CN103338013B - 一种边沿斜率控制的d类音频功率放大器的功率管栅极驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种D类音频功率放大器的驱动电路及其驱动信号处理方法，该D类音频功率放大器的驱动电路至少包括功率开关元件、驱动器；驱动器输出端与功率开关元件驱动端连接，还包括三个逻辑控制器，用于控制输入信号和所述驱动器的驱动能力；驱动器至少包括第一组开关元件、第二组开关元件、第三组开关元件和第四组开关元件。由于本发明的D类音频功率放大器的驱动电路采用了多个开关元件对驱动信号的驱动能力进行即时调整，仅在系统需要大的驱动能力是通过逻辑控制器控制多个开关元件使驱动信号的驱动能力增大，使得该D类音频功率放大器的驱动电路实现低电磁干扰的同时实现低谐波失真。

Description

一种边沿斜率控制的D类音频功率放大器的功率管栅极驱 动器

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类音频功率放大器的驱动电路及其驱动信号处理方法。

背景技术

D类音频功率放大器的驱动电路的功率输出级采用开关工作模式，静态功耗很小，能够实现较高的效率。D类音频功率放大器的驱动电路的音频输出信号为占空比随音频输入信号变化的梯形波。由于人耳只能够听到20～20Khz的音频信号，因此不需要额外的滤波器来从音频输出信号中提取音频信号。

现有技术中的D类音频功率放大器的驱动电路在对输出功率管采用恒定尺寸的MOS管进行线性电流源驱动时，在不同的负载电流条件下会使音频输出信号的电压有不同的上升斜率和下降斜率，这也就导致了在不同的输出功率条件下有不同的电磁干扰辐射和谐波失真情况。

当驱动电路只满足最大驱动能力的要求时，在较小负载时能使音频输出信号产生较快的变化，但会导致系统出现较强的电磁干扰。虽然音频输出信号中的电磁干扰是听不到的，但是该电磁干扰会通过传导、辐射来干扰系统其他电路的正常工作，尤其会干扰收音机的工作。

当驱动电路只满足最小驱动能力的要求时，则会导致D类音频功率放大器的驱动电路在较大负载时，音频输出信号变化得太缓慢，使得音频输出信号产生较大的谐波失真。

电磁干扰和谐波失真成为了限制D类音频功率放大器的驱动电路应用的因素。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种D类音频功率放大器的驱动电路的系统以克服上述缺陷。

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类音频功率放大器的驱动电路及其驱动信号处理方法，以保证D类音频功率放大器的驱动电路在设计时不需要在电磁干扰和谐波失真之间折中，使D类音频功率放大器的驱动电路实现低电磁干扰的同时实现低谐波失真。

为实现上述目的，本发明提供了一种D类音频功率放大器的驱动电路，至少包括功率开关元件、第一驱动器和第二驱动器；，其特征在于：

所述第一驱动器包括第一组开关元件、第二组开关元件，所述第二驱动器包括第三组开关元件和第四组开关元件；所述第一组开关元件、所述第二组开关元件、所述第三组开关元件和所述第四组开关元件都至少包括两个开关元件；

所述驱动电路还包括三个逻辑控制器：第一逻辑控制器、第二逻辑控制器和第三逻辑控制器；所述第一逻辑控制器用于控制所述第一驱动器的驱动能力；所述第二逻辑控制器用于控制所述第二驱动器的驱动能力；所述第三逻辑控制器用于控制输入信号；

所述输入信号输入所述第三逻辑控制器的输入端；所述第三逻辑控制器的第一输出端与所述第一逻辑控制器的输入端连接；所述第三逻辑控制器的第二输出端与所述第二逻辑控制器的输入端连接

所述第一逻辑控制器的输出端与所述第一组开关元件和所述第二组开关元件驱动端连接；所述第一组开关元件的输入端与高电平连接，所述第二组开关元件的输入端与低电平连接；所述第一组开关元件和所述第二组开关元件的输出端与所述功率开关元件的第一驱动端连接；所述第一组开关元件和所述第二组开关元件的输出端还与所述第二逻辑控制器的反馈端连接；

所述第二逻辑控制器的输出端与所述第三组开关元件和所述第四组开关元件驱动端连接；所述第三组开关元件的输入端与高电平连接，所述第四组开关元件的输入端与低电平连接；所述第三组开关元件和所述第四组开关元件的输出端与所述功率开关元件的第二驱动端连接；所述第三组开关元件和所述第四组开关元件的输出端还与所述第一逻辑控制器的反馈端连接；

所述第一组开关元件和所述第三组开关元件控制第一驱动信号与所述高电平连接；所述第二组开关元件和所述第四组开关元件控制第二驱动信号与所述低电平连接。

较佳地，所述第一组开关元件所包括的至少两个开关元件是相同的；所述第二组开关元件所包括的至少两个开关元件是相同的；所述第三组开关元件所包括的至少两个开关元件是相同的；所述第四组开关元件所包括的至少两个开关元件是相同的。

较佳地，所述第一组开关元件、所述第二组开关元件、所述第三组开关元件和所述第四组开关元件所至少包括的两个所述开关元件都是各不相同的。较佳地，所述第一开关元件与所述第三开关元件相同；所述第二开关元件与所述第四开关元件相同。

较佳地，所述第一组开关元件、所述第二组开关元件、所述第三组开关元件和所述第四组开关元件都为MOS管或TG传输门。

较佳地，所述第一组开关元件、所述第三组开关元件都为P型MOS管，所述第二组开关元件、所述第四组开关元件都为N型MOS管；或所述第一组开关元件、所述第二组开关元件、所述第三组开关元件，及所述第四组开关元件都为N型MOS管。

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驱动信号处理方法：

a)根据输入信号和反馈的所述驱动信号的变化，逻辑控制器判断所述驱动信号的驱动能力是需要提高还是需要降低；

b)所述驱动能力通过至少四组开关元件控制；每组开关元件至少包括两个开关元件，第一组开关元件和第三组开关元件控制所述驱动信号与高电平连接；第二组开关元件和第四组开关元件控制所述驱动信号与低电平连接；

c)当所述驱动信号由所述低电平逐步变化到所述高电平时，所述第二组开关元件和所述第四组开关元件打开以断开所述驱动信号与所述低电平的连接，所述第一组开关元件和所述第三组开关元件根据所述驱动能力需要提高的程度全部闭合或部分闭合以使所述驱动信号进行上拉充电；当所述驱动信号由所述高电平逐步变化到所述低电平时，所述第一组开关元件和所述第三组开关元件打开以断开所述驱动信号与所述高电平的连接，所述第二组开关元件和第四组开关元件根据所述驱动能力需要下降的程度全部闭合或部分闭合以使所述驱动信号进行下拉放电。

较佳地，所述第一组开关元件所包括的至少两个开关元件是相同的；所述第二组开关元件所包括的至少两个开关元件是相同的；所述第三组开关元件所包括的至少两个开关元件是相同的；所述第四组开关元件所包括的至少两个开关元件是相同的。

较佳地，所述第一组开关元件、所述第二组开关元件、所述第三组开关元件和所述第四组开关元件所至少包括的两个所述开关元件都是各不相同的。

较佳地，所述第一组开关元件、第二组开关元件、第三组开关元件和第四组开关元件都为MOS管或TG传输门。

较佳地，所述第一组开关元件、所述第三组开关元件都为P型MOS管，所述第二组开关元件、所述第四组开关元件都为N型MOS管；或所述第一组开关元件、所述第二组开关元件、所述第三组开关元件，及所述第四组开关元件都为N型MOS管。

本发明提供的一种D类音频功率放大器的驱动电路及其驱动信号处理方法有如下技术效果：由于本发明的D类音频功率放大器的驱动电路采用了多个开关元件对驱动信号的驱动能力进行即时调整，仅在系统需要大的驱动能力是通过逻辑控制器控制多个开关元件使驱动信号的驱动能力增大，这种电路结构保证了D类音频功率放大器的驱动电路在设计时不需要在由驱动能力增大而引起的电磁干扰和由驱动能力减小而引起的谐波失真之间折中，使得D类音频功率放大器的驱动电路实现低电磁干扰的同时实现低谐波失真。由于本发明主要改进了D类音频功率放大器的驱动电路的输出级，因此本发明可应用于脉冲宽度调制(PWM)的D类音频功率放大器的驱动电路，又可应用于脉冲频率调制(PFM)的D类音频功率放大器的驱动电路。

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D类音频功率放大器的信号线路图；

图2是本发明的D类音频功率放大器的驱动电路的一具体实施例的功率开关电路图；

图3是本发明的D类音频功率放大器的驱动电路的另一具体实施例的功率开关电路图；

图4是图2的实施例的本发明D类音频功率放大器的驱动电路结构框图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，音频输入信号X6输入D类音频功率放大器10，D类音频功率放大器10输出音频输出信号X8。音频输出信号X8的占空比大小与音频输入信号X6的幅度相关。本发明主要改进了D类音频功率放大器的驱动电路X7。本发明可应用于脉冲宽度调制(PWM)的D类音频功率放大器的驱动电路，也可应用于脉冲频率调制(PFM)的D类音频功率放大器的驱动电路。

如图2所示，功率开关元件为N型MOS管N10、P型MOS管P10。输入脉冲信号X9输入第一驱动器20，第一驱动器20驱动MOS管N10、MOS管P10。

如图4所示，本发明的D类音频功率放大器的驱动电路的结构框图。输入信号X0输入逻辑控制器301的输入端，功率开关元件的驱动信号X20分别输入逻辑控制器302和303的反馈端。输入信号X0是音频输入信号X6经该D类音频功率放大器的前级处理后的音频脉冲信号。

本发明的D类音频功率放大器的驱动电路X7包括功率开关元件、第一驱动器20和第二驱动器21。第一驱动器20输出端与功率开关元件的第一驱动端连接，第二驱动器21输出端与功率开关元件的第二驱动端连接，驱动电路X7还包括第一逻辑控制器302、第二逻辑控制器303和第三逻辑控制器301，用于控制第一驱动器20和第二驱动器21的驱动能力。输入信号X0输入第三逻辑控制器301的输入端，输入脉冲信号X0经过第三逻辑控制器301的逻辑处理输出两路脉冲信号X4和X24；脉冲信号X4接入到第一逻辑控制器302的输入端；脉冲信号X24接入到第二逻辑控制器303的输入端。

第一驱动器20包括第一组开关元件、第二组开关元件，第二驱动器21包括第三组开关元件和第四组开关元件，每组开关元件至少包括两个开关元件；第一组开关元件和第二组开关元件的输入端与第一逻辑控制器302的输出端相连，第三组开关元件和第四组开关元件的输入端与第二逻辑控制器303的输出端相连。

第一组开关元件输入端与高电平连接，第一组开关元件驱动端与第一逻辑控制器302第一输出端连接，第一组开关元件输出端与功率开关元件的第一驱动端连接，第一组开关元件输出端还与第二逻辑控制器303反馈端连接。第二组开关元件输出端与功率开关元件的第一驱动端连接，第二组开关元件输出端还与第二逻辑控制器303反馈端连接，第二组开关元件驱动端与第一逻辑控制器302第二输出端连接，第二开关元件输入端与低电平连接。第一组开关元件控制第一驱动信号X5与高电平的连接；第二组开关元件控制第一驱动信号X5与低电平的连接。

第三组开关元件输入端与高电平连接，第三组开关元件驱动端与第二逻辑控制器303第一输出端连接，第三组开关元件输出端与功率开关元件的第二驱动端连接，第三组开关元件输出端还与第一逻辑控制器302反馈端连接。第四组开关元件输出端与功率开关元件的第二驱动端连接，第四组开关元件输出端还与第一逻辑控制器302反馈端连接，第四组开关元件驱动端与第二逻辑控制器303第二输出端连接，第四组开关元件输入端与低电平连接；第三组开关元件控制第二驱动信号X25与高电平的连接；第四组开关元件控制第二驱动信号X25与低电平的连接。

第一组开关元件、第二组开关元件、第三组开关元件和第四组开关元件都为MOS管。第一组开关元件和第三组开关元件是P型MOS管，第二组开关元件和第四组开关元件是N型MOS管；或第一组开关元件、第二组开关元件、第三组开关元件和第四组开关元件都是N型MOS管。在本实施例中，第一组开关元件和第三开关元件相同。第二组开关元件和第四组开关元件相同。

第一逻辑控制器302根据音频脉冲输入信号X4、反馈的第二驱动信号X25和第一驱动器20输出信号X20的变化，判断第一驱动信号X5的驱动能力是需要提高还是需要降低。通过第一组开关元件控制第一驱动信号X5与高电平的连接；第二组开关元件控制第一驱动信号X5与低电平的连接。

当第一驱动信号X5由低电平逐步变化到高电平时，第二组开关元件打开以断开第一驱动信号X5与低电平的连接，第一组开关元件根据驱动能力需要提高的程度全部闭合或部分闭合以使第一驱动信号X5进行上拉充电。当第一驱动信号X5由高电平逐步变化到低电平时，第一组开关元件打开以断开第一驱动信号X5与高电平的连接，第二组开关元件根据驱动能力需要下降的程度全部闭合或部分闭合以使第一驱动信号X5进行下拉放电。

第二逻辑控制器303根据音频脉冲输入信号X24、反馈的第一驱动信号X5和第二驱动器21的输出信号X20的变化，判断第二驱动信号X25的驱动能力是需要提高还是需要降低。通过第三组开关元件控制第二驱动信号X25与高电平的连接；第四组开关元件控制第二驱动信号X25与低电平的连接。

当第二驱动信号X25由低电平逐步变化到高电平时，第四组开关元件打开以断开第二驱动信号X25与低电平的连接，第三组开关元件根据驱动能力需要提高的程度全部闭合或部分闭合以使第二驱动信号X25进行上拉充电。当第二驱动信号X25由高电平逐步变化到低电平，时，第三组开关元件打开以断开第二驱动信号X25与高电平的连接，第四组开关元件根据驱动能力需要下降的程度全部闭合或部分闭合以使第二驱动信号X25进行下拉放电。

第一驱动信号X5和第二驱动信号X25的驱动能力即为第一驱动信号X5和第二驱动信号X25对于功率开关元件的驱动电流。当所需驱动电流增大时，对应的驱动能力如果无法相应的提高，音频输出信号X8就会产生非常大的谐波失真；当驱动电流减小时，对应的驱动能力如果没有相应的下降，音频输出信号X8就会携带较大的电磁干扰。

由于本发明的D类音频功率放大器的驱动电路X7采用了多个开关元件对第一驱动信号X5和第二驱动信号X25的驱动能力进行即时的调整，仅在系统需要大的驱动能力是通过逻辑控制器控制多个开关元件使第一驱动信号X5和第二驱动信号X25的驱动能力增大，这种电路结构保证了D类音频功率放大器的驱动电路X7在设计时不需要在由驱动能力增大而引起的电磁干扰和由驱动能力减小而引起的谐波失真之间折中，使得D类音频功率放大器的驱动电路X7实现低电磁干扰的同时实现低谐波失真。

在其他实施例中，第一开关元件组、第二开关元件组、第三开关元件组和第四开关元件组的开关元件还可以是TG传输门。

在其他实施例中，如图3所示，功率开关元件为N型MOS管N20、N型MOS管N30。输入脉冲信号X9输入第二驱动器21，第二驱动器21驱动MOS管N20、MOS管N30。

实施例2：

如图1、图4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，第一组开关元件为开关元件K1～Ki，第二组开关元件为开关元件G1～Gi。第一逻辑控制器302根据输入信号X4和第二驱动信号X25确定开关元件K1～Ki和开关元件G1～Gi的逻辑控制值，判断第一驱动信号X5的驱动能力是需要提高还是需要降低。

当第一驱动信号X5由低电平逐渐变化到高电平时，第一逻辑控制器302先断开开关元件G1～Gi，停止低电平对第一驱动信号X5的下拉放电作用。然后第一逻辑控制器302使开关元件K1闭合，实现高电平对第一驱动信号X5的上拉充电。若需要的第一驱动信号X5的驱动能力更大，可根据所需驱动能力需要逐步闭合开关元件K2～Ki中的一个或几个。开关元件闭合得越多，高电平对第一驱动信号X5提供的驱动电流越大，第一驱动信号X5的驱动能力越大。

当第一驱动信号X5由高电平逐渐变化到低电平时，第一逻辑控制器302先断开开关元件K1～Ki，停止高电平对第一驱动信号X5的上拉充电。然后第一逻辑控制器302使开关元件G1闭合，实现低电平对第一驱动信号X5的下拉放电。若需要的第一驱动信号X5的驱动能力更大，可根据所需驱动能力需要逐步闭合开关元件G2～Gi中的一个或几个。开关元件闭合得越多，第一驱动信号X5对低电平提供的驱动电流越大，第一驱动信号X5的驱动能力越大。

第三组开关元件为开关元件K11～K1i，第四组开关元件为开关元件G11～G1i。第二逻辑控制器303根据输入信号X24和第一驱动信号X5确定开关元件K11～K1i和开关元件G11～G1i的逻辑控制值，判断第二驱动信号X25的驱动能力是需要提高还是需要降低。

当第二驱动信号X25由低电平逐渐变化到高电平时，第二逻辑控制器303先断开开关元件G11～G1i，停止低电平对第二驱动信号X25的下拉放电作用。然后第二逻辑控制器303使开关元件K11闭合，实现高电平对第二驱动信号X25的上拉充电。若需要的第二驱动信号X25的驱动能力更大，可根据所需驱动能力需要逐步闭合开关元件K12～K1i中的一个或几个。开关元件闭合得越多，高电平对第二驱动信号X25提供的驱动电流越大，第二驱动信号X25的驱动能力越大。

当第二驱动信号X25由高电平逐渐变化到低电平时，第二逻辑控制器303先断开开关元件K11～K1i，停止高电平对第二驱动信号X25的上拉充电。然后第二逻辑控制器303使开关元件G11闭合，实现低电平对第二驱动信号X25的下拉放电。若需要的第二驱动信号X25的驱动能力更大，可根据所需驱动能力需要逐步闭合开关元件G12～G1i中的一个或几个。开关元件闭合得越多，第二驱动信号X25对低电平提供的驱动电流越大，第二驱动信号X25的驱动能力越大。

为了满足较小的电磁干扰，必须控制音频输出信号X8的变化速度，即需要控制音频输出信号X8的第一驱动信号X5和第二驱动信号X25的大小。第一驱动信号X5和第二驱动信号X25可以是电压、也可以是电流。随着驱动电流各周期的变化，系统所要求的驱动能力的大小是不同的，需要根据系统所要求驱动电流的变化相应的改变功率开关元件的驱动能力。

本发明的D类音频功率放大器的驱动电路通过开关元件K1～Ki，G1～Gi来控制第一驱动信号X5的驱动能力，通过开关元件K11～K1i，G11～G1i来控制第二驱动信号X25的驱动能力。第一逻辑控制器302和第二逻辑控制器303自动根据所需驱动电流大小控制开关元件的闭合/断开、开关元件闭合/断开的时间先后。通过第一逻辑控制器302和第二逻辑控制器303对功率开关元件发出合适的第一驱动信号X5和第二驱动信号X25，以使音频输出信号X8的变化速度在确定的范围内。

音频输出信号X8的谐波失真为音频输出信号偏离理想形状，如占空比改变、上升下降时间不对称。合适的驱动能力能保证音频输出信号X8及时地、准确地跟随输入脉冲信号变化，产生较小的失真。

第一组开关元件、第二组开关元件、第三组开关元件和第四组开关元件中的开关元件的数量越多，对音频输出信号的控制就越精确，但是电路复杂度也随之增加。一般开关元件的数量大于2(i>2)，具体需要使用的开关元件的数量可由电磁干扰、谐波失真、电路设计成本共同决定。

在本实施例中，开关元件K1～Ki和K11～K1i为P型MOS管，开关元件G1～Gi和G11～G1i为N型MOS管。开关元件K1～Ki、K11～K1i、G1～Gi和G11～G1i的尺寸大小由可接受的谐波失真、可接受的电磁干扰强度决定。高电平、低电平的绝对值大小和相对值大小由工艺和输出级类型决定。

在其他实施例中，开关元件K1～Ki、K11～K1i、G1～Gi和G11～G1i还可以采用电流源MOS管或TG传输门。

在其他实施例中，开关元件K1～Ki、K11～K1i、G1～Gi和G11～G1i各自的尺寸也可以不相等。

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 (1)

1.一种D类音频功率放大器的驱动电路，至少包括功率开关元件、第一驱动器和第二驱动器，其特征在于：

所述第一驱动器包括第一组开关元件、第二组开关元件，所述第二驱动器包括第三组开关元件和第四组开关元件；所述第一组开关元件、所述第二组开关元件、所述第三组开关元件和所述第四组开关元件都至少包括两个开关元件；所述驱动电路还包括三个逻辑控制器：第一逻辑控制器、第二逻辑控制器和第三逻辑控制器；所述第一逻辑控制器用于控制所述第一驱动器的驱动能力；所述第二逻辑控制器用于控制所述第二驱动器的驱动能力；所述第三逻辑控制器用于控制输入信号；

所述输入信号输入所述第三逻辑控制器的输入端；所述第三逻辑控制器的第一输出端与所述第一逻辑控制器的输入端连接，所述第三逻辑控制器的第二输出端与所述第二逻辑控制器的输入端连接；

所述第一逻辑控制器的输出端与所述第一组开关元件和所述第二组开关元件驱动端连接；所述第一组开关元件的输入端与高电平连接，所述第二组开关元件的输入端与低电平连接；所述第一组开关元件和所述第二组开关元件的输出端与所述功率开关元件的第一驱动端连接；所述第一组开关元件和所述第二组开关元件的输出端还与所述第二逻辑控制器的反馈端连接；

所述第二逻辑控制器的输出端与所述第三组开关元件和所述第四组开关元件驱动端连接；所述第三组开关元件的输入端与高电平连接，所述第四组开关元件的输入端与低电平连接；所述第三组开关元件和所述第四组开关元件的输出端与所述功率开关元件的第二驱动端连接；所述第三组开关元件和所述第四组开关元件的输出端还与所述第一逻辑控制器的反馈端连接；

所述第一组开关元件和所述第三组开关元件控制第一驱动信号与所述高电平连接；所述第二组开关元件和所述第四组开关元件控制第二驱动信号与所述低电平连接；

所述第一组开关元件所包括的至少两个开关元件是相同的；所述第二组开关元件所包括的至少两个开关元件是相同的；所述第三组开关元件所包括的至少两个开关元件是相同的；所述第四组开关元件所包括的至少两个开关元件是相同的；

所述第一组开关元件、所述第三组开关元件都为P型MOS管，所述第二组开关元件、所述第四组开关元件都为N型MOS管；或所述第一组开关元件、所述第二组开关元件、所述第三组开关元件，及所述第四组开关元件都为N型MOS管。