CN111884608A - D类音频功放及用于其中的采样三角波产生和滤波电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种D类音频功放及用于其中的采样三角波产生和滤波电路，D类音频功放包括PWM比较器，该采样三角波产生和滤波电路包括：振荡器，振荡器用于提供待输出至PWM比较器的采样三角波信号；三角波滤波电路，三角波滤波电路的输入端接入采样三角波信号、输出端接入PWM比较器的反向输入端，并且三角波滤波电路设置有截止频率，并被配置为能够基于截止频率对接入的采样三角波信号进行滤波。根据本发明的D类音频功放及用于其中的采样三角波产生和滤波电路，通过滤除采样三角波包含的高频噪声，有助于提高PWM比较器的采样精度，进而帮助提高D类音频功放的THD性能。

Description

D类音频功放及用于其中的采样三角波产生和滤波电路
技术领域
本发明涉及D类音频功放(也称为CLASS D音频功率放大器或数字音频功率放大器)中的PWM(脉冲宽度调制)模块，尤其涉及其中用于输入采样用三角波信号的产生和滤波电路。
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。
CLASS D音频功放中的PWM系统将音频信号与三角波比较，音频信号被转换成一串脉冲波。脉冲波的占空比则反映了音频信号的幅度。使用合适的三角波进行采样可以有效提高CLASS D音频功放的总谐波失真(即THD，全称Total Harmonic Distortion)指标。
然而，本发明的发明人研究后发现，在很多现有技术的D类音频功放中，采样三角波所包含的高频噪声分量是使得系统的总谐波失真指标或性能变差甚至显著地变差的重要因素之一。
因此，亟需设计一种有助于提高D类音频功放的THD性能的D类音频功放及用于其中的采样三角波产生和滤波电路。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有的D类音频功放因采样三角波所包含的高频噪声分量而导致PWM比较器采样精度不佳，进而造成D类音频功放的THD性能不佳的缺陷，提出一种D类音频功放及用于其中的采样三角波产生和滤波电路。
本发明是通过采用下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供了一种用于D类音频功放中的采样三角波产生和滤波电路，所述D类音频功放包括PWM比较器，其特点在于，所述采样三角波产生和滤波电路包括：
振荡器，所述振荡器用于提供待输出至所述PWM比较器的采样三角波信号；
三角波滤波电路，所述三角波滤波电路的输入端接入所述采样三角波信号、输出端接入所述PWM比较器的反向输入端，并且所述三角波滤波电路设置有截止频率，并被配置为能够基于所述截止频率对接入的所述采样三角波信号进行滤波。
根据本发明的一些实施方式，所述三角波滤波电路采用RC滤波电路，所述RC滤波电路包括滤波电阻和滤波电容。
根据本发明的一些实施方式，所述截止频率被设置在300MHz-1000MHz的范围内。
根据本发明的一些实施方式，所述采样三角波产生和滤波电路还包括：
充电电流源和放电电流源，所述充电电流源具有供电电源端，所述放电电流源具有接地端；
用于输出所述采样三角波信号的三角波产生电容，所述三角波产生电容具有第一端，所述三角波产生电容的所述第一端连接所述放电电流源的所述接地端；
PMOS开关，所述PMOS开关可操作地连接所述三角波产生电容的第二端和所述充电电流源；
NMOS开关，所述NMOS开关可操作地连接所述三角波产生电容的所述第二端和所述放电电流源；
其中，所述振荡器用于产生时钟信号并基于所述时钟信号驱动所述PMOS开关和所述NMOS开关，从而使得在所述时钟信号的第一半周期，所述PMOS开关断开而所述NMOS开关导通，在所述时钟信号的第二半周期，所述PMOS开关导通而所述NMOS开关断开；
其中，所述三角波滤波电路的输入端连接至所述三角波产生电容的所述第二端。
根据本发明的一些实施方式，所述充电电流源的所述供电电源端接入恒定的电源电压；
所述充电电流源包括第一电流镜，所述第一电流镜被构造为能够将所述电源电压转换成用于为所述三角波产生电容充电的恒定的充电电流。
根据本发明的一些实施方式，所述放电电流源包括第二电流镜，所述第二电流镜被构造为能够在所述NMOS开关导通时使得所述三角波产生电容经所述第二电流镜以恒定的放电电流放电。
根据本发明的一些实施方式，所述第一电流镜包括多个PMOS管，所述PMOS管的栅极彼此连接；
所述第二电流镜包括多个NMOS管，所述NMOS管的栅极彼此连接。
本发明还提供了一种D类音频功放，其包括如上所述的采样三角波产生和滤波电路。
根据本发明的一些实施方式，所述D类音频功放还包括前级运放、积分器、PWM比较器、驱动电路和功率输出级；
其中，所述前级运放的输出端与输入端间连接有反馈电阻，并且所述前级运放的输入端用于接收模拟音频信号，所述模拟音频信号的信号频率在20Hz-20kHz的范围内。
所述积分器输入端连接积分器输入电阻及输出反馈信号，积分器输出端与积分器输入端连接电阻电容网络构成二阶积分器，积分器输出连接PWM比较器正向输入端。
根据本发明的一些实施方式，所述采样三角波信号的信号频率至少为所述模拟音频信号的信号频率的10倍。
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类音频功放及用于其中的采样三角波产生和滤波电路，通过滤除采样三角波包含的高频噪声，有助于提高PWM比较器的采样精度，进而帮助提高D类音频功放的THD性能。
附图说明
图1为根据本发明优选实施方式的D类音频功放的系统原理示意图。
图2为根据本发明优选实施方式的用于D类音频功放中的三角波产生电路的示意图。
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。其中，固定频率的三角波为采样时钟，其频率可选地为至少该音频信号的10倍。
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。
其中，采样用的三角波信号可直接影响输出音频信号的质量。采样三角波包含的高频杂波在与音频信号比较时，会造成采样不准，增加采样误差，不利于提高D类音频功放的THD性能。
与之相比，如图2所示，根据本发明的一些优选实施方式的用于D类音频功放中的采样三角波产生和滤波电路包括振荡器和三角波滤波电路。
其中，所述振荡器用于提供待输出至所述PWM比较器的采样三角波信号，所述三角波滤波电路的输入端接入所述采样三角波信号、输出端接入所述PWM比较器的反向输入端，并且所述三角波滤波电路设置有截止频率，并被配置为能够基于所述截止频率对接入的所述采样三角波信号进行滤波。
具体地，如图2所示，所述三角波滤波电路可采用RC滤波电路，所述RC滤波电路包括滤波电阻和滤波电容，该滤波电路的截止频率可例如被设置在300MHz-1000MHz的范围内，诸如500MHz。
利用经过滤波后的三角波作为采样信号，在不影响三角波波形情况下，可最大限度或者在相当程度上降低波形中的噪声分量，提高PWM比较器采样的准确性，进而帮助提高D类音频功放的输出信号的THD性能。
其中，该RC滤波电路的截止频率f和滤波电阻的阻值R及滤波电容的容值C的关系如下式(1)所示，
Figure BDA0002615029630000051
据此，可根据期望的截止频率，选择或调整该RC滤波电路中的滤波电阻及滤波电容。
如图2所示，根据本发明的一些进一步优选的实施方式，该采样三角波产生和滤波电路还可包括以下部分：
充电电流源(例如图2中的上部电路所示)和放电电流源(例如图2中的下部电路所示)，所述充电电流源具有供电电源端，所述放电电流源具有接地端；
用于输出采样三角波信号(图2中标示为STW)的三角波产生电容，所述三角波产生电容具有第一端(即图2中右下角的电容的下端)，所述三角波产生电容的所述第一端连接所述放电电流源的所述接地端；
PMOS开关，所述PMOS开关可操作地连接所述三角波产生电容的第二端(即图2中电容的上端)和所述充电电流源；
NMOS开关，所述NMOS开关可操作地连接所述三角波产生电容的所述第二端和所述放电电流源。
并且其中，振荡器用于产生时钟信号CLK并基于所述时钟信号驱动所述PMOS开关和所述NMOS开关，从而使得在所述时钟信号的第一半周期，所述PMOS开关断开而所述NMOS开关导通，在所述时钟信号的第二半周期，所述PMOS开关导通而所述NMOS开关断开。
其中，所述第一半周期和所述第二半周期可分别对应所述时钟信号的负半周期和正半周期。换言之，根据本发明的上述实施方式的电路构造，在时钟信号CLK的正半周期开启所述NMOS开关、关闭所述PMOS开关，允许所述放电电流源为三角波产生电容放电，在时钟信号CLK的负半周期开启所述PMOS开关、关闭所述NMOS开关，允许所述充电电流源为三角波产生电容充电。
根据本发明的一些优选实施方式，所述充电电流源的所述供电电源端接入恒定的电源电压VDD。其中，所述充电电流源包括第一电流镜，所述第一电流镜被构造为能够将所述电源电压转换成用于为所述三角波产生电容充电的恒定的充电电流。
其中，所述第一电流镜可包括多个PMOS管(例如图2所示的P1和P2)，所述PMOS管的栅极彼此连接。
根据本发明的一些优选实施方式，所述放电电流源包括第二电流镜，所述第二电流镜被构造为能够在所述NMOS开关导通时使得所述三角波产生电容经所述第二电流镜以恒定的放电电流放电。
其中，所述第二电流镜包括多个NMOS管(例如图2所示的N1、N2和N3)，所述NMOS管的栅极彼此连接。
根据本发明的一些优选实施方式，所述PMOS管和所述NMOS管的宽长比被设置成，使得所述充电电流和所述放电电流的电流值对应，进而使得使三角波信号始终位于电源轨中心位置，作为积分器输出的采样信号。
通过上述优选实施方式，可通过利用恒定电流对三角波产生电容进行充放电，使得三角波产生电容的电压随时间线性增加或减小，以进一步提高D类音频功放的输出信号的THD性能。
所述前级运放的输出端与输入端间连接有反馈电阻，并且所述前级运放的输入端用于接收模拟音频信号，所述模拟音频信号的信号频率在20Hz-20kHz的范围内。
根据本发明的一些进一步优选的实施方式，如图1所示，在该D类音频功放中，所述积分器的输入端连接积分器输入电阻及输出反馈信号，积分器的输出端与积分器的输入端间连接有电阻电容网络从而构成二阶积分器，积分器的输出则连接PWM比较器的正向输入端。
优选地，所述前级运放的输出端与输入端间连接有反馈电阻，并且所述前级运放的输入端用于接收模拟音频信号，所述模拟音频信号的信号频率在20Hz-20kHz的范围内。
优选地，所述采样三角波信号的信号频率至少为所述模拟音频信号的信号频率的10倍。
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)

1.一种用于D类音频功放中的采样三角波产生和滤波电路，所述D类音频功放包括PWM比较器，其特征在于，所述采样三角波产生和滤波电路包括：
振荡器，所述振荡器用于提供待输出至所述PWM比较器的采样三角波信号；
三角波滤波电路，所述三角波滤波电路的输入端接入所述采样三角波信号、输出端接入所述PWM比较器的反向输入端，并且所述三角波滤波电路设置有截止频率，并被配置为能够基于所述截止频率对接入的所述采样三角波信号进行滤波。
2.如权利要求1所述的采样三角波产生和滤波电路，其特征在于，所述三角波滤波电路采用RC滤波电路，所述RC滤波电路包括滤波电阻和滤波电容。
3.如权利要求2所述的采样三角波产生和滤波电路，其特征在于，所述截止频率被设置在300MHz-1000MHz的范围内。
4.如权利要求1所述的采样三角波产生和滤波电路，其特征在于，所述采样三角波产生和滤波电路还包括：
充电电流源和放电电流源，所述充电电流源具有供电电源端，所述放电电流源具有接地端；
用于输出所述采样三角波信号的三角波产生电容，所述三角波产生电容具有第一端，所述三角波产生电容的所述第一端连接所述放电电流源的所述接地端；
PMOS开关，所述PMOS开关可操作地连接所述三角波产生电容的第二端和所述充电电流源；
NMOS开关，所述NMOS开关可操作地连接所述三角波产生电容的所述第二端和所述放电电流源；
其中，所述振荡器用于产生时钟信号并基于所述时钟信号驱动所述PMOS开关和所述NMOS开关，从而使得在所述时钟信号的第一半周期，所述PMOS开关断开而所述NMOS开关导通，在所述时钟信号的第二半周期，所述PMOS开关导通而所述NMOS开关断开；
其中，所述三角波滤波电路的输入端连接至所述三角波产生电容的所述第二端。
5.如权利要求4所述的采样三角波产生和滤波电路，其特征在于，所述充电电流源的所述供电电源端接入恒定的电源电压；
所述充电电流源包括第一电流镜，所述第一电流镜被构造为能够将所述电源电压转换成用于为所述三角波产生电容充电的恒定的充电电流。
6.如权利要求5所述的采样三角波产生和滤波电路，其特征在于，所述放电电流源包括第二电流镜，所述第二电流镜被构造为能够在所述NMOS开关导通时使得所述三角波产生电容经所述第二电流镜以恒定的放电电流放电。
7.如权利要求6所述的采样三角波产生和滤波电路，其特征在于，所述第一电流镜包括多个PMOS管，所述PMOS管的栅极彼此连接；
所述第二电流镜包括多个NMOS管，所述NMOS管的栅极彼此连接。
8.一种D类音频功放，其特征在于，所述D类音频功放包括如权利要求1-7中任意一项所述的采样三角波产生和滤波电路。
9.如权利要求8所述的D类音频功放，其特征在于，所述D类音频功放还包括前级运放、积分器、PWM比较器、驱动电路和功率输出级；
其中，所述前级运放的输出端与输入端间连接有反馈电阻，并且所述前级运放的输入端用于接收模拟音频信号，所述模拟音频信号的信号频率在20Hz-20kHz的范围内。
10.如权利要求9所述的D类音频功放，其特征在于，所述采样三角波信号的信号频率至少为所述模拟音频信号的信号频率的10倍。
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