CN111726091A - D类音频功放 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种D类音频功放，其包括：电荷泵装置，所述电荷泵装置被配置为能够接入所述供电电压并将所述供电电压增压至增压电压，并将所述增压电压输出至低压差线性稳压器的输入端；所述低压差线性稳压器，被配置为能够对经由其输入端接入的所述增压电压进行稳压操作以获得稳压输出电压，并将所述稳压输出电压提供给所述输出功率级。根据本发明的D类音频功放，能够在放大输出信号的同时有效降低或至少限制输出信号的噪声或信噪比，尤其有助于降低电荷泵纹波对系统输出造成的不利影响。

Description

D类音频功放
技术领域
本发明涉及CLASS D音频功率放大器(即D类音频功放)的功率输出部分，尤其涉及一种D类音频功放。
背景技术
随着近几年市场多媒体便携设备爆发式增长，音频功放已经成为音频部分的标准配置。其中，CLASS D功放以其高品质、高效的特点得到了越来越广泛的应用。
集成了电荷泵架构的CLASS D音频功率放大器，为内部功放电路提供高压电压轨，允许功放在锂电池电压范围内提供更大的输出动态范围，但电荷泵的引入也给系统输出带来了噪声，降低功放输出的信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)指标。
因此，亟需设计一种能够在提供更大的输出功率的同时控制或降低输出信号的噪声或信噪比的D类音频功放。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有的D类音频功放无法在放大输出信号的同时有效降低输出信号的噪声或信噪比的缺陷，提出一种新的D类音频功放。
本发明是通过采用下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供了一种D类音频功放，其包括供电电源、前级运放、积分器、PWM比较器、三角波振荡器、驱动电路和输出功率级，其中所述供电电源连接至所述三角波振荡器以为其提供供电电压，其特点在于，所述D类音频功放还包括：
电荷泵装置，所述电荷泵装置被配置为能够接入所述供电电压并将所述供电电压增压至增压电压，并将所述增压电压输出至低压差线性稳压器的输入端；
所述低压差线性稳压器(也称为low dropout regulator，或简称为LDO)，被配置为能够对经由其输入端接入的所述增压电压进行稳压操作以获得稳压输出电压，并将所述稳压输出电压提供给所述输出功率级。
根据本发明的一些实施方式，所述电荷泵装置包括电荷泵驱动模块、电荷泵、逻辑模块，所述逻辑模块被配置为控制所述电荷泵驱动模块驱动所述电荷泵工作以将所述供电电压增压至所述增压电压。
根据本发明的一些实施方式，所述电荷泵装置还包括OVP模块(即过压保护模块)、对地放电开关管及放电限流电阻；
其中，所述OVP模块的输入端接入第一基准电压和所述电荷泵的输出端的采样电压，输出端则连接所述逻辑模块和所述对地放电开关管的栅极。
根据本发明的一些实施方式，所述对地放电开关管的漏极经由所述放电限流电阻连接至所述电荷泵的输出端，所述对地放电开关管的接地。
根据本发明的一些实施方式，所述OVP模块被配置为能够在接入的所述采样电压小于所述第一基准电压时，控制所述电荷泵驱动模块驱动所述电荷泵工作，以及，在接入的所述采样电压大于或等于所述第一基准电压时，使得所述对地放电开关管的源极和漏极导通，从而所述电荷泵的输出端经由所述对地放电开关管和所述放电限流电阻对地放电。
根据本发明的一些实施方式，所述OVP模块具有滞回阈值。
根据本发明的一些实施方式，所述滞回阈值在30-100mV的范围内。
根据本发明的一些实施方式，所述低压差线性稳压器包括误差放大器和MOS管，其中，所述MOS管的源极和漏极分别用作所述低压差线性稳压器的输入端和输出端；
并且，所述误差放大器的输出端连接所述MOS管的栅极，所述误差放大器的第一输入端接入第二基准电压，第二输入端则经由分压反馈回路接入所述稳压输出电压。
根据本发明的一些实施方式，所述误差放大器被配置为能够根据所述第一输入端和所述第二输入端接入的电压的高低，调节所述MOS管的导通压降的大小，从而降低所述稳压输出电压的波动幅度。
根据本发明的一些实施方式，所述输出功率级包括输出功率器件或输出功率开关器件。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
根据本发明的D类音频功放，能够在放大输出信号的同时有效降低或至少限制输出信号的噪声或信噪比，尤其有助于降低电荷泵纹波对系统输出造成的不利影响。
附图说明
图1为根据本发明优选实施例的D类音频功放的总体框架示意图。
图2为根据本发明优选实施例的D类音频功放中的电荷泵装置的示意图。
图3为根据本发明优选实施例的D类音频功放所产生的电压纹波得示意图。
图4为根据本发明优选实施例的D类音频功放中的LDO的示意图。
图5为根据本发明优选实施例的D类音频功放的示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都将落入本发明的保护范围之中。
在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”等，参考附图中描述的方向使用。本发明各实施例中的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。
如图1所示，本发明所涉及的D类音频功放总体上包括前级运放、积分器、三角波振荡器、PWM比较器、驱动级(驱动电路)、输出功率级(输出功率器件)等部分。其中，前级运放对输入的音频信号进行放大，再通过积分器实现噪声整形，整形后的信号与三角波振荡器产生的固定频率的三角波通过PWM比较器进行比较，得到PWM信号。
经上述过程所得的PWM信号的占空比与输入信号的幅值成正比。当输入信号为0时，该信号的占空比为50％。PWM信号经过驱动电路后分别给出驱动输出级的开关功率管(诸如PMOS和NMOS开关功率管)的信号，输出有较强驱动能力的PWM信号。
最后，利用LC低通滤波器实现对音频信号的解调，驱动喇叭或者耳机，得到放大后的音频信号，这就是一般的模拟输入的D类音频功率放大器的工作原理。
与之相比，如图2-5所示，根据本发明优选实施方式的D类音频功放还包括电荷泵装置和低压差线性稳压器(即LDO)。
其中，所述电荷泵装置被配置为能够接入所述供电电压并将所述供电电压增压至增压电压，并将所述增压电压输出至低压差线性稳压器的输入端。所述低压差线性稳压器，被配置为能够对经由其输入端接入的所述增压电压进行稳压操作以获得稳压输出电压，并将所述稳压输出电压提供给所述输出功率级。
根据本发明的一些优选实施方式，如图2所示，所述电荷泵装置包括电荷泵驱动模块、电荷泵、逻辑模块，所述逻辑模块被配置为控制所述电荷泵驱动模块驱动所述电荷泵工作以将所述供电电压增压至所述增压电压。
其中，所述电荷泵装置还包括OVP模块、对地放电开关管及放电限流电阻；
其中，所述OVP模块的输入端接入第一基准电压和所述电荷泵的输出端的采样电压，输出端则连接所述逻辑模块和所述对地放电开关管的栅极。
根据本发明的一些优选实施方式，所述对地放电开关管的漏极经由所述放电限流电阻连接至所述电荷泵的输出端，所述对地放电开关管的接地。
根据本发明的一些优选实施方式，所述OVP模块被配置为能够在接入的所述采样电压小于所述第一基准电压时，控制所述电荷泵驱动模块驱动所述电荷泵工作，以及，在接入的所述采样电压大于或等于所述第一基准电压时，使得所述对地放电开关管的源极和漏极导通，从而所述电荷泵的输出端经由所述对地放电开关管和所述放电限流电阻对地放电。
根据本发明的一些优选实施方式，所述OVP模块具有滞回阈值。其中，所述滞回阈值在30-100mV的范围内。
如图4所示，根据本发明的一些优选实施方式，所述低压差线性稳压器包括误差放大器和MOS管，其中，所述MOS管的源极和漏极分别用作所述低压差线性稳压器的输入端和输出端；
并且，所述误差放大器的输出端连接所述MOS管的栅极，所述误差放大器的第一输入端接入第二基准电压，第二输入端则经由分压反馈回路接入所述稳压输出电压。
如图4所示，根据本发明的一些优选实施方式，所述误差放大器被配置为能够根据所述第一输入端和所述第二输入端接入的电压的高低，调节所述MOS管的导通压降的大小，从而降低所述稳压输出电压的波动幅度。
根据本发明的一些优选实施方式，所述输出功率级包括输出功率器件或输出功率开关器件。
如图2所示，为数字式电荷泵的原理图。电荷泵驱动模块受逻辑电路控制输出电荷泵驱动信号，控制1.5倍电荷泵为PVDD电容充电。OVP模块时刻监视PVDD电压大小，当采样的PVDD电压超过额定阈值，OVP的输出翻转，控制逻辑电路关闭电荷泵，并且打开PVDD对地通路的开关MOS管，PVDD经过限流电阻对地放电，PVDD电压下降。当PVDD电压低于额定阈值，OVP的输出继续翻转，控制逻辑电路开启电荷泵，并关闭PVDD对地通路的开关MOS管，PVDD电压开始上升。
以上即为数字式1.5倍电荷泵的基本原理。当PVDD电压过高，OVP的输出信号控制PVDD对地放电时，PVDD会迅速下降，直到OVP发生翻转为止。由此造成PVDD电压纹波过大，纹波大小由OVP比较器的滞回阈值决定，根据本发明的一些优选实施方式，OVP模块可采用50mV的迟滞。PVDD电压纹波见图3所示。
为了减小数字式电荷泵对CLASS D音频功放的输出造成的影响，本专利引入LDO来稳定输出级电压轨。
如图4所示，LDO的原理如下，电荷泵的输出电压PVDD作为LDO的输入。LDO的输出电压PVDD’经过反馈电阻分压到FB引脚。LDO中的误差放大器总是试图迫使其两端输入相等，当输出电压高于设定值时，LDO误差放大器会改变驱动电压，使得MOS管的导通压降增大，从而降低输出电压。当输出电压低于设定值时，LDO误差放大器会改变驱动电压，使得管子导通压降减小，从而提高输出电压。
如图5所示的经过LDO稳压后的系统电路图，LDO稳定后的CLASS D的输出级电压轨，其纹波大大降低，可以有效降低D类音频功放的输出噪声分量。
根据本发明上述实施方式的D类音频功放，能够在放大输出信号的同时有效降低或至少限制输出信号的噪声或信噪比，尤其有助于降低电荷泵纹波对系统输出造成的不利影响。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而且这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种D类音频功放，其包括供电电源、前级运放、积分器、PWM比较器、三角波振荡器、驱动电路和输出功率级，其中所述供电电源连接至所述三角波振荡器以为其提供供电电压，其特征在于，所述D类音频功放还包括：
电荷泵装置，所述电荷泵装置被配置为能够接入所述供电电压并将所述供电电压增压至增压电压，并将所述增压电压输出至低压差线性稳压器的输入端；
所述低压差线性稳压器，被配置为能够对经由其输入端接入的所述增压电压进行稳压操作以获得稳压输出电压，并将所述稳压输出电压提供给所述输出功率级。
2.如权利要求1所述的D类音频功放，其特征在于，所述电荷泵装置包括电荷泵驱动模块、电荷泵、逻辑模块，所述逻辑模块被配置为控制所述电荷泵驱动模块驱动所述电荷泵工作以将所述供电电压增压至所述增压电压。
3.如权利要求2所述的D类音频功放，其特征在于，所述电荷泵装置还包括OVP模块、对地放电开关管及放电限流电阻；
其中，所述OVP模块的输入端接入第一基准电压和所述电荷泵的输出端的采样电压，输出端则连接所述逻辑模块和所述对地放电开关管的栅极。
4.如权利要求3所述的D类音频功放，其特征在于，所述对地放电开关管的漏极经由所述放电限流电阻连接至所述电荷泵的输出端，所述对地放电开关管的接地。
5.如权利要求4所述的D类音频功放，其特征在于，所述OVP模块被配置为能够在接入的所述采样电压小于所述第一基准电压时，控制所述电荷泵驱动模块驱动所述电荷泵工作，以及，在接入的所述采样电压大于或等于所述第一基准电压时，使得所述对地放电开关管的源极和漏极导通，从而所述电荷泵的输出端经由所述对地放电开关管和所述放电限流电阻对地放电。
6.如权利要求5所述的D类音频功放，其特征在于，所述OVP模块具有滞回阈值。
7.如权利要求6所述的D类音频功放，其特征在于，所述滞回阈值在30-100mV的范围内。
8.如权利要求5所述的D类音频功放，其特征在于，所述低压差线性稳压器包括误差放大器和MOS管，其中，所述MOS管的源极和漏极分别用作所述低压差线性稳压器的输入端和输出端；
并且，所述误差放大器的输出端连接所述MOS管的栅极，所述误差放大器的第一输入端接入第二基准电压，第二输入端则经由分压反馈回路接入所述稳压输出电压。
9.如权利要求6所述的D类音频功放，其特征在于，所述误差放大器被配置为能够根据所述第一输入端和所述第二输入端接入的电压的高低，调节所述MOS管的导通压降的大小，从而降低所述稳压输出电压的波动幅度。
10.如权利要求1所述的D类音频功放，其特征在于，所述输出功率级包括输出功率器件或输出功率开关器件。
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