CN106301257B - 音频放大器的调制选择电路及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种音频放大器的调制选择电路及其方法，该调制选择电路包含一信号产生电路、一脉冲产生电路和一选择电路。该信号产生电路用以产生一三元调制信号和一四元调制信号。该脉冲产生电路用以产生多个具有有限占空比的脉冲。该选择电路用以选择输出一四元调制信号、一三元调制信号和多个具有有限占空比的脉冲的其中之一至该音频放大器的一输出级。
Description
技术领域
本发明涉及一种音频放大器的调制选择电路及其方法，尤其是一种音频放大器运行于三元调制模式与四元调制模式的信号选择电路及其输出方法。
背景技术
D类放大器由于具有高效率及低功耗的优点，近年来已成为音频功率放大器的主流。一般的D类放大器需要一输出滤波器。该输出滤波器增加了系统的体积以及成本，因此限制了其在手持装置上的应用。近年来无滤波器(filterless)式D类放大器由于省去输出滤波器，却仍可保留原本高效率的优点，故在市场上日益受到重视。
无滤波器式D类放大器可运行于一四元调制(quaternary modulation)模式或一三元调制(ternary modulation)模式。在四元调制模式下D类放大器的输出级会有四种操作形式，D类放大器的输出级在此模式下的开关方式可参考美国专利US6262632的说明。D类放大器根据音源输入讯号会以四种输出级的操作形式来驱动如喇叭等负载。
相较于四元调制模式，D类放大器的输出级在三元调制模式下会有三种操作形式(此模式下负载的两端不会同时连接至电源端)。D类放大器的三元调制运行对大讯号来说具有较高的效率和较好的电磁干扰(EMI,ElectroMagnetic Interference)表现，而D类放大器的四元调制运行对小讯号来说具有较好的总谐波失真(THD,Total HarmonicDistortion)和较低的噪声底(noise floor)。因此，根据输入信号的振幅适当切换无滤波器式D类放大器的运行模式整体上可获得较佳的效果。
当D类放大器由三元调制模式进入四元调制模式时或是当D类放大器启动时，会产生浪涌电流(inrush current)而对元件造成损害。图1为传统D类放大器在运行时发生浪涌电流的波形图。如图1所示，当D类放大器启动时，输出(OUTP/OUTN)的前几个脉冲会有接近50％占空比(duty cycle)的状况。当D类放大器由三元调制模式进入四元调制模式时，输出的前几个脉冲会由低占空比进到高占空比，因此，浪涌电流会在这两个状况发生。
发明内容
根据本发明的一种音频放大器的调制选择电路，包含一信号产生电路、一脉冲产生电路和一选择电路。该信号产生电路用以产生一三元调制信号和一四元调制信号。该脉冲产生电路用以产生多个具有有限占空比的脉冲。该选择电路用以选择输出一四元调制信号、一三元调制信号和多个具有有限占空比的脉冲的其中之一至该音频放大器的一输出级。
根据本发明的一种音频放大器的调制选择方法，包含以下步骤：产生一三元调制信号和一四元调制信号；产生多个具有有限占空比的脉冲；以及选择性地输出该四元调制信号、该三元调制信号和这些具有有限占空比的脉冲的其中之一至该音频放大器的一输出级。
附图说明
图1为传统D类放大器在运行时发生浪涌电流的波形图。
图2显示结合本发明一实施例的具有调制选择电路的音频放大器的方块示意图。
图3显示结合本发明一实施例的该检测电路运行时的波形图。
图4A显示结合本发明一实施例的该调制选择电路的电路示意图。
图4B显示结合本发明一实施例的该脉冲产生电路的电路图。
图5显示结合本发明一实施例的该调制选择电路的该脉冲产生电路的波形图。
图6显示结合本发明的一实施例的输出级的一波形图。
图7A显示结合本发明另一实施例的一检测电路和一脉冲产生电路的方块示意图。
图7B显示借助该检测电路和该脉冲产生电路抑制过电流的一波形示意图。
图8显示根据本发明一实施例的音频放大器的调制选择方法的流程图。
附图符号说明
200 音频放大器
201 调制选择电路
202 检测电路
210 增益级
220 积分器
230 输出级
261,262 滤波器
402 脉冲产生电路
4021 固定占空比脉冲产生电路
4022 计数电路
410,420,440 比较器
430 三元调制信号产生电路
4301 一般三元调制信号产生电路
4302 AND门
4303 NOR门
4304 反相器
450 比较器
4601 AND门
4602,4603 计数器
4604 D型触发器
4605 反相器
4701 反相器
4702,4703 AND门
4704 D型触发器
480 第一选择电路
4801,4802 多工器
490 第二选择电路
4901,4902 多工器
701 检测电路
702 脉冲产生电路
R1,R2 电阻
800,802,804 步骤
具体实施方式
在说明书及权利要求书当中使用了一些词汇来指代特定的元件。本领域技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名称来称呼同样的元件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求书当中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。另外，「耦接」一词在此包含任何直接及间接的电连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电连接至该第二装置。
图2显示结合本发明一实施例的具有调制选择电路201的音频放大器200的方块示意图。在本实施例中，该音频放大器200为一D类放大器，且该音频放大器200包含一增益级210、一积分器220、一调制选择电路201、一检测电路202、一输出级230、两个反馈电阻R1和R2和两滤波器261和262。该调制选择电路201用以选择输出一四元调制信号、一三元调制信号和至少一个具有有限占空比的脉冲的其中之一。该检测电路202用以检测该增益级210的输出信号VOP/VON，并根据输出信号VOP/VON以产生信号S2至该调制选择电路201，以决定输出至该输出级230的信号。
图3显示结合本发明一实施例的该检测电路202运行时的波形图。如图3所示，如果该检测电路202检测到该增益级210的输出信号VOP/VON小于一第一临界值，例如一冲击值(attack level)，代表该音频放大器的输入信号为一大信号。其后，在该增益级210的输出信号VOP/VON到达一零交越点(zero crossing point)值时，该检测电路202会产生逻辑0的信号S2，使该调制选择电路201输出该三元调制信号。接着，当该检测电路202检测到该增益级210的输出信号VOP/VON大于一第二临界值，例如一释放值(release level)，代表该音频放大器的输入信号为一小信号。其后，在该增益级210的输出信号VOP/VON到达该零交越点(zero crossing point)值在一延迟时间(例如1秒)后，该检测电路202会产生逻辑1的信号S2，使该调制选择电路201输出该四元调制信号。在本发明一实施例中，该检测电路202可由电压比较器所构成。
图4A显示结合本发明一实施例的该调制选择电路201的电路示意图。该调制选择电路201包含一信号产生电路、一脉冲产生电路402和一选择电路，其中该信号产生电路包含多个比较器410、420和440以及一三元调制信号产生电路430。这些比较器410和420用以比较该积分器220的该输出信号和一三角波信号以产生一四元调制信号，该四元调制信号包含一正四元调制信号QP和一负四元调制信号QN。
该三元调制信号产生电路430包含一一般三元调制信号产生电路4301。该一般三元调制信号产生电路4301用以根据该正四元调制信号QP和该负四元调制信号QN产生一一般三元调制波。该比较器440用以比较该积分器220的输出信号的其中之一和一共用电压VCM。如图4A所示，该比较器440的输出端耦接至一节点N1。在本实施例中，该共用电压VCM为一供应电源电压VDD的一半，例如VDD/2。但本发明不应以此为限。在本发明一实施例中，该一般三元调制信号产生电路4301由一XOR门所组成，其输入端接收该正四元调制信号QP和该负四元调制信号QN，且其输出端产生该一般三元调制波至一节点N2。
该三元调制信号产生电路430还包含一AND门4302、一反相器4304、和一NOR门4303。该AND门4302接收来自节点N1和N2的信号以产生一正三元调制信号TP。该反相器4304的一输入端耦接至该节点N2。该NOR门4303接收来自节点N1的信号和该反相器4304的输出信号以产生一负三元调制信号TN。在运行时，当该积分器220的输出信号的其中之一大于该共用电压VCM时，借助该AND门4302，正三元调制波TP等于节点N2上的电压，而负三元调制波TP等于零。当该积分器220的输出信号的其中之一小于该共用电压VCM时，借助该NOR门4303，负三元调制波TN等于节点N2上的电压，而正三元调制波TP等于零。
如前所述，浪涌电流通常发生于当该调制选择电路201由该三元调制模式进入该四元调制模式时的前几个脉冲和该音频放大器200启动时。因此在本实施例中，两个具有25％占空比的脉冲会在上述两种状况发生时插入在该四元调制信号前，由此抑制浪涌电流。如图4A所示，该脉冲产生电路402包含一固定占空比脉冲产生电路4021和一计数电路4022，其中该固定占空比脉冲产生电路4021根据该信号S2产生包含具有两个25％占空比的脉冲的一信号P1至该计数电路4022和该选择电路。该计数电路4022接收具有两个25％占空比的脉冲后传送信号S1至该选择电路。
该选择电路包含一第一选择电路480和一第二选择电路490。该第一选择电路480包含两个多工器(MUX)4801和4802。该第二选择电路490包含两个多工器4901和4902。该多工器4801的一输入端S接收信号QP、一反相输入端S/接收信号P1且一选择端Sel接收信号S1。该多工器4802的一输入端S接收信号QN、一反相输入端S/接收信号P1且一选择端Sel接收信号S1。该多工器4901的一输入端S接收该多工器4801的输出信号、一反相输入端S/接收该正三元调制信号TP且一选择端Sel接收信号S2。该多工器4902的一输入端S接收该多工器4802的输出信号、一反相输入端S/接收该负三元调制信号TN且一选择端Sel接收信号S2。此外，这些多工器4901和4902的输出端耦接至该音频放大器200的该输出级230。
图4B显示结合本发明一实施例的该脉冲产生电路402的电路图。如图4B所示，该脉冲产生电路402的该固定占空比脉冲产生电路4021包含一比较器450，用以比较该三角波信号和一比例于该供应电源VDD的电压，例如VDD/4，以产生具有多个25％占空比的脉冲。当该比较器450比较不同电压值时，可产生不同占空比的脉冲。该脉冲产生电路4021还包含一AND门4601、一D型触发器4604和一反相器4605。该AND门4601的输入端耦接至该D型触发器4604的一输出端和该具有多个25％占空比的脉冲，以产生一输出信号P1。该D型触发器4604的一输入端D接收该供应电源VDD的电压、一时钟端CK接收该正四元调制信号QP的反相信号且一重置端R接收信号S2。
该计数电路4022包含两计数器4602和4603、一反相器4701、两AND门4702和4703、一D型触发器4704。这些计数器4602和4603是由D型触发器所组成，其用以输出信号Q2。这些计数器4602和4603耦接于该AND门4601的输出端和该AND门4702的一输入端。该AND门4702的另一输入端用以接收反相的该正四元调制信号QP。该AND门4703的一输入端用以接收该信号S2和一电源启动信号PS。该AND门4703的输出信号用以重置这些D型触发器4602、4603和4704。
以下参考图4A和图4B说明本发明的具有调制选择电路201的音频放大器200的运行方式。当该音频放大器200在供电后启动时，该电源启动信号PS转变为逻辑1。当该音频放大器200由该三元调制模式进入该四元调制模式时，该信号S2转变为逻辑1。当这些信号PS和S2任一个转变为逻辑1时，这些D型触发器4602、4603、4604和4704会重置，且该信号S1会转变为逻辑0。接着，具有25％占空比的时钟信号CLK会传送至该AND门4601的输出端，并送至这些计数器4602和该第一选择电路480。由于该信号S1保持逻辑0，该第一选择电路480和该第二选择电路490输出该信号P1至该输出级230。在接收两个具有25％占空比的脉冲后，该信号Q2会转变为逻辑1，因此该D型触发器4704会输出逻辑1的信号S1。在接收逻辑1的信号S1后，该第一选择电路480和该第二选择电路490输出四元调制信号，且该音频放大器200随后进入四元调制模式。依此方式，该音频放大器200在由该三元调制模式进入该四元调制模式时或启动时，会在四元调制信号前先输出两个具有25％占空比的脉冲，由此降低浪涌电流。
图5显示结合本发明一实施例的该调制选择电路201的该脉冲产生电路402的波形图。参照图5，如果该信号S2转变为逻辑1，该信号P1会变为具有25％占空比的时钟信号CLK，再借助选择电路传送至该输出级230。该信号Q2在两个具有25％占空比的脉冲后会转变为逻辑1，接着，该信号S1会转变为逻辑1并送至该第一选择单元480。该四元调制信号会传送至输出级230，且该音频放大器200进入四元调制模式的运行。
参照图6，该音频放大器200在由该三元调制模式进入该四元调制模式时或启动时，会在四元调制信号前先输出两个具有25％占空比的脉冲，由此降低浪涌电流。
在本发明的其他实施例中，具有有限占空比的脉冲也会在其他状况插入以降低浪涌电流。图7A显示结合本发明另一实施例的一检测电路701和一脉冲产生电路702的方块示意图。在本实施例中，除了图4A所示的选择电路外，还新增了该检测电路701和该脉冲产生电路702以在任何时候检测浪涌电流。该检测电路701由一比较器所组成，其用以比较该输出级230的负载电流IL和一预设值C1。如果该负载电流IL大于该预设值C1时，即判断为发生一过电流事件，故该检测电路701产生一信号OC_W至该脉冲产生电路702。在接收该信号OC_W后，该脉冲产生电路702产生多个具有有限占空比的脉冲至该输出级230以抑制过电流。在本实施例中，该脉冲产生电路产生八个具有25％占空比的脉冲至该输出级230，但本发明不应以此为限。在八个具有25％占空比的脉冲输出后，如果该过电流仍然存在，该计数电路7022会产生一信号S1_OCW至该输出级230以关闭该输出级230，由此避免该音频放大器200产生损害。
图7B显示借助该检测电路701和该脉冲产生电路702抑制过电流的一波形示意图。如图7B所示，当该检测电路701检测到该输出级230的负载电流IL大于预设值C1时，借助输出多个具有有限占空比的脉冲后，该负载电流IL可有效下降，而不会对放大器造成损害。
为了使本领域技术人员可以通过上述实施例的教导实施本发明，以下使用图8说明音频放大器的调制选择方法。图8显示根据本发明一实施例的音频放大器的调制选择方法的流程图。参照图8，该流程图由步骤800开始。在步骤800中，首先产生一三元调制信号和一四元调制信号。接着，在步骤802中，产生多个具有有限占空比的脉冲。在步骤804中，选择输出该四元调制信号、该三元调制信号和这些具有有限占空比的脉冲的其中之一至该音频放大器的一输出级。
在步骤804中，根据本发明一实施例，当该音频放大器启动时，选择输出这些具有有限占空比的脉冲至该音频放大器的该输出级；根据本发明另一实施例，当该音频放大器在由一三元调制模式进入一四元调制模式时，选择输出这些具有有限占空比的脉冲至该音频放大器的该输出级；根据本发明另一实施例，当该音频放大器的一负载电流大于一预定值时，选择输出这些具有有限占空比的脉冲至该音频放大器的该输出级。经由输出这些具有有限占空比的脉冲至该音频放大器的该输出级，可有效抑制浪涌电流。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本领域技术人员仍可以基于本发明的教导及揭示而做出种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示范围，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并被权利要求书所涵盖。
Claims (12)
1.一种音频放大器的调制选择电路，包括：
一信号产生电路，用以产生一第一三元调制信号和一四元调制信号；
一脉冲产生电路，用以产生多个具有有限占空比的脉冲；以及
一选择电路，用以选择输出该四元调制信号、该第一三元调制信号和这些具有有限占空比的脉冲的其中之一至该音频放大器的一输出级，
该选择电路包括：
一第一选择电路，用以根据一第一选择信号选择性地输出该四元调制信号或多个具有有限占空比的脉冲；以及
一第二选择电路，用以根据一第二选择信号选择性地输出该第一三元调制信号或该第一选择电路的一输出信号。
2.根据权利要求1的调制选择电路，其中当该音频放大器启动时，该选择电路输出所述具有有限占空比的脉冲至该音频放大器的该输出级。
3.根据权利要求1的调制选择电路，其中当该音频放大器在由一三元调制模式进入一四元调制模式时，该选择电路输出所述具有有限占空比的脉冲至该音频放大器的该输出级。
4.根据权利要求1的调制选择电路，其中当该音频放大器的一负载电流大于一预定值时，该选择电路输出所述具有有限占空比的脉冲至该音频放大器的该输出级。
5.根据权利要求1的调制选择电路，其中该脉冲产生电路包括：
一第一比较器，用以比较一三角波信号和一设定电压，由此产生具有多个固定占空比的脉冲；
一计数单元，耦接至该第一比较器，其中当该选择电路开始输出所述具有有限占空比的脉冲至该输出级时，该计数单元计数该选择电路所输出的脉冲的数目；以及
一控制电路，耦接至该计数单元，该控制电路用以产生该第一选择信号至该第一选择电路以在该选择电路所输出的脉冲的数目超过一预定值时，使该选择电路停止输出这些脉冲。
6.根据权利要求5的调制选择电路，其中借助该信号产生电路所输出的该四元调制信号包含一正四元调制信号和一负四元调制信号，该正四元调制信号和该负四元调制信号彼此反相并传送至该第一选择电路。
7.根据权利要求6的调制选择电路，其中该音频放大器包括一积分器，该第一三元调制信号包含一正三元调制信号和一负三元调制信号，该第一三元调制信号由该信号产生电路中的一三元信号产生电路所产生，该三元信号产生电路包括：
一第二三元调制信号产生电路，用以根据该正四元调制信号和该负四元调制信号产生一第二三元调制信号；以及
一第二比较器，用以比较该积分器的一输出信号和一共用电压，当该积分器的该输出信号大于该共用电压时，该正三元调制信号等于该第二三元调制信号，而负三元调制信号等于零，而当该积分器的该输出信号小于该共用电压时，该负三元调制信号等于该第二三元调制信号，而正三元调制信号等于零。
8.根据权利要求1的调制选择电路，其中该有限占空比等于25％。
9.一种音频放大器的调制选择方法，包括：
产生一三元调制信号和一四元调制信号；
产生多个具有有限占空比的脉冲；以及
选择性地输出该四元调制信号、该三元调制信号和这些具有有限占空比的脉冲的其中之一至该音频放大器的一输出级，
其中，根据一第一选择信号选择性地输出该四元调制信号或多个具有有限占空比的脉冲；
根据一第二选择信号选择性地输出该三元调制信号或一输出信号。
10.根据权利要求9的调制选择方法，其中当该音频放大器启动时，输出所述具有有限占空比的脉冲至该音频放大器的该输出级。
11.根据权利要求9的调制选择方法，其中当该音频放大器在由一三元调制模式进入一四元调制模式时，输出所述具有有限占空比的脉冲至该音频放大器的该输出级。
12.根据权利要求9的调制选择方法，其中当该音频放大器的一负载电流大于一预定值时，输出所述具有有限占空比的脉冲至该音频放大器的该输出级。
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