CN111756340B - 一种智能切换电源轨的丁类音频功放电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能切换电源轨的丁类音频功放电路，应用于丁类音频功放领域，包括第一电源，第二电源，放大器，监测器，脉冲波发生器，第一脉冲生成电路，电源切换构造电路，电源轨切换电路。本技术方案通过监测器监测放大器的输出电压并输出一控制信号；通过该控制信号控制脉冲波发生器发生的三角波波幅，并通过该控制信号控制电源切换构造电路生成一脉冲，最后结合控制信号和电源轨切换电路生成的脉冲控制电源轨切换电路在脉冲下降沿切换电源轨。使用该种控制电路方式能保护功放器件内和外围的电子元器件，且减少了音频失真，提升功放的功效。

Description

一种智能切换电源轨的丁类音频功放电路

技术领域

本发明涉及音频功放电路技术领域，尤其涉及一种智能切换电源轨的丁类音频功放电路。

背景技术

音频功放电路用于推动扬声器发声及重现声音，在发声电子产品中必不可少。音频功放主要作用在于放大音频信号的功率。常见的音频功放电路分为甲类、乙类、甲乙类和丁类，其中丁类功放电路的物理特点是效率高、损耗低体积小、产生热量小、失真极低，具有良好的线性效果；同时，具有双电源轨的丁类功放电路还具有更佳的输出范围。

但是双电源轨电路在工作过程中有一切换电源输入的动作，如果两个电源输入同时接入则会给功放电路中的器件带来损坏；同时在电源的切换过程中，三角波的频率也会发生变化，在电路中逐步影响随之带来音频信号失真，进而影响功放性能。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种智能切换的多电源轨丁类音频功放电路，具体技术方案如下所示：

一种智能切换的多电源轨丁类音频功放电路，包括：

一第一电压源，用于输出一第一电压源；

一第二电压源，用于输出一第二电压源；

一放大器，连接丁类音频功放电路的音频输入端，用于对输入的音频信号进行放大并输出一放大信号；

一监测器，连接放大器，用于对丁类音频功放电路进行实时工况监测，并输出一第一控制信号；

一脉冲波发生器，连接监测器，根据第一控制信号生成对应的三角波；

一第一脉冲生成电路，生成分别连接脉冲波发生器和放大器，根据三角波和放大信号生成一第一脉冲信号；

一电源切换构造电路,连接监测器，根据第一控制信号生成一第二脉冲信号；

一电源轨切换电路，分别连接监测器、第一脉冲生成电路和第二脉冲生成电路，根据第一控制信号、第一脉冲信号和第二脉冲信号输出一电源切换信号，第一电压源和第二电压源根据电源切换信号进行输出切换。

优选的，该种丁类音频功放电路，其中第一脉冲生成电路包括：

一积分器，用于根据放大信号输出一积分脉冲信号，

一比较器，连接积分器，用于对积分脉冲信号和三角波进行比较，并根据比较结果生成第一脉冲信号。

优选的，该种丁类音频功放电路，其中当比较结果为积分脉冲信号大于等于三角波时，比较器输出一脉冲信号；

当比较结果为积分脉冲信号小于三角波时，比较器输出一零信号。

优选的，该种丁类音频功放电路，其中监测器对丁类音频功放电路的待监测信号进行实时监测以实现实时工况监测；

待监测信号包括音频信号、积分脉冲信号、第一脉冲信号和电源切换信号。

优选的，该种丁类音频功放电路，其中脉冲波发生器发生的波形还可以包括矩形波、锯齿波、尖峰波和阶梯波。

优选的，该种丁类音频功放电路，其中三角波根据第一控制信号发生频率变化，三角波的波幅与第一电压源或第二电压源的电压幅值成正比。

优选的，该种丁类音频功放电路，其中丁类音频功放电路还包括一复合信号装置，设置于第一脉冲生成模块输出端，第二脉冲生成模块输出端和电源轨切换电路之间，用于汇总第一脉冲信号和第二脉冲信号并生成一复合信号。

优选的，该种丁类音频功放电路，其中当复合信号处于下降沿时，电源轨切换电路输出电源切换信号并控制第一电压源或第二电压源切换输出。

优选的，该种丁类音频功放电路，其中电源轨切换电路包括一第一PMOS管、一第二PMOS管、一NMOS管、一第一或门、一第二或门、一二极管、一D触发器和一电源输出端；

D触发器，分别连接复合信号装置和监测器，用于根据第一控制信号和复合信号生成电源切换信号；

二极管的阳极连接D触发器，二极管的阴极连接第一或门的第一输入端；

第一或门的第二输入端连接复合信号装置；

第二PMOS管的栅极连接第一或门的第一输出端，第二PMOS管的源级连接第二电压源，第二PMOS管的漏级连接电源输出端；

第二或门的第三输入端连接D触发器，第二或门的第四输入端连接复合信号装置；

第一PMOS管的栅极连接第二或门的第二输出端，第一PMOS管的源级连接第一电压源，第一PMOS管的漏级连接电源输出端；

NMOS管的栅极连接复合信号装置，NMOS管的漏级连接电源输出端，NMOS管的源级接地。

本技术方案具有如下优点或有益效果：

本技术方案通过监测输入信号幅度与各电源轨电压的关系，选择合适的信号间歇进行电源轨切换，并选择合适的时间节点进行调制信号切换；当检测到音频信号的变化时，对输出级电源轨的实时调整，以及在电源轨切换的同时对输出的三角波频率的改变，进而实现了在切换电源轨时不损伤功放系统的电子元器件，同时也避免因切换带来的输出信号失真，进而达到提升系统输出效率的目的。

附图说明

图1为本发明一实施例中的智能切换电源轨的丁类音频功放电路的电路示意图

图2为本发明一实施例中的智能切换电源轨的丁类音频功放电路的轨切换电路的电路示意图电源切换构造电路图

图3为本发明一实施例中的智能切换电源轨的丁类音频功放电路的电源切换构造电路图的电路示意图

图4为本发明一实施例中的智能切换电源轨的丁类音频功放电路的脉冲波发生器电路图

图5为本发明一实施例中的智能切换电源轨的丁类音频功放电路的三角波形图

图6为本发明一实施例中的智能切换电源轨的丁类音频功放电路的脉冲波图

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种智能切换的多电源轨丁类音频功放电路，应用于丁类功放电路领域，如图1所示，包括：

一第一电压源1，用于输出一第一电压源；

一第二电压源2，用于输出一第二电压源；两个电压源的电压不相同，用于给本电路提供可以选择的电源，该电路可以主动选择高电压或者低电压。

一放大器3，连接音频信号的输出；该放大器3是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器，输出的信号是将输入信号进行加，减或微分积分等数学运算的结果；在本电路中，用于对丁类音频功放电路的音频输入进行放大处理，并输出一放大信号，在本电路中是音频信号处理的第一个阶段。

一监测器4，连接放大器3的输出端；用于对丁类音频功放电路进行实时工况监测，并输出一第一控制信号P，具体通过监测放大信号的电压而产生第一控制信号P；该第一控制信号P在本电路中用于控制脉冲波发生器5，电源切换构造电路7和电源轨切换电路8。

一脉冲波发生器5，连接监测器4；该脉冲波发生器5汇总产生的三角波VR与电压源相比：幅度成正比、比例系数保持不变、中心电平保持不变，该三角波VR的频率用于做第一脉冲频率的基准；用于根据第一控制信号P生成对应的三角波VR。

在一种优选的实施方式中，该种丁类音频功放电路，其中脉冲波发生器5的电路如图4所示，误差放大器503、压控电流504以及电阻505所构成的V-I转换电路产生一个与输入电压Vd成正比的偏置电流，并将其镜像至电流镜506，507，510和511中。其中，输入电压Vd是电源轨的一个分压，输出驱动级电源轨为第一电压源时输入电压为其分压V1d；输出驱动级电源轨为第二电压源时输入电压为其分压V2d。需要特别注意的是两个电源轨的分压系数相同。

比较器515、517，与电流镜506、507，电阻508、509所构成的I-V转换电路，以及电流镜510、511，开关512、513以及电容514所构成的电容充放电电路，共同构成了传统结构的张弛振荡器。其中，VC确定了三角波VR的中心值，而该电压值与输入电压Vd无关；关于中间电平VC对称的三角波VR上、下门限电压VOH、VOL确定了三角波VR的最大及最小值，并且VOH、VOL的差值ΔV与输入电压Vd以及当前电源轨电压成正比；由于I-V转换电路的电流Ir与电容充放电电路的电流Ic成正比，所以三角波VR的频率与输入电压Vd无关，且仅与电阻508、509的阻值R，以及电容514的容值C相关。

三角波VR切换点选择电路由比较器516和时序控制电路518所构成，通过选择最佳的三角波VR切换时间点，显著地降低因切换导致的音频信号失真。

一第一脉冲生成电路6，分别连接脉冲波发生器5和放大器3；用于根据三角波VR和放大信号生成一第一脉冲信号；在本电路中是音频信号处理的第二个阶段。

一电源切换构造电路7,连接监测器4；用于根据第一控制信号P生成一第二脉冲信号；该第二脉冲信号在本电路中用于在低电压切换至高电压的切换周期内，且第一脉冲强度不足时，补充第一脉冲信号；该第二脉冲信号与第一脉冲信号叠加，叠加后的脉冲信号有足够的脉宽用于切换电压。

在一种优选的实施方式中，该种丁类音频功放电路，如图3所示，其中，由于Psyn是采用脉冲宽度调制信号第一控制信号P进行同步后的切换控制信号，故其上升沿与第一控制信号P上升沿几乎同时发生。正因如此，将VP与输入至输出驱动级的第一控制信号相或，可使驱动级PMOS管的控制信号一定满足电源轨切换的时长要求。

在一种优选的实施方式中，该种丁类音频功放电路，其中电源切换构造电路的脉冲波如图6所示，为了保证驱动级PMOS管切换的可靠性，在一驱动级PMOS管81完全断开之前，另一驱动级PMOS管82不能导通。而由于驱动管尺寸往往较大，因此，其导通或断开均需要一定时间。效仿通常的驱动级死区控制设计，图6中利用延迟器件92产生了一个Psyn的延迟信号Pdly，而两者异或所得的脉冲信号是满足电源轨切换所需时间长度的切换脉冲信号VP。

一电源轨切换电路8，分别连接监测器4、脉冲波发生器5和第一脉冲生成电路6；用于综合第一控制信号P、第一脉冲信号和第二脉冲信号输出的信号，切换第一电压源1和第二电压源2；在本电路通过复合后的第一脉冲信号、第二脉冲信号和第一控制信号P复合输出一电源切换信号，该信号控制电路连接上述两个电压源，但最多只能有一个电压源导通。

作为优选的实施方式，该种丁类音频功放电路，其中第一脉冲生成电路6包括：

一积分器61，连接放大器3，用于根据放大信号输出一积分脉冲信号；

一比较器62，连接积分器61，用于对积分脉冲信号和三角波VR进行比较，并根据比较结果生成第一脉冲信号；

在本发明的一较佳实施例中，本电路中积分器61和比较器62用于对音频信号和三角波VR信号进行积分和比较；用于保证三角波VR中心值不变，并且需要与音频信号通路上的积分器输出共模电平相同；使得丁类调制环路的开环增益、闭环特性保持不变，避免因调制频率的变化而导致信号失真。

作为优选的实施方式，该种丁类音频功放电路，其中比较器62比较的是积分脉冲信号和三角波VR；当比较结果为积分脉冲信号大于等于三角波VR时，比较器62输出一脉冲信号；当比较结果为积分脉冲信号小于三角波VR时，比较器62输出一零信号。具体的，音频的模拟信号在这里以三角波VR的周期为基础被截取为脉冲信号；三角波VR的周期越短则模拟信号对脉冲信号的转化的精度就越高。

作为优选的实施方式，该种丁类音频功放电路，其中监测器4对丁类音频功放电路的待监测信号进行实时监测以实现实时工况监测；用于实时判定当下的音频适合的电压源；本丁类音频功放电路中监测的信号是音频信号，也可以选择监测积分脉冲信号和第一脉冲信号或电源切换信号；这些信号都是通过处理的音频信号；可监测的信号包括但不限于电压、电流、功率、脉冲的一种或多种。

作为优选的实施方式，该种丁类音频功放电路，其中脉冲波发生器5发生的波形还可以包括但不限于矩形波、锯齿波、尖峰波、阶梯波和具有指数特性的三角波VR曲线；发生的波形的周期用于截取音频输入信号，用于进行一模拟信号到数字信号的转变。

作为优选的实施方式，该种丁类音频功放电路，其中三角波VR根据第一控制信号P发生频率变化，三角波VR的波幅与第一电压源或第二电压源的电压幅值成正比；本电路中，三角波VR中心值不变，用于保持该电路的开环增益和闭环特性，避免因环路特性改变而导致信号失真。

在一种优选的实施方式中，该种丁类音频功放电路，其中丁类音频功放电路还包括一复合信号装置91，设置于脉冲波发生器5输出端电源切换构造电路7输出端和电源轨切换电路8之间，用于汇总第一脉冲信号和第二脉冲信号并生成一复合信号。其中该复合信号装置91可以是一与或门或其他同等逻辑门。

在一种优选的实施方式中，该种丁类音频功放电路，其中当复合信号处于下降沿时，电源轨切换电路8输出电源切换信号并控制第一电压源1或第二电压源2切换输出；在实际电路中，在两个电压源间切换不存在任何时序关联，切换电压源不会造成音频功放内部或外围器件发生损坏或异常，但在切换周期内，音频信号的开环增益发生突变，导致输出信号偏离理想的输出幅度；该异常的开环增益很快恢复，但输出误差大，且该误差还会由反馈通路带入至闭环控制中，最终会导致多个周期的输出信号异常；该类输出幅度的异常在时域中表现为周期性的信号突跳，该周期性与电源轨切换相关联，在频域中表现为奇次谐波能量的增加；本电路中当第一脉冲信号和第二脉冲信号复合后，和第一控制信号P在电源轨切换电路中进行时序同步，用于保证电源切换发生在三角波VR切换后的1/4时钟周期内；该切换机制用于尽可能的降低对音频信号输出的影响。

在一种优选的实施方式中，该种丁类音频功放电路，如图2所示，其中电源轨切换电路8包括一第一PMOS管81、一第二PMOS管82、一NMOS管83、一第一或门84、一第二或门85、一二极管86、一D触发器87和一电源输出端88；

D触发器87，分别连接复合信号装置91和监测器4，用于根据第一控制信号P和复合信号生成电源切换信号；

二极管86的阳极连接D触发器87，二极管86的阴极连接第一或门84的第一输入端；用于保证电源切换信号仅流入两个PMOS管之一；

第一或门84的第二输入端连接复合信号装置91；第一或门84用于连接二极管86的输出和第一控制信号P；

第二PMOS管82的栅极连接第一或门84的第一输出端，第二PMOS管82的源级连接第二电压源，第二PMOS管82的漏级连接电源输出端；用于连接第一或门84，第二电压源2和电源输出端88；用于在第一或门84输入一信号时导通第二电压源2输出端；

第二或门85的第三输入端连接D触发器87，第二或门85的第四输入端连接复合信号装置91；第二或门85连接复合信号和第一控制信号P；用于控制第一PMOS管81的导通；

第一PMOS管81的栅极连接第二或门85的第二输出端，第一PMOS管81的源级连接第一电压源，第一PMOS管81的漏级连接电源输出端；用于连接第二或门85的输出端，第一电压源1和电源输出端88，电源输出端88处也连接NMOS管漏级83；用于在第二或门85输出一信号时导通第一电压源1输入端；

NMOS管83的栅极连接复合信号装置91，NMOS管83的漏级连接电源输出端88，NMOS管83的源级接地。

在一种优选的实施方式中，该种丁类音频功放电路，其中发生的脉冲如图5所示，其中P1是音频信号监测电路205所产生的电源轨切换控制信号P；P2利用该异步控制信号P进行三角波切换的VR波形；P3是利用输出驱动级同步控制信号Psyn进行三角波切换的VR波形；P4是本发明所提出的利用三角波自身信号进行同步的切换控制信号进行三角波切换的VR波形；P5是三角波和音频信号积分器输出的中间电平VC。

现提供一具体实施例对本技术方案进行进一步阐释和说明：

在该具体实施例中，使用本技术方案提供的智能切换电源轨的丁类音频功放电路：当音频信号输入到放大器3，监测器4未监测到放大器3输出端的适合切换的信号的时候，脉冲波发生器5发生的脉冲幅度不变，第一脉冲生成电路6正常工作，电源切换构造电路7不生成脉冲，电源轨切换电路8正常工作不进行电压源切换。

当音频信号输入到放大器3，放大器3将音频信号放大后输入到第一脉冲生成电路6中，当监测器4监测到放大器3输出端的电压信号变化时，生成一第一控制信号P，输送到脉冲波发生器5，脉冲波发生器5发生的三角波VR随之改变，同时第一信号输送到电源切换构造电路7中，该电路随之产生一脉冲，输入到复合信号装置91，同时第一控制信号P输入到电源轨切换电路8，电源轨切换电路8根据复合信号和第一控制信号P，在脉冲下降沿进行电源切换；切换的同时三角波VR的波幅也发生改变.

综上所示，本技术方案通过监测输入信号幅度与各电源轨电压的关系，选择合适的信号间歇进行电源轨切换，并选择合适的时间节点进行调制信号切换；当检测到音频信号的变化时，对输出级电源轨的实时调整，以及在电源轨切换的同时对输出的三角波频率的改变，进而实现了在切换电源轨时不损伤功放系统的电子元器件，同时也避免因切换带来的输出信号失真，进而达到提升系统输出效率的目的。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种智能切换电源轨的丁类音频功放电路，其特征在于，包括：

一第一电压源，用于输出一第一电压源；

一第二电压源，用于输出一第二电压源；

一放大器，连接所述丁类音频功放电路的音频输入端，用于对输入的音频信号进行放大并输出一放大信号；

一监测器，连接所述放大器，用于对所述丁类音频功放电路进行实时工况监测，并输出一第一控制信号；

一脉冲波发生器，连接所述监测器，根据所述第一控制信号生成对应的三角波；

一第一脉冲生成电路，生成分别连接所述脉冲波发生器和所述放大器，根据所述三角波和所述放大信号生成一第一脉冲信号；

一电源切换构造电路,连接监测器，根据所述第一控制信号生成一第二脉冲信号；

一电源轨切换电路，分别连接所述监测器、所述脉冲波发生器和所述第一脉冲生成电路，根据所述第一控制信号、所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号输出一电源切换信号，所述第一电压源和所述第二电压源根据所述电源切换信号进行输出切换；

所述丁类音频功放电路还包括一复合信号装置，设置于所述第一脉冲生成电路输出端，所述电源切换构造电路输出端和所述电源轨切换电路之间，用于汇总第一脉冲信号和第二脉冲信号并生成一复合信号；

所述电源轨切换电路包括一第一PMOS管、一第二PMOS管、一NMOS管、一第一或门、一第二或门、一二极管、一D触发器和一电源输出端；

所述D触发器，分别连接所述复合信号装置和所述监测器，用于根据所述第一控制信号和所述复合信号生成电源切换信号；

所述二极管的阳极连接所述D触发器，所述二极管的阴极连接所述第一或门的第一输入端；

所述第一或门的第二输入端连接所述复合信号装置；

所述第二PMOS管的栅极连接所述第一或门的第一输出端，所述第二PMOS管的源级连接所述第二电压源，所述第二PMOS管的漏级连接所述电源输出端；

所述第二或门的第三输入端连接所述D触发器，所述第二或门的第四输入端连接所述复合信号装置；

所述第一PMOS管的栅极连接所述第二或门的第二输出端，所述第一PMOS管的源级连接所述第一电压源，所述第一PMOS管的漏级连接所述电源输出端；

所述NMOS管的栅极连接所述复合信号装置，所述NMOS管的漏级连接所述电源输出端，所述NMOS管的源级接地。

2.如权利要求1所述丁类音频功放电路，其特征在于，所述第一脉冲生成电路包括：

一积分器，用于根据所述放大信号输出一积分脉冲信号，

一比较器，连接所述积分器，用于对所述积分脉冲信号和所述三角波进行比较，并根据比较结果生成所述第一脉冲信号。

3.如权利要求2所述智能切换电源轨的丁类音频功放电路，其中，当所述比较结果为所述积分脉冲信号大于等于所述三角波时，所述比较器输出所述第一脉冲信号；

当所述比较结果为所述积分脉冲信号小于所述三角波时，所述比较器输出一零信号。

4.如权利要求2所述丁类音频功放电路，其特征在于，所述监测器对所述丁类音频功放电路的待监测信号进行实时监测以实现实时工况监测；

所述待监测信号包括所述音频信号、所述积分脉冲信号、所述第一脉冲信号和所述电源切换信号。

5.如权利要求1所述丁类音频功放电路，其特征在于，所述脉冲波发生器发生的波形还包括矩形波、锯齿波、尖峰波和阶梯波。

6.如权利要求1所述丁类音频功放电路，其特征在于，所述三角波根据第一控制信号发生频率变化，所述三角波的波幅与所述第一电压源或所述第二电压源的电压幅值成正比。

7.如权利要求1所述智能切换电源轨的丁类音频功放电路，其中，当所述复合信号处于下降沿时，所述电源轨切换电路输出所述电源切换信号并控制所述第一电压源或所述第二电压源切换输出。