CN112910431A

CN112910431A - 基于单电源的具有电源轨跟踪特性的音频限幅电路及设备

Info

Publication number: CN112910431A
Application number: CN202110076893.8A
Authority: CN
Inventors: 魏路军
Original assignee: SICHUAN HUSHAN ELECTRICAL APPLIANCE CO LTD
Current assignee: SICHUAN HUSHAN ELECTRICAL APPLIANCE CO LTD
Priority date: 2021-01-20
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2021-06-04
Anticipated expiration: 2041-01-20
Also published as: CN112910431B

Abstract

本发明公开了基于单电源的具有电源轨跟踪特性的音频限幅电路及设备，涉及电子技术领域，其技术方案要点是：包括限幅门限计算电路、窗口电压比较器、光耦、音频放大器；限幅门限计算电路，用于检测电源电压和输出运放供电电源的中点电压，并根据电源电压、中点电压计算窗口电压比较器的高门限电压和低门限电压；窗口电压比较器，用于检测音频放大器的输出信号是否超出低门限电压与高门限电压之间的电压区间；音频放大器，用于对中点电压进行分压处理后获得中点参考电压，并对音频输入信号进行运算处理后传输至功率放大器。本发明能够实现电源轨跟踪，并能够适用于单电源供电场景的限幅电路，保证音频功率放大器在电源电压波动的情况下依然不削峰。

Description

基于单电源的具有电源轨跟踪特性的音频限幅电路及设备

技术领域

本发明涉及电子技术领域，更具体地说，它涉及基于单电源的具有电源轨跟踪特性的音频限幅电路及设备。

背景技术

音频功率放大器为了避免大信号输入时输出削峰损坏扬声器单元，一般需要设置防止输出削峰的限幅电路。

目前，常用方案主要有：(1)利用全桥整流器检测输出信号，利用检测到的信号驱动光耦控制运算放大器的增益实现限幅，该方案明显的缺陷是限幅值精度差，受二极管本身的非线性和温度系数的影响，导致输出幅度难以精确设置，且离散型较大，另一个缺点无法实现电源轨跟踪，在电源电压较低时依然会出现输出削峰的问题，也不便于单电源应用场景；(2) 使用DSP的数字压限算法实现，该方案虽然精度高，但成本也很高，需要设计专门的算法，开发难度较大，难以普及和通用；目前市面上虽然已经有人提出电压自适应压缩装置，但该方案依然是使用二极管设置限幅门限，同样具有上面提到的精度差、不便使用单电源供电的问题。因此，如何研究设计一种基于单电源的具有电源轨跟踪特性的音频限幅电路及设备是我们目前急需解决的问题。

发明内容

为解决现有技术中音频限幅电路存在成本高、难度大、精度差、不便使用单电源供电，以及无法实现电源轨跟踪，电压波动较大时功放输出依然会出现削峰的问题，本发明的目的是提供基于单电源的具有电源轨跟踪特性的音频限幅电路及设备。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

第一方面，提供了基于单电源的具有电源轨跟踪特性的音频限幅电路，包括限幅门限计算电路、窗口电压比较器、光耦、音频放大器；其中：

限幅门限计算电路，用于检测电源电压实现限幅门限跟踪电源电压，并对电源电压进行分压处理后输出运放供电电源的中点电压，以及根据电源电压、中点电压计算得到窗口电压比较器的高门限电压和低门限电压；

窗口电压比较器，用于检测音频放大器的输出信号是否超出低门限电压与高门限电压之间的电压区间；若超出，则窗口电压比较器输出低电平以产生电流流过光耦的发光二极管，通过降低光耦中线性电阻的阻值以使音频放大器的增益降低；若未超出，则窗口电压比较器输出高电平以使音频放大器的增益恢复正常。

音频放大器，用于对中点电压进行分压处理后获得中点参考电压，并对音频输入信号进行运算处理后传输至功率放大器。

进一步的，所述限幅门限计算电路包括运算放大器U1A、运算放大器U1B、运算放大器 U1C、运算放大器U1D以及外围被动元件组成；

运算放大器U1A为电压缓冲器，电阻R4、R5、R6构成第一分压器，第一分压器的输入端连接功放供电电源PVCC，输出端连接运算放大器U1A的第3脚；

运算放大器U1B为电压缓冲器，电阻R11、R13构成第二分压器，第二分压器的输入端连接运放供电电源VA；

运算放大器U1C为加法器，运算放大器U1C的同相输入端通过电阻R3连接运算放大器 U1A的输出端，以及通过电阻R7连接运算放大器U1B的输出端；

运算放大器U1D为减法器，运算放大器U1D的同相输入端通过电阻R10连接运算放大器 U1B的输出端，以及反向输入端通过电阻R8连接运算放大器U1A的输出端。

进一步的，所述窗口电压比较器由电压比较器U3A、电压比较器U3B组成；

电压比较器U3A的同相输入端连接限幅门限计算电路输出的高门限电压VREF_HI，电压比较器U3B的反相输入端连接限幅门限计算电路输出的低门限电压VREF_LO；

电压比较器U3A的反相输入端与电压比较器U3B的同相输入端相连接，并通过电阻R19 连接音频放大器的输出端SIG_OUT；

电压比较器U3A输出端与电压比较器U3B的输出端连接，并通过电阻R18连接光耦U4 的发光二极管的负极，光耦U4的发光二极管的正极、电压比较器均与运放供电电源VA连接。

进一步的，所述音频放大器包括由运算放大器U2A及外围被动元件组成；

运算放大器U2A的反相输入端通过电阻R16与音频输入信号SIG_IN连接，音频放大器输出SIG_OUT连接功率放大器PA；

运算放大器U2A的输出端和反相输入端通过电阻R17连接，同时电阻R17与光耦U4的光敏电阻并联；

运算放大器U2A的同相输入端通过电阻R14、R15组成的第三分压器连接运放供电电源 VA。

进一步的，所述低门限电压的计算具体为：

进一步的，所述高门限电压的计算具体为：

进一步的，所述功率放大器的调制度M具体为：

定义功率放大器的增益为Apa，功率放大器输出信号峰峰值与功率放大器供电电压PVCC 的比值为功率放大器的调制度M，具体计算为：

进一步的，所述音频放大器U2A的输出信号峰经窗口电压比较器和光耦压缩后的峰值控制为：

进一步的，所述功率放大器最终的输出电压峰峰值为：

第二方面，提供了一种电子设备，包括第一方面任意一项所述的基于单电源的具有电源轨跟踪特性的音频限幅电路。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明能够实现电源轨跟踪，并能够适用于单电源供电场景的限幅电路，保证音频功率放大器在电源电压波动的情况下依然不削峰；

2、本发明的音频放大器输出信号峰峰值将被准确的限制在[VREF_LO，VREF_HI]区间内，可以精确的设置压缩门限，有效避免传统技术方案压缩门限不精确、难以调试的情况发生；

3、保证功率放大器调制度M不大于1，就可以保证功率放大器输出信号永远不超过电源电压，从而精确的实现压缩限幅功能，同时压缩门限跟踪电源电压，保证即使功率放大器电源电压存在较大波动，功率放大器输出信号也不会超过电源电压范围，从而实现输出无削峰的压缩功能；通常设置调制度为95％，可以得到较高的功率放大器电源利用率，同时获得很低的失真，且无论电源电压为多大，输出电压范围最大值都是电源电压的95％，实现压缩和电源轨跟踪。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例中限幅电路的工作原理图；

图2是本发明实施例中限幅门限计算电路的工作原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图1-2，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例：基于单电源的具有电源轨跟踪特性的音频限幅电路，如图1所示，包括限幅电路和限幅门限计算电路，限幅电路包括窗口电压比较器、光耦、音频放大器。其中，限幅门限计算电路，用于检测电源电压实现限幅门限跟踪电源电压，并对电源电压进行分压处理后输出运放供电电源的中点电压，以及根据电源电压、中点电压计算得到窗口电压比较器的高门限电压和低门限电压。窗口电压比较器，用于检测音频放大器的输出信号是否超出低门限电压与高门限电压之间的电压区间；若超出，则窗口电压比较器输出低电平以产生电流流过光耦的发光二极管，通过降低光耦中线性电阻的阻值以使音频放大器的增益降低；若未超出，则窗口电压比较器输出高电平以使音频放大器的增益恢复正常。音频放大器，用于对中点电压进行分压处理后获得中点参考电压，并对音频输入信号进行运算处理后传输至功率放大器。

如图2所示，限幅门限计算电路包括运算放大器U1A、运算放大器U1B、运算放大器U1C、运算放大器U1D以及外围被动元件组成。运算放大器U1A为电压缓冲器，电阻R4、R5、R6构成第一分压器，第一分压器的输入端连接功放供电电源PVCC，输出端连接运算放大器U1A的第3脚。运算放大器U1B为电压缓冲器，电阻R11、R13构成第二分压器，第二分压器的输入端连接运放供电电源VA。运算放大器U1C为加法器，运算放大器U1C的同相输入端通过电阻R3连接运算放大器U1A的输出端，以及通过电阻R7连接运算放大器U1B的输出端。运算放大器U1D为减法器，运算放大器U1D的同相输入端通过电阻R10连接运算放大器U1B 的输出端，以及反向输入端通过电阻R8连接运算放大器U1A的输出端。

如图1所示，窗口电压比较器由电压比较器U3A、电压比较器U3B组成。电压比较器U3A 的同相输入端连接限幅门限计算电路输出的高门限电压VREF_HI，电压比较器U3B的反相输入端连接限幅门限计算电路输出的低门限电压VREF_LO。电压比较器U3A的反相输入端与电压比较器U3B的同相输入端相连接，并通过电阻R19连接音频放大器的输出端SIG_OUT。电压比较器U3A输出端与电压比较器U3B的输出端连接，并通过电阻R18连接光耦U4的发光二极管的负极，光耦U4的发光二极管的正极、电压比较器均与运放供电电源VA连接。

如图1所示，音频放大器包括由运算放大器U2A及外围被动元件组成。运算放大器U2A 的反相输入端通过电阻R16与音频输入信号SIG_IN连接，音频放大器输出SIG_OUT连接功率放大器PA。运算放大器U2A的输出端和反相输入端通过电阻R17连接，同时电阻R17与光耦 U4的光敏电阻并联。运算放大器U2A的同相输入端通过电阻R14、R15组成的第三分压器连接运放供电电源VA。

低门限电压的计算具体为：

高门限电压的计算具体为：

当窗口电压比较器检测到的音频放大器输出信号SIG_OUT超出区间[VREF_LO，VREF_HI] 时，窗口电压比较器将输出低电平，此时将有电流流过光耦U4的发光二极管，从而降低光耦 U4中线性电阻的阻值，使音频放大器U2A增益降低。当窗口电压比较器检测到的音频放大器输出信号SIG_OUT不超出区间[VREF_LO，VREF_HI]时，窗口电压比较器将输出高电平，使音频放大器增益恢复正常。通过以上动态过程，音频放大器输出信号峰峰值将被准确的限制在 [VREF_LO，VREF_HI]区间内，可以通过方程

精确的设置压缩门限，本发明可以有效避免传统技术方案压缩门限不精确，难以调试的问题。

功率放大器的调制度M具体为：

音频放大器U2A的输出信号峰经窗口电压比较器和光耦压缩后的峰值控制为：

功率放大器最终的输出电压峰峰值为：

因此，只需要通过设置

的值，保证功率放大器调制度M不大于1，就可以保证功率放大器输出信号永远不超过电源电压，从而精确的实现压缩限幅功能，同时压缩门限跟踪电源电压，保证即使功率放大器电源电压存在较大波动，功率放大器输出信号也不会超过电源电压范围，从而实现输出无削峰的压缩功能；通常设置调制度为95％，可以得到较高的功率放大器电源利用率，同时获得很低的失真，且无论电源电压为多大，输出电压范围最大值都是电源电压的95％，实现压缩和电源轨跟踪。

假设功率放大器增益为10，只需要选择：R6为10K，R4为100K，R5为100K，就可以获得95％的功率放大器调制度，即保证功放输出电压永远在电源电压95％范围内。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.基于单电源的具有电源轨跟踪特性的音频限幅电路，其特征是，包括限幅门限计算电路、窗口电压比较器、光耦、音频放大器；其中：

2.根据权利要求1所述的基于单电源的具有电源轨跟踪特性的音频限幅电路，其特征是，所述限幅门限计算电路包括运算放大器U1A、运算放大器U1B、运算放大器U1C、运算放大器U1D以及外围被动元件组成；

运算放大器U1C为加法器，运算放大器U1C的同相输入端通过电阻R3连接运算放大器U1A的输出端，以及通过电阻R7连接运算放大器U1B的输出端；

运算放大器U1D为减法器，运算放大器U1D的同相输入端通过电阻R10连接运算放大器U1B的输出端，以及反向输入端通过电阻R8连接运算放大器U1A的输出端。

3.根据权利要求1所述的基于单电源的具有电源轨跟踪特性的音频限幅电路，其特征是，所述窗口电压比较器由电压比较器U3A、电压比较器U3B组成；

电压比较器U3A的反相输入端与电压比较器U3B的同相输入端相连接，并通过电阻R19连接音频放大器的输出端SIG_OUT；

电压比较器U3A输出端与电压比较器U3B的输出端连接，并通过电阻R18连接光耦U4的发光二极管的负极，光耦U4的发光二极管的正极、电压比较器均与运放供电电源VA连接。

4.根据权利要求1所述的基于单电源的具有电源轨跟踪特性的音频限幅电路，其特征是，所述音频放大器包括由运算放大器U2A及外围被动元件组成；

运算放大器U2A的同相输入端通过电阻R14、R15组成的第三分压器连接运放供电电源VA。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的基于单电源的具有电源轨跟踪特性的音频限幅电路，其特征是，所述低门限电压的计算具体为：

6.根据权利要求5所述的基于单电源的具有电源轨跟踪特性的音频限幅电路，其特征是，所述高门限电压的计算具体为：

7.根据权利要求6所述的基于单电源的具有电源轨跟踪特性的音频限幅电路，其特征是，所述功率放大器的调制度M具体为：

定义功率放大器的增益为Apa，功率放大器输出信号峰峰值与功率放大器供电电压PVCC的比值为功率放大器的调制度M，具体计算为：

8.根据权利要求7所述的基于单电源的具有电源轨跟踪特性的音频限幅电路，其特征是，所述音频放大器U2A的输出信号峰经窗口电压比较器和光耦压缩后的峰值控制为：

9.根据权利要求8所述的基于单电源的具有电源轨跟踪特性的音频限幅电路，其特征是，所述功率放大器最终的输出电压峰峰值为：

10.一种电子设备，其特征是，包括权利要求1-9任意一项所述的基于单电源的具有电源轨跟踪特性的音频限幅电路。