CN110545082A - 音频放大器的调制选择电路 - Google Patents

Abstract

一种音频放大器的调制选择电路，包含一信号产生电路、一检测电路和一选择电路。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。该检测电路用以至少根据该三元调制信号以产生一模式选择信号。该选择电路用以根据该模式选择信号选择输出该四元调制信号和该三元调制信号的其中一者至该音频放大器的一输出级。

Description

音频放大器的调制选择电路

技术领域

本发明关于一种音频放大器的调制选择电路，尤指一种音频放大器运作于三元调制模式和四元调制模式的信号选择电路。

背景技术

在音频应用中，模拟放大器是音频系统内的重要组件之一。D类放大器由于具有高效率及低功耗的优点，近年来已广泛使用在音频系统中。由于D类放大器的输出波形是位于高逻辑电平(亦即，电源电压)和低逻辑电平(亦即，接地电压)两者之一，而不是一共同模拟电压电平，理想上输出级的功率晶体管若未导通时不会有电流流过。

目前常应用在D类放大器的调制方式为脉冲宽度调制(PWM)方式，其中又分为四元调制(quaternary modulation)模式和三元调制(ternary modulation)模式两种。在四元调制模式下D类放大器的输出级会有四种操作态样，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信号会以四种输出级的操作态样来驱动如喇叭等负载。D类放大器的四元调制运作在比较大的输出功率下具有较好的总谐波失真(THD,Total Harmonic Distortion)和较低的噪声(noise)。

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态样(此模式下负载的两端不会同时连接至电源电压)。D类放大器的三元调制运作在比较小的输出功率下具有会有较低的闲置电流(idle current)。因此，如何根据不同的输出功率来适当切换D类放大器的运作模式以获得较佳的效果是目前D类放大器的课题之一。

发明内容

根据本发明一实施例的一种音频放大器的调制选择电路，包含一信号产生电路、一检测电路和一选择电路。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。该检测电路用以至少根据该三元调制信号以产生一模式选择信号。该选择电路用以根据该模式选择信号选择输出该四元调制信号和该三元调制信号的其中一者至该音频放大器的一输出级。

附图说明

图1显示D类放大器在不同的输出功率下以四元调制模式和三元调制模式运作所得到的总谐波失真和噪声分布图。

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示意框图。

图3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4显示结合本发明一实施例的该检测电路的电路图。

图5显示图4所示的信号的一可能波形图。

具体实施方式

在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。所属领域中具有通常知识者应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及后续的权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及后续的请求项当中所提及的“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气连接手段。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气连接于该第二装置，或透过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

图1显示D类放大器在不同的输出功率(Pout)下以四元调制模式和三元调制模式运作所得到的总谐波失真和噪声(THD+N)分布图。如图1所示，在比较小的输出功率下，D类放大器运作于四元调制模式和三元调制模式所得到的总谐波失真和噪声是很接近的。然而，在比较大的输出功率下，D类放大器运作于四元调制模式所得到的总谐波失真和噪声会小于其运作于三元调制模式下。此外，在比较小的输出功率下，D类放大器运作于三元调制模式会有较低的闲置电流。在总谐波失真和噪声以及闲置电流的考虑下，本发明中的音频放大器在比较小的输出功率下会运作于三元调制模式，而在比较大的输出功率下会运作于四元调制模式。

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、该调制选择电路201、一输出级230、两回授电阻R1和R2和两滤波器261和262。该调制选择电路201用以产生一四元调制信号和一三元调制信号，并且在调制模式决定后输出该四元调制信号和该三元调制信号的其中一者至该输出级230。该输出级230产生输出信号OUTp和OUTn至该等滤波器261和262。

图3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310、一检测电路320和一选择电路330。该信号产生电路310包含多个比较器311、312和313以及一三元调制信号产生电路314。该等比较器311和312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该四元调制信号，其中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。该比较器313用以比较该积分器220的输出信号的其中一者和一共享电压VCM。在一实施例中，该共享电压VCM设定为该电源电压的一半(0.5×VDD)，但本发明不以此为限。该比较器313的输出端耦接至一节点N1。

该三元调制信号产生电路314用以根据正四元调制信号QP和该负四元调制信号QN以产生该三元调制信号，其中该三元调制信号包含一正三元调制信号TP和一负三元调制信号TN。在本发明一实施例中，该三元调制信号产生电路314包含一XOR门(异或门)3141、一AND门(与门)3142、一反相器3143、和一NOR门(或非门)3144。该XOR门3141的输入端接收该正四元调制信号QP和该负四元调制信号QN，且其输出端耦接至一节点N2。该AND门3142接收来自节点N1和N2的信号以产生该正三元调制信号TP。该反相器3143的一输入端耦接至该节点N2。该NOR门3144接收来自节点N1的信号和该反相器3143的输出信号以产生该负三元调制信号TN。

该检测电路320用以接收该正三元调制信号TP和该负三元调制信号TN，藉以产生一模式选择信号SEL。该选择电路330包含两多任务器(MUX)331和332。该多任务器331的一输入端S接收该正四元调制信号QP、一反相输入端S/接收该正三元调制信号TP且一选择端Sel接收该模式选择信号SEL。该多任务器332的一输入端S接收该负四元调制信号QN、一反相输入端S/接收该负三元调制信号TN且一选择端Sel接收该模式选择信号SEL。此外，该等多任务器4901和4902的输出端耦接至图2中的该音频放大器200的该输出级230。

图4显示结合本发明一实施例的该检测电路320的电路图。如图4所示，该检测电路320包含多个计数电路321和322、一脉波遗失检测电路323、一重置电路324、一输出电路325和一零电平检测电路326。该计数电路321包含一计数器3211、一锁存电路3212和一反相器3213。在本实施例中，该计数器3211和该锁存电路3212由D型触发器(D flip-flop)所组成，但本发明不应以此为限。

该反相器3213的输入端接收该负三元调制信号TN。该计数器3211的输入端接收该正三元调制信号TP，而其重置端接收该反相器3213的输出信号。操作时当该放大器200的输出信号为大功率信号时(此时输入信号的电压振幅大)，该正三元调制信号TP和该负三元调制信号TN的其中一者会有高密度的脉波数，而另一者则无脉波产生。在本实施例中，当该正三元调制信号TP的脉波数由该计数器3211计数累积达特定次数(例如，两次)且当该负三元调制信号TN由该计数器3211计数一直无脉波产生时，表示该放大器200的输出信号为大功率信号，故该计数器3211的输出端输出高电平信号，亦即，该计数信号TP2输出逻辑1电平。该锁存电路3212的输入端连接至该电源电压，且其频率输入端接收该计数信号TP2。当该计数信号TP2的一升缘由该锁存电路3212所检测时，具有逻辑1电平的信号TNL会由该锁存电路3212所产生，其指示未有负三元调制信号TN的脉波被检测到。换言之，负三元调制信号TN有脉波遗失现象。

该计数电路322包含一计数器3221、一锁存电路3222和一反相器3223。在本实施例中，该计数器3221和该锁存电路3222由D型触发器所组成，但本发明不应以此为限。

该反相器3223的输入端接收该正三元调制信号TP。该计数器3221的输入端接收该负三元调制信号TN，而其重置端R/接收该反相器3223的输出信号。操作时当该放大器200的输出信号为大功率信号时，该正三元调制信号TP和该负三元调制信号TN的其中一者会有高密度的脉波数，而另一者则无脉波产生。在本实施例中，当该负三元调制信号TN的脉波数由该计数器3221计数累积达特定次数(例如，两次)且当该正三元调制信号TP由该计数器3221计数一直无脉波产生时，表示该放大器200的输出信号为大功率信号，故该计数器3221的输出端输出高电平信号，亦即，该计数信号TN2输出逻辑1电平。该锁存电路3222的输入端连接至该电源电压，且其频率输入端接收该计数信号TN2。当该计数信号TN2的一升缘由该锁存电路3222所检测时，具有逻辑1电平的信号TPL会由该锁存电路3222的输出端所产生，其指示未有正三元调制信号TP的脉波被检测到。换言之，正三元调制信号TP有脉波遗失现象。

该脉波遗失检测电路323包含一脉波遗失逻辑电路3231、一锁存电路3232和一零电平检测电路3233。在本实施例中，该锁存电路3232由D型触发器所组成，而该脉波遗失逻辑电路3231由一AND门所构成，但本发明不应以此为限。该脉波遗失逻辑电路3231用以根据该等信号TPL和TNL产生一脉波遗失信号P_Loss。该零电平检测电路3233用以检测在该放大器200的输入信号INp和的INn的电压电平为零电平时产生一零交越信号ZC。

该锁存电路3232的输入端接收该脉波遗失信号P_Loss，且其频率输入端连接至该零电平检测电路3233的一输出端。当该零交越信号ZC的一升缘由该锁存电路3232所检测时，表示该放大器200的输入信号INp和的INn的电压电平到达零电平，该脉波遗失信号P_Loss会作为一判断信号DET在该锁存电路3232的输出端输出。具体而言，当该等信号TPL和TNL都为逻辑1信号时，亦即，计数信号TP2和TN2的每一者具有逻辑1电平至少一次，该脉波遗失检测电路323检测到该等正三元调制信号TP和负三元调制信号TN都具有脉波遗失现象至少一次，该脉波遗失信号P_Loss会作为一判断信号DET输出逻辑1电平。

该零电平检测电路326包含一NOR门3261，其中该NOR门3261接收该正四元调制信号QP、该负四元调制信号QN、该正三元调制信号TP和该负三元调制信号TN，藉以产生一零电平穿越信号ZC2。该零电平穿越信号ZC2指示该正四元调制信号QP、该负四元调制信号QN、该正三元调制信号TP和该负三元调制信号TN全部为逻辑0电平。

该输出电路325包含一锁存电路3251。在本实施例中，该锁存电路3251由D型触发器所组成，但本发明不应以此为限。该锁存电路3251的输入端接收该判断信号DET，且其频率输入端接收该零电平穿越信号ZC2。当该零电平穿越信号ZC2的一升缘由该锁存电路3251所检测时，表示该正四元调制信号QP、该负四元调制信号QN、该正三元调制信号TP和该负三元调制信号TN全部为逻辑0电平，该判断信号DET会作为该模式选择信号SEL而输出。具体而言，当该脉波遗失检测电路323检测到该等正三元调制信号TP和负三元调制信号TN都具有脉波遗失现象至少一次，亦即，该放大器200的输入信号电压振幅大时，该判断信号DET会具有逻辑1电平而作为该模式选择信号SEL而输出。据此，该选择电路330选择和输出该四元调制信号(亦即该正四元调制信号QP和该负三元调制信号QN)至图2中的该输出级230。

该重置电路324包含一NOR门3241和一计数器3242。在本实施例中，该计数器3242由D型触发器所组成，但本发明不应以此为限。该NOR门3241接收该等计数信号TP2和TN2以产生一信号SIG。该计数器3242的一输入端接收该信号SIG。当该放大器200的输出信号为小功率信号时，该正三元调制信号TP和该负三元调制信号TN具有交错的脉波。此时，该等计数信号TP2和TN2输出逻辑0电平，且未具有脉波遗失现象。当该计数器3242因为该等计数信号TP2和TN2的逻辑0电平而接收到逻辑1电平的该信号SIG一段时间后(例如，1秒后)，该计数器3242产生一重置信号RESET1并输出至该等锁存电路3212、3222和3232。依此方式，该判断信号DET会作为该模式选择信号SEL而输出。据此，该选择电路330选择和输出该三元调制信号(亦即该正三元调制信号TP和该负三元调制信号TN)至该输出级230。

本发明中的音频放大器可以由三元调制模式进入四元调制模式，再由四元调制模式进入三元调制模式；也可以由四元调制模式进入三元调制模式，再由三元调制模式进入四元调制模式。举例来说，当该脉波遗失检测电路323检测到该等正三元调制信号TP和负三元调制信号TN都具有脉波遗失现象至少一次，表示该放大器200的输出信号为大功率信号。该判断信号DET会具有逻辑1电平而作为该模式选择信号SEL而输出。据此，该选择电路330选择和输出该四元调制信号(亦即该正四元调制信号QP和该负四元调制信号QN)至该输出级230。

图5显示图4所示的信号的一可能波形图。参照图5，该放大器200的输入信号(以差动方式呈现的信号INn和INp)在时间t1至t5有很大的电压振幅。在时间t2时，正三元调制信号TP的两个脉波已由该计数器3211计数，而该计数器3211并未计数到该负三元调制信号TN的任何脉波，故该计数信号TP2输出逻辑1电平。该计数信号TP2触发该锁存电路3212，而输出具有逻辑1电平的该信号TNL。

在时间t3时，该负三元调制信号TN的两个脉波已由该计数器3221计数，而该计数器3221并未计数到该正三元调制信号TP的任何脉波，故该计数信号TN2输出逻辑1电平。该计数信号TN2触发该锁存电路3222，而输出具有逻辑1电平的该信号TPL。藉由由一AND门实施的该脉波遗失逻辑电路3231，该脉波遗失信号P_Loss输出逻辑1电平。

在时间t4时，该零电平检测电路3233检测到该放大器200的输入信号的电压电平为零电平，并输出具有逻辑1电平的该零交越信号ZC。该脉波遗失信号P_Loss会作为该判断信号DET输出逻辑1电平。该判断信号DET接着作为该模式选择信号SEL而输出，该模式选择信号SEL指示该选择电路330选择和输出该四元调制信号在该零电平穿越信号ZC2指示该正四元调制信号QP、该负四元调制信号QN、该正三元调制信号TP和该负三元调制信号TN全部为逻辑0电平时。

在时间t5时，该放大器200的输出信号为小功率信号，且该等计数信号TP2和TN2输出逻辑0电平。藉由该NOR门3241的运作，该信号SIG输出逻辑1电平。在该计数器3242计数一段时间(例如，1Sec)后，在时间t6时，该重置信号RESET1输出以重置该等锁存电路3212、3222和3232，以使该等信号TNL、TPL、该脉波遗失信号P_Loss和该判断信号DET输出逻辑0电平。该判断信号DET接着作为该模式选择信号SEL而输出逻辑0电平，该模式选择信号SEL指示该选择电路330选择和输出该三元调制信号在该零电平穿越信号ZC2指示该正四元调制信号QP、该负四元调制信号QN、该正三元调制信号TP和该负三元调制信号TN全部为逻辑0电平时。

综上所述，本发明的D类放大器在比较大的输出功率下会运作于四元调制模式，在比较小的输出功率下会运作于三元调制模式。依此操作模式，当输出功率较小时，本发明的D类放大器会有较低的闲置电流；而当输出功率较大时，本发明的D类放大器会有较佳的总谐波失真和噪声

本发明的技术内容及技术特点已公开如上，然而本领域技术人员仍可能基于本发明之教示及公开而作各种不背离本发明精神之替换及修饰。因此，本发明之保护范围应不限于实施例所公开的内容，而应包括各种不背离本发明之替换及修饰，并为随后之权利要求所涵盖。

附图标记列表

200音频放大器

201调制选择电路

210增益级

220积分器

230输出级

261、262滤波器

310信号产生电路

311比较器

312比较器

313比较器

314三元调制信号产生电路

3141 XOR门

3142 AND门

3143反相器

3144 NOR门

320检测电路

321计数电路

3211计数器

3212锁存电路

3213反相器

322计数电路

3221计数器

3222锁存电路

3223反相器

323脉波遗失检测电路

3231脉波遗失逻辑电路

3232锁存电路

3233零电平检测电路

324重置电路

3241 NOR门

3242计数器

325输出电路

3251锁存电路

326零电平检测电路

3261 NOR门

330选择电路

331多任务器

332多任务器

R1、R2电阻

Claims (9)

1.一种音频放大器的调制选择电路，包括：

一信号产生电路，用以产生一三元调制信号和一四元调制信号；

一检测电路，耦接于该信号产生电路，该检测电路用以至少根据该三元调制信号以产生一模式选择信号；以及

一选择电路，耦接于该信号产生电路和该检测电路，该选择电路用以根据该模式选择信号选择输出该四元调制信号和该三元调制信号的其中一者至该音频放大器的一输出级。

2.根据权利要求1所述的调制选择电路，其中该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，该检测电路包括：

一第一计数电路，用以根据该正三元调制信号和该负三元调制信号以产生一第一计数信号，其中该第一计数信号在该正三元调制信号的脉波累积达一特定次数且当该负三元调制信号一直无脉波产生时输出一第一逻辑电平；

一第二计数电路，用以根据该正三元调制信号和该负三元调制信号以产生一第二计数信号，其中该第二计数信号在该负三元调制信号的脉波累积达一特定次数且当该正三元调制信号一直无脉波产生时输出一第二逻辑电平；

一脉波遗失检测电路，耦接于该第一计数电路和该第二计数电路，该脉波遗失检测电路用以至少根据该第一计数信号和该第二计数信号以产生一判断信号；以及

一输出电路，耦接于该脉波遗失检测电路，该输出电路用以至少根据该判断信号以产生该模式选择信号；

其中，当该判断信号指示该第一计数信号输出该第一逻辑电平至少一次和该第二计数信号输出该第二逻辑电平至少一次时，该模式选择信号指示该选择电路选择和输出该四元调制信号至该音频放大器的该输出级。

3.根据权利要求2所述的调制选择电路，其中该脉波遗失检测电路包括：

一脉波遗失逻辑电路，耦接于该第一计数电路和该第二计数电路，该脉波遗失逻辑电路用以根据该第一计数信号和该第二计数信号以产生一脉波遗失信号；

一零电平检测电路，用以检测在该音频放大器的一输入信号的电压电平为零电平时产生一零交越信号；以及

一锁存电路，耦接于该脉波遗失逻辑电路和该零电平检测电路，该锁存电路用以接收该脉波遗失信号和该零交越信号以在该零交越信号产生时输出该脉波遗失信号作为该判断信号而输出至该输出电路。

4.根据权利要求2所述的调制选择电路，其中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，该检测电路包括：

一零电平检测电路，用以根据该正四元调制信号、该负四元调制信号、该正三元调制信号和该负三元调制信号以产生一零电平指示信号；

其中，当该零电平指示信号指示该正四元调制信号、该负四元调制信号、该正三元调制信号和该负三元调制信号全部为逻辑0电平时，该输出电路输出该判断信号以作为该模式选择信号。

5.根据权利要求4所述的调制选择电路，其中该输出电路包括：

一锁存电路，用以接收该判断信号、该模式选择信号和一重置信号；

其中，当该重置信号具有一第三逻辑电平时，该锁存电路重置，该模式选择信号输出以指示该选择电路选择和输出该三元调制信号至该音频放大器的该输出级在当该零电平指示信号指示该零电平指示信号指示该正四元调制信号、该负四元调制信号、该正三元调制信号和该负三元调制信号全部为逻辑0电平时。

6.根据权利要求1所述的调制选择电路，其中该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，该检测电路包括：

一第一计数电路，用以根据该正三元调制信号和该负三元调制信号以产生一第一计数信号，其中该第一计数信号在该正三元调制信号的脉波累积达一特定次数且当该负三元调制信号一直无脉波产生时输出一第一逻辑电平；

一第二计数电路，用以根据该正三元调制信号和该负三元调制信号以产生一第二计数信号，其中该第二计数信号在该负三元调制信号的脉波累积达一特定次数且当该正三元调制信号一直无脉波产生时输出一第二逻辑电平；

一脉波遗失检测电路，耦接于该第一计数电路和该第二计数电路，该脉波遗失检测电路用以至少根据该第一计数信号和该第二计数信号以产生一判断信号；

一输出电路，耦接于该脉波遗失检测电路，该输出电路用以至少根据该判断信号以产生该模式选择信号；以及

一重置电路，耦接于该脉波遗失检测电路，该重置电路用以根据该正三元调制信号和该负三元调制信号以产生一重置信号至该脉波遗失检测电路；

其中，当该重置信号具有一第三逻辑电平时，该脉波遗失检测电路重置，且该判断信号指示该第一计数信号不具有第一逻辑电平和该第二计数信号不具有该第二逻辑电平输出至该输出级；和

当该判断信号指示该第一计数信号不具有第一逻辑电平和该第二计数信号不具有该第二逻辑电平被接收时，该模式选择信号指示该选择电路选择和输出该三元调制信号至该音频放大器的该输出级。

7.根据权利要求6所述的调制选择电路，其中当指示该第一计数信号不具有第一逻辑电平和该第二计数信号不具有该第二逻辑电平的一时间间隔到达一预定间隔时，该重置电路产生的该重置信号具有该第三逻辑电平。

8.根据权利要求6所述的调制选择电路，其中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，该检测电路包括：

一零电平检测电路，用以根据该正四元调制信号、该负四元调制信号、该正三元调制信号和该负三元调制信号以产生一零电平指示信号；

其中，当该零电平指示信号指示该正四元调制信号、该负四元调制信号、该正三元调制信号和该负三元调制信号全部为逻辑0电平时，该输出电路输出该判断信号以作为该模式选择信号。

9.根据权利要求8所述的调制选择电路，其中该输出电路包括：

一锁存电路，用以接收该判断信号、该模式选择信号和一重置信号；

其中，当该重置信号具有一第三逻辑电平时，该锁存电路重置，该模式选择信号输出以指示该选择电路选择和输出该三元调制信号至该音频放大器的该输出级在当该零电平指示信号指示该零电平指示信号指示该正四元调制信号、该负四元调制信号、该正三元调制信号和该负三元调制信号全部为逻辑0电平时。