9、第七电阻R7串联在运算放大器400的反相输入端和地之间。第十电阻R10并联在运算放大器400的反相输入端和输出端之间。本发明的共模电压产生器30产生的共模电压Vcm为：

$Vcm=(1+\frac{R10}{R9})Vref-\frac{R7}{R8+R7}*\frac{R10}{R9}$

只要共模电压产生器30中的器件参数满足以下两个等式，既能保证本发明的D类音频功率放大器的单端输出电压的的静态工作点时的直流电压恒定在所述功率电源电压的1/2：

$\frac{R9}{R10}=\frac{Rf}{R3}$

$\frac{R7}{R8+R7}=\frac{1}{2}*\frac{R5}{R5+R6}$

由于共模电压产生器的设计使D类音频功率放大器的单端输出电压的的静态工作点时的直流电压恒定在所述功率电源电压的1/2，最大化了该D类音频功率放大器的输出摆幅和动态范围。

实施例4：

如图2、图3所示，本实施例与实施例3的电路结构基本相同，所不同之处在于，D类音频功率放大器还包括抑制尖峰噪声回路60。抑制尖峰噪声回路60串联在比较器50和驱动回路70之间。

如图5所示，抑制尖峰噪声回路60还包括相位校正回路500。方波Vsquare经过相位校正回路500后输入到数字电路，数字电路包括与门AND1、或非门NOR1、或非门NOR2，及或非门NOR3。相位校正回路500的作用是将比较器的输出信号PWM的波峰和波谷与相位校正后的方波Vsquare的上升沿和下降沿对齐，以避免比较器的输出信号PWM的波峰或波谷附近产生的窄脉宽被抑制尖峰噪声电路滤掉。

如图3、图6所示，抑制尖峰噪声回路60的抑制尖峰噪声的示意波形图。比较器的输出信号PWM包括三角波610和尖峰噪声600。

信号PWM_ideal是三角波610没有尖峰噪声600时，比较器50输出的调制方波。

信号PWM_real是三角波610有尖峰噪声600时，三角波610经过比较器50后输出的调制方波，该调制方波在尖峰噪声处出现了错误的调制波或高频方波。这种调制方波会恶化D类音频功率放大器的EMI(电磁尖峰)并增大D类音频功率放大器的THD+N(总谐波失真)。

信号OUT是三角波610有尖峰噪声600时，三角波610经过比较器50和抑制尖峰噪声回路60后输出的调制方波。信号OUT的频率是由方波Vsquare频率控制的，不会受三角波610的尖峰噪声600影响而出现混乱或出现很高频的调制方波，由此减小了D类音频功率放大器的EMI和THD+N值。

由于在本发明的D类音频功率放大器中使用了抑制尖峰噪声回路60，该抑制尖峰噪声回路60抑制了比较器的输出信号PWM的尖峰噪声对D类音频功率放大器的影响，避免了现有技术的D类音频功率放大器的比较器的输出信号PWM在波谷和波峰附近受尖峰噪声的影响而产生错误的信号，导致D类音频功率放大器的输出音质下降。

实施例5：

如图2、3所示，本实施例与实施例3的电路结构基本相同，所不同之处在于，D类音频功率放大器还包括抗削顶失真回路110和加法器120。抗削顶失真回路110的输入端与比较器50的输出端连接，抗削顶失真回路110的输出端和前置放大器20的输出端与加法器120的输入端连接。

如图7所示，抗削顶失真回路110是一种数字放大器，采样PWM脉冲宽度，输出一定占空比的方波对输入信号进行衰减或调制，达到使输出电压幅度和平均功率下降、不出现削顶失真的目的。D类功率放大器对的初始增益为AV₀。抗削顶失真回路110包括D触发器D1和D2、分频器710和比较器(721、722和723)。PMW信号经过D1和D2两个D触发器和一些逻辑控制处理，产生一个削顶失真EN1。当检测到D类功率放大器没有出现削顶失真时，抗削顶功能不进行衰减，整个放大器的增益为AV＝AV₀。当检测到D类功率放大器即将要发生削顶失真时，EN1变为高电平，再通过控制分频器710输出不同频率的时钟控制信号S1、S2、S3和S4，以调节对电阻Rex和电容Cex的充电，电压点Vt通过三个比较器721、722和723调制输出高频的方波信号SMD去控制前置放大器10输出的衰减开关，采样衰减前置放大器的输出信号，实现衰减增益-A_ACF。若检测到D类功率放大器输出功率很大、预削顶失真很长，则开启的充电电流越大、电压点Vt越高，输出方波SMD的占空比越大，衰减增益值(A_ACF)越大。最后，在加法器120中，衰减增益A_ACF被加入到整个放大器的增益中，所以整个放大器的增益为AV＝AV₀-A_ACF，最终功率放大器的输出幅度降低，达到输出无削顶失真的目的，避免出现破音，音乐变得悦耳明亮。一般A_ACF的衰减增益范围为0～10dB。电阻Rex和电容Cex一般分别取值为1M欧和1uF。

如图8所示，D类音频放大器的输入信号过大或电源工作电压出现降低时，抗削顶失真回路110的示意图。如图8所示，D类功率放大器对的初始增益为AV₀，当放大器的输入信号过大或电源工作电压降低时，抗削顶失真回路110检测信号是否出现削顶失真(800)，如果放大器输出出现削顶失真，抗削顶失真回路110就会对信号进行衰减处理，使得放大器的最终增益减低为AV₀-A_ACF，这样，放大器的输出信号也就不会出现削顶失真。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种D类音频功率放大器，包括前置放大器、积分器、比较器、驱动回路、功率开关管，及反馈回路，其特征在于：

还包括用于产生方波的方波产生器，所述方波产生器的输出端与所述积分器的输入端连接；

还包括用于为所述前置放大器提供共模电压的共模电压产生器，所述共模电压产生器的输出端与所述前置放大器的输入端连接；所述共模电压产生器包括运算放大器；参考电压输入所述运算放大器的同相输入端，所述参考电压为低压供电电压的二分之一；第八电阻、第九电阻串联在所述运算放大器的反相输入端与所述驱动回路的输入端之间；所述第九电阻、第七电阻串联在所述运算放大器的反相输入端和地之间；第十电阻并联在所述运算放大器的反相输入端和输出端之间；

还包括抗削顶失真回路和加法器，所述抗削顶失真回路用于产生抑制削顶失真的衰减增益，所述加法器用于将所述抗削顶失真回路产生的所述衰减增益加入到所述前置放大器的输出信号中；所述抗削顶失真回路包括D触发器、分频器和比较器；

所述抗削顶失真回路的输入端与所述比较器的输出端相连，所述抗削顶失真回路的输出端和所述前置放大器的输出端与所述加法器的输入端连接，所述加法器的输出端与所述积分器连接；

所述反馈回路包括用于将所述功率开关管的输出端信号降压后反馈回所述积分器中的分压器、反馈电阻；所述分压器包括第一分压电阻、第二分压电阻；所述第一分压电阻的第一端与所述功率开关管的输出端连接，所述第一分压电阻的第二端与所述反馈电阻连接；所述第二分压电阻的第一端接地，所述第二分压电阻的第二端与所述反馈电阻连接；同时所述第一分压电阻的第二端与所述第二分压电阻的第二端连接；

所述共模电压产生器产生的所述共模电压为：

$Vcm=(1+\frac{R10}{R9})Vref-\frac{R7}{R8+R7}*\frac{R10}{R9}$

Vcm为所述共模电压、Vref为所述参考电压、R10为所述第十电阻、R9为所述第九电阻、R8为所述第八电阻，及R7为所述第七电阻；

以下两公式使得所述D类音频功率放大器的单端输出电压的静态工作点时的直流电压恒定在功率电源电压的1/2：

$\frac{R9}{R10}=\frac{Rf}{R3}$

$\frac{R7}{R8+R7}=\frac{1}{2}*\frac{R5}{R5+R6}$

R3为第三电阻、Rf为所述反馈电阻、R6为所述第一分压电阻，及R5为所述第二分压电阻；

所述D类音频功率放大器的单端的直流增益恒定为：

$AV=\frac{R2}{R1}*\frac{Rf}{R3}(1+\frac{R6}{R5})$

AV为所述直流增益、R1为第一电阻、R2为第二电阻；

供电电压包括所述功率电源电压、所述低压供电电压；所述功率电源电压至少为所述功率开关管供电，所述低压供电电压至少为所述积分器供电；

所述D类音频功率放大器还包括抑制尖峰噪声回路；所述抑制尖峰噪声回路串联在所述比较器和所述驱动回路之间；

所述抑制尖峰噪声回路还包括相位校正回路。

2.一种D类音频功率放大器的音频信号处理方法，其特征在于：

a)方波作为参考波输入积分器；

b)为前置放大器提供共模电压，所述共模电压使所述D类音频功率放大器的单端输出电压的静态工作点时的直流电压恒定在功率电源电压的1/2；

c)提供一种反馈回路，所述反馈回路通过分压器为功率开关管的输出端信号降压，并将降压后的所述功率开关管的输出端信号反馈回所述积分器；

d)提供一种抗削顶失真回路，所述抗削顶失真回路通过D触发器、分频器和比较器来自动检测输出信号，调整自身增益来抑制信号的削顶失真；

使用共模电压产生器产生所述共模电压；

供电电压包括所述功率电源电压、低压供电电压；所述功率电源电压至少为所述功率开关管供电，所述低压供电电压至少为所述积分器供电；

所述音频信号处理方法还包括e)抑制比较器的输出信号的尖峰噪声；

使用抑制尖峰噪声回路抑制比较器的输出信号的尖峰噪声。