CN106411281A - 功率限制放大器 - Google Patents

Abstract

一种功率限制放大器，包含一运算放大器、一降增益单元、一检测单元、一第一电阻、一第二电阻以及一反馈单元。该运算放大器包含一第一输入端、一第二输入端和一输出端。该第二电阻耦接于该第一电阻和该运算放大器的该第一输入端之间。该降增益单元耦接于该第一电阻和该第二电阻的一相交点。该检测单元用以比较产生于该相交点的一第一电压和至少一预设电压值，藉以产生至少一控制信号。该降增益单元根据该至少一控制信号以改变其阻值。

Description

功率限制放大器

技术领域

本发明关于一种功率限制放大器。

背景技术

音频放大器是一种用来放大音频信号的功率放大器。传统音频放大器可分类为A类、B类、AB类和D类放大器，其中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。图1显示一已知的D类放大器的方块图。如图1所示，该D类放大器100包含两输入电容C1和C2、一增益放大级12、一脉宽调制器13、两反馈网络14和15以及两功率级16和18。

参照图1，该输入电容C1和C2用以滤除一音频输入信号的直流偏压，以产生信号AI1和信号AI2。该增益放大级12藉由电阻R1至R4的比例来放大信号AI1和信号AI2的电压差值，以产生信号AG1和信号AG2。该脉宽调制器13在接收模拟形式的信号AG1和信号AG2后，输出两脉宽调制信号PWMP和PWMN至功率级16和18。该脉宽调制器13通常包含一积分器(未绘出)以积分模拟信号AG1和信号AG2的电压差值。这些脉宽调制信号PWMP和PWMN也会藉由反馈网络14和15产生反馈信号给该脉宽调制器13。这些功率级16和18用以推动一负载电路19，例如一耳机或是喇叭等音频输出装置。

在应用上，当音频输入信号的振幅过大时，该D类放大器100可能需要一电路以限制输出功率在一特定范围内，藉以避免对负载电路19造成损害。

发明内容

本发明提供一种功率限制放大器，包含一运算放大器、一降增益单元、一检测单元、一第一电阻、一第二电阻以及一第一反馈元件。该运算放大器包含一第一输入端、一第二输入端和一第一输出端。该第一电阻用以接收一第一输入信号。该第二电阻耦接于该第一电阻和该运算放大器的该第一输入端之间。该降增益单元耦接于该第一电阻和该第二电阻的一第一相交点。该检测单元用以比较产生于该第一相交点的一第一电压和至少一预设电压值，藉以产生至少一控制信号。该第一反馈元件耦接于该运算放大器的该第一输入端和该运算放大器的该第一输出端之间。该降增益单元根据该至少一控制信号以改变其阻值。

附图说明

图1显示一已知的D类放大器的方块图。

图2显示结合本发明一实施例的一功率限制放大器的方块示意图。

图3显示结合本发明另一实施例的一功率限制放大器的方块示意图。

图4显示结合本发明又一实施例的一功率限制放大器的方块示意图。

图5显示结合本发明再一实施例的一功率限制放大器的方块示意图。

图6显示结合本发明一实施例的该检测单元的方块示意图。

【符号说明】

100 D类放大器

12 增益放大级

13 脉宽调制器

14,15 反馈网络

16,18 功率级

19 负载电路

20,30,40,50 功率限制放大器

22,22’ 降增益单元

24,24’ 运算放大器

26,26’,26” 检测单元

262,264,265 电压比较器

266 多工器

62,64 充电泵

66,68 低通滤波器

C1,C2 输入电容

I1～I4 电流源

M1～M3 晶体管

R1～R6 电阻

SW1,SW2 开关

VB 偏压源

具体实施方式

图2显示结合本发明一实施例的一功率限制放大器20的方块示意图。参照图2，该功率限制放大器20包含一偏压电压源VB、一降增益单元22、一运算放大器24、一检测单元26、一输入电容C1以及多个电阻R1,R2和R3。该运算放大器24具有一正输入端，一负输入端和一输出端。该电阻R2耦接于该电阻R1和该运算放大器24的该负输入端之间。该降增益单元22耦接于该电阻R1和该电阻R2的一相交点。该电阻R3耦接于该运算放大器24的该负输入端和该输出端之间。

参照图2，该检测单元26由两电压比较器262和264所组成。该电压比较器262用以比较产生于该电阻R1和该电阻R2的该相交点的一电压值A2和一预设电压值REFH，藉以产生一控制信号CP1。该电压比较器264用以比较该电压值A2和一预设电压值REFL，藉以产生一控制信号CP2，其中该预设电压值REFH大于该预设电压值REFL。这些信号CP1和CP2用以改变该降增益单元22的阻值。在本实施例中，该降增益单元22由两晶体管M1和M2所组成。这些晶体管M1和M2耦接于该相交点和该运算放大器24的该正输入端之间。

在运作上，一模拟信号VIN由该功率限制放大器20的一输入端进入后，经由该输入电容C1以滤除模拟输入信号的直流偏压。接着，根据电阻RA和电阻R3的阻值比例，信号A1会被放大(R3/RA)倍数以产生该输出信号VO。在本实施例中，电阻RA的阻值由电阻R1的阻值、电阻R2的阻值和该降增益单元22的等效阻值所决定，而该降增益单元22的等效阻值由两晶体管M1和M2的导通阻值所决定。

该功率限制放大器20的运作原理现叙述如下。当该相交点的该电压值A2落于该预设电压值REFH和该预设电压值REFL之间时，表示该模拟信号VIN的电压振幅为负载可接受范围，因此该电压比较器262会产生位于逻辑0电平的该控制信号CP1，而该电压比较器264会产生位于逻辑0电平的该控制信号CP2，藉以完全截止这些晶体管M1和M2。此时，电阻RA的阻值实质上等于电阻R1的阻值和该电阻R2的阻值的加总。

当该相交点的该电压值A2大于该预设电压值REFH时，表示该模拟信号VIN的电压振幅超过负载可接受范围。此时，该电压比较器262会产生高于逻辑0电平的该控制信号CP1，藉以部分导通该晶体管M1。因此，该模拟信号VIN的电压振幅在该相交点会藉由该晶体管M1的部分导通而减少，进一步限制该相交点的该电压值A2不大于该预设电压值REFH。

类似地，当该相交点的该电压值A2小于该预设电压值REFL时，表示该模拟信号VIN的电压振幅超过负载可接受范围。此时，该电压比较器264会产生高于逻辑0电平的该控制信号CP2，藉以部分导通该晶体管M2。因此，该模拟信号VIN的电压振幅在该相交点会藉由该晶体管M2的部分导通而减少，进一步限制该相交点的该电压值A2不低于该预设电压值REFL。

图3显示结合本发明另一实施例的一功率限制放大器30的方块示意图，其中图3中类似图2的元件以类似的参考数字显示。参照图3，该降增益单元22’由一晶体管M3所组成。该晶体管M3耦接于该电阻R1和该电阻R2的该相交点和该运算放大器24的该正输入端之间。

该检测单元26’由多个电压比较器262、264和265以及一多工器266所组成。在运作上，当该相交点的该电压值A2落于该预设电压值REFH和该预设电压值REFL之间时，表示该模拟信号VIN的电压振幅为负载可接受范围，因此该电压比较器262会产生位于逻辑0电平的该控制信号CP1，而该电压比较器264会产生位于逻辑0电平的该控制信号CP2。在该输入信号VIN的电压值大于一电压值VCM时，该多工器266选择输出该控制信号CP1。在该输入信号VIN的电压值小于该电压值VCM时，该多工器266选择输出该控制信号CP2。该电压值VCM为该输入信号VIN电压振幅的中心值。由于当该相交点的该电压值A2落于该预设电压值REFH和该预设电压值REFL之间时，这些控制信号CP1和CP2都是逻辑0电平，因此这些晶体管M1和M2完全截止。在此状况下该输出信号VO会是信号A1的(R3/(R1+R2))倍数。

当该相交点的该电压值A2大于该预设电压值REFH时，表示该模拟信号VIN的电压振幅超过负载可接受范围。藉由这些电压比较器262、264和265以及该多工器266的运作，该检测单元26’会输出高于逻辑0电平的该控制信号CT，藉以部分导通该晶体管M3。因此，该模拟信号VIN的电压振幅在该相交点会藉由该晶体管M3的部分导通而减少，进一步限制该相交点的该电压值A2不大于该预设电压值REFH。。

当该相交点的该电压值A2小于该预设电压值REFL时，表示该模拟信号VIN的电压振幅超过负载可接受范围。藉由这些电压比较器262、264和265以及该多工器266的运作，该检测单元26’会输出高于逻辑0电平的该控制信号CT，藉以部分导通该晶体管M3，藉以限制该相交点的该电压值A2不低于该预设电压值REFL。

图2和图3所例示的运算放大器24为双端差分输入，单端输出的放大器形态。然而，本发明所揭示的输入功率限制方法亦可使用于双端差分输入，双端差分输出的放大器形态，如图4所示，其中图4中类似图2的元件以类似的参考数字显示。

参照图4，该运算放大器24’具有一正输入端，一负输入端、一正输出端和一负输出端。一差分对模拟输入信号VIP和VIN由该功率限制放大器40的一对差分输入端进入后，经由输入电容C1和C2以滤除模拟输入信号的直流偏压。接着，根据电阻R3和电阻RB的阻值比例，信号A3和A4的差值会被放大(R3/RB)倍数以产生该输出信号VO。在本实施例中，电阻R1,R2和R3的阻值个别与电阻R4,R5和R6的阻值相同。

参照图4，该降增益单元22耦接于该电阻R1和该电阻R2的相交点和该电阻R4和该电阻R5的相交点之间。在运作上，该降增益单元22会根据这些控制信号CP1和CP2以改变其阻值。这些控制信号CP1和CP2可藉由比较该相交点的电压值A5或该相交点的该电压值A6而产生。该降增益单元22的工作原理相同于图2中的该降增益单元22的工作原理，于此不赘述。

图5显示结合本发明又一实施例的一功率限制放大器50的方块示意图，其中图5中类似图4的元件以类似的参考数字显示。参照图5，该功率限制放大器50为一积分器形态，故图4中的电阻R3和R6由电容C3和C4所取代。该功率限制放大器50一般用于D类放大器的输入级，以积分该差分对模拟输入信号VIP和VIN的电压差值。并限制电压值A5(或A6)落于该预设电压值REFH和该预设电压值REFL之间。

参照图2，这些控制信号CP1和CP2的产生除了藉由这些比较器262和264外，亦可藉由其他方式，例如一充电泵(charge pump)而产生。图6显示结合本发明一实施例的一检测单元26”的方块示意图。参照图6，该检测单元26”另包含一充电泵62、一充电泵64、一低通滤波器66以及一低通滤波器68。

该充电泵62包含一上拉电流源I1、一开关SW1和一下拉电流源I2。该充电泵64包含一上拉电流源I3、一开关SW2和一下拉电流源I4。该充电泵62用以转换该比较器262的比较结果，藉以产生该控制信号CP1。该低通滤波器66用以滤除该控制信号CP1的高频成分。该充电泵64用以转换该比较器264的比较结果，藉以产生该控制信号CP2。该低通滤波器68用以滤除该控制信号CP2的高频成分。

在运作上，当图2中的该电压值A2大于该预设电压值REFH时，或者小于该预设电压值REFL时，这些充电泵62和64以及这些低通滤波器66和68会一同运作以产生高于逻辑0电平的该控制信号CP1，或是高于逻辑0电平的该控制信号CP2，藉以控制图2中的该降增益单元22的阻值。依此方式，该电压值A2电压可限制于该预设电压值REFH和该预设电压值REFL之间。

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能基于本发明的教示及揭示而作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的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种功率限制放大器，包含：

一运算放大器，包含一第一输入端，一第二输入端和一第一输出端；

一第一电阻，用以接收一第一输入信号；

一第二电阻，耦接于该第一电阻和该运算放大器的该第一输入端之间；

一降增益单元，耦接于该第一电阻和该第二电阻的一第一相交点；

一检测单元，用以比较产生于该第一相交点的一第一电压和至少一预设电压值，藉以产生至少一控制信号；以及

一第一反馈元件，耦接于该运算放大器的该第一输入端和该运算放大器的该第一输出端之间；

其中，该降增益单元根据该至少一控制信号以改变其阻值。

2.根据权利要求1的功率限制放大器，其中该降增益单元包含：

一第一晶体管，耦接于该第一相交点和该运算放大器的该第二输入端之间；以及

一第二晶体管，耦接于该第一相交点和该运算放大器的该第二输入端之间；

其中，该至少一预设电压值包含一第一预设电压值和一第二预设电压值，在该第一电压大于该第一预设电压值时，该第一晶体管改变其阻值；和

其中，在该第一电压小于该第二预设电压值时，该第二晶体管改变其阻值。

3.根据权利要求1的功率限制放大器，其中该降增益单元包含：

一第一晶体管，耦接于该第一相交点和该运算放大器的该第二输入端之间；

其中，该至少一预设电压值包含一第一预设电压值和一第二预设电压值，在该至少一输出信号大于一第一预设电压值时，或在该至少一输出信号小于一第二预设电压值时，该第一晶体管改变其阻值。

4.根据权利要求1的功率限制放大器，其中该运算放大器还包含一第二输出端，且该功率限制放大器还包括：

一第三电阻，用以接收一第二输入信号；

一第四电阻，耦接于该第三电阻和该运算放大器的该第二输入端之间；以及

一第二反馈元件，耦接于该运算放大器的该第二输入端和该运算放大器的该第二输出端之间；

其中，该降增益单元耦接于第一相交点和该第三电阻及该第四电阻的一第二相交点之间；和

其中，该第一输入信号和该第二输入信号为一差分对信号。

5.根据权利要求4的功率限制放大器，其中该降增益单元包含：

一第一晶体管，耦接于该第一相交点和该第二相交点之间；以及

一第二晶体管，耦接于该第一相交点和该第二相交点之间；

其中，该至少一预设电压值包含一第一预设电压值和一第二预设电压值，在该第一电压大于该第一预设电压值时，该第一晶体管改变其阻值；和

其中，在该第一电压小于该第二预设电压值时，该第二晶体管改变其阻值。

6.根据权利要求4的功率限制放大器，其中该降增益单元包含：

一第一晶体管，耦接于该第一相交点和该运算放大器的该第二输入端之间；

其中，该至少一预设电压值包含一第一预设电压值和一第二预设电压值，在该至少一输出信号大于一第一预设电压值时，或在该至少一输出信号小于一第二预设电压值时，该第一晶体管改变其阻值。

7.根据权利要求1或4的功率限制放大器，其中该检测单元还包括：

一充电泵单元，用以接收该第一相交点的该第一电压和至少一预设电压值的一比较结果，藉以产生该至少一控制信号；以及

一滤波器单元，耦接于该充电泵单元，用以滤除该至少一控制信号的高频部分。

8.根据权利要求1的功率限制放大器，其中该第一反馈元件为一电阻。

9.根据权利要求1的功率限制放大器，其中该第一反馈元件为一电容。