CN111884609A - D类音频功放及用于其中的采样三角波产生电路 - Google Patents

D类音频功放及用于其中的采样三角波产生电路 Download PDF

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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电路，该采样三角波产生电路包括：充电电流源和放电电流源；用于输出采样三角波信号的三角波产生电容，三角波产生电容具有第一端，三角波产生电容的第一端连接放电电流源的接地端；PMOS开关，其可操作地连接三角波产生电容的第二端和充电电流源；NMOS开关，其可操作地连接三角波产生电容的第二端和放电电流源；振荡器，振荡器用于产生时钟信号并基于时钟信号驱动PMOS开关和NMOS开关。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电路，通过设计恒定电流源对电容进行充放电，因而输出的三角波波形线性度较好且较为稳定，有助于提高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，如图1所示，现有的D类音频功放多采用传统的RC电路产生采样三角波，其波形上升、下降的弧度过大，因而线性度较差，不利于提高CLASS D功放的THD性能。
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信号的线性度不佳因而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电路，其特点在于，所述采样三角波产生电路包括：
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；
振荡器，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。
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。
根据本发明的一些实施方式，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。
根据本发明的一些实施方式，所述第二电流镜包括多个NMOS管，所述NMOS管的栅极彼此连接。
根据本发明的一些实施方式，所述第一半周期和所述第二半周期分别对应所述时钟信号的负半周期和正半周期。
根据本发明的一些实施方式，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。
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电路。
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电路，通过设计恒定电流源对电容进行充放电，因而输出的三角波波形线性度较好且较为稳定，有助于提高D类音频功放的THD性能，在本发明的一些实施方式中，可提高D类音频功放的THD性能多达约5dB。
附图说明
图1为根据现有技术的一种RC电路形式的三角波产生电路的示意图。
图2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3为根据本发明优选实施方式的三角波产生电路的示意图。
图4为根据现有技术的RC电路形式的三角波产生电路的三角波波形示意图。
图5为根据本发明优选实施方式的三角波产生电路的三角波波形示意图。
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2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。三角波的线性度越好，则系统输出波形的THD性能越佳。传统的RC电路产生三角波，其波形上升、下降的弧度过大线性度差，不利于提高D类音频功率放大器的THD性能。
与之相比，如图3所示，根据本发明优选实施方式的用于D类音频功放中的采样三角波产生电路包括以下组成部分：
充电电流源(例如图3中的上部电路所示)和放电电流源(例如图3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3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3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3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；
振荡器(图3中未示出)，所述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3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3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。
以下结合图3所示的根据本发明的一些优选实施方式的具体示例对其中三角波产生电容的充放电电流的设置做举例说明如下。为便于理解，以下说明中将结合图3中的标示而将NMOS管N1、N2、N3分别简称为N1管、N2管、N3管，将PMOS管P1、P2分别简称为P1管、P2管。
在如图3所示的示例中，NMOS管N1管、N3管组成的电流镜将引入的一个放电电流源(标示为IBIAS)镜像成三角波产生电容的放电电流Idischarge。
其中，放电电流Idischarge可由下式(1)确定，
Figure BDA0002615219800000061
上述公式中，WN3为N3管的沟道宽度、LN3为N3管的沟道长度、MN3为N3管的并联个数、WN1为N1管的沟道宽度、LN1为N1管的沟道长度、MN1为N1管的并联个数。
相应地，三角波产生电容的充电电流Icharge可由下式(2)确定：
Figure BDA0002615219800000062
上述公式中，WN2为N2管的沟道宽度、LN2为N2管的沟道长度、MN2为N2管的并联个数、WN1为N1管的沟道宽度、LN1为N1管的沟道长度、MN1为N1管的并联个数、WP2为P2管的沟道宽度、LP2为P2管的沟道长度、MP2为P2管的并联个数、WP1为P1管的沟道宽度、LP1为P1管的沟道长度、MP1为P1管的并联个数。
当时钟信号CLK为高电平时，NMOS开关管开启，PMOS开关管关闭，三角波产生电容对地通路形成，三角波产生电容对地放电电流恒定为Idischarge。
当时钟信号CLK为低电平时，PMOS开关管开启，NMOS开关管关闭，三角波产生电容与电源VDD形成通路，VDD对三角波产生电容充电电流恒定为Icharge。
调节充电电流源和放电电流源中PMOS管、NMOS管的宽长比，改变Icharge与Idischarge大小，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。
电容电压与电流的关系可如下式(3)所定义：
Figure BDA0002615219800000071
上述公式中，Vt为电容在t时刻电压值、C为电容值、I为电容充电或放电电流、Vt0为电容在to时刻(即初始时刻)的电压大小。
如图4所示，对于传统的RC电路产生的三角波。在电容充电过程中，电容电压逐渐增加，电阻两端的电压不是一个定值，因而对电容充放电的电流不恒定，故输出的三角波波形会呈现出一定的弧度，线性度较差，如图4所示。
如图5所示，根据本发明的上述优选实施方式，通过设计恒定电流源对电容进行充放电，电容电压随时间线性增加或减小，因而有助于大大提高D类音频功放的输出信号的THD性能。
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 (9)

1.一种用于D类音频功放中的采样三角波产生电路，其特征在于，所述采样三角波产生电路包括：
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；
振荡器，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。
2.如权利要求1所述的采样三角波产生电路，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。
3.如权利要求2所述的采样三角波产生电路，其特征在于，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。
4.如权利要求3所述的采样三角波产生电路，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。
5.如权利要求4所述的采样三角波产生电路，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。
6.如权利要求5所述的采样三角波产生电路，其特征在于，所述第二电流镜包括多个NMOS管，所述NMOS管的栅极彼此连接。
7.如权利要求1所述的采样三角波产生电路，其特征在于，所述第一半周期和所述第二半周期分别对应所述时钟信号的负半周期和正半周期。
8.如权利要求6所述的采样三角波产生电路，其特征在于，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。
9.一种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1-8中任意一项所述的采样三角波产生电路。
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