CN114374364B - D类放大器及相关芯片和电子装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种D类放大器及相关芯片和电子装置。该D类放大器用于依据输入信号产生输出信号，其包括:增益可调式低通滤波器，用于接收输入信号以及输出信号来产生滤波后信号，其中增益可调式低通滤波器的增益依据第一控制信号改变；模数转换器，用于接收滤波后信号以产生数字信号；归一化脉冲宽度调制单元，用于依据数字信号产生UPWM信号；功率级，用于依据UPWM信号产生输出信号；以及增益控制单元，用于依据输入信号的幅度产生第一控制信号，使增益可调式低通滤波器的增益负相关于输入信号的幅度。

Description

D类放大器及相关芯片和电子装置
技术领域
本申请实施例涉及电子＝电路技术领域，尤其涉及一种D类放大器及相关芯片和电子装置。
背景技术
在便携式耳机，手机以及电视等电子设备中，通常会集成音频解决方案，其中发射端的音频放大器是其关键组成部分之一。在设计音频放大器时，不但需要减少负载上的功耗损失，还要在追求低成本的同时，避免所设计的音频放大器在某些情况下出现爆破声。总而言之，如何更有效率地降低音频放大器的整体功耗、成本，并抑制爆破声，已成为本领域亟需解决的问题之一。
发明内容
本申请的目的之一在于提供一种D类放大器及相关芯片和电子装置，来解决上述问题。
第一方面，本申请的一实施例提供了一种D类放大器，用于依据输入信号产生输出信号，包括:增益可调式低通滤波器，用于接收所述输入信号以及所述输出信号来产生滤波后信号，其中所述增益可调式低通滤波器的增益依据第一控制信号改变；模数转换器，用于接收所述滤波后信号以产生数字信号；归一化脉冲宽度调制(UPWM)单元，用于依据所述数字信号产生UPWM信号；功率级，用于依据所述UPWM信号产生输出信号；以及增益控制单元，用于依据所述输入信号的幅度产生所述第一控制信号，使所述增益可调式低通滤波器的增益负相关于所述输入信号的幅度。
作为一种可能的实施方式，所述UPWM单元的分辨率高于所述模数转换器的分辨率。
作为一种可能的实施方式，所述增益控制单元进一步用于确定所述输入信号的幅度和预设幅度值的相对关系，以将所述增益可调式低通滤波器的增益调整为第一增益值或第二增益值。
作为一种可能的实施方式，所述第一增益值小于所述第二增益值；其中，当所述增益控制单元确定所述输入信号的幅度小于所述预设幅度值时，所述增益控制单元通过所述第一控制信号来将所述增益可调式低通滤波器的增益调整为所述第二增益值；当所述增益控制单元确定所述输入信号的幅度不小于所述预设幅度值时，所述增益控制单元通过所述第一控制信号来将所述增益可调式低通滤波器的增益调整为所述第一增益值。
作为一种可能的实施方式，所述第一增益值为1。
作为一种可能的实施方式，所述D类放大器还包括：可调增益单元，耦接于所述模数转换器和所述UPWM单元之间，其中所述可调增益单元的增益依据第二控制信号改变。
作为一种可能的实施方式，所述可调增益单元的增益正相关于所述输入信号的幅度。
作为一种可能的实施方式，所述增益控制单元进一步用于通过确定所述输入信号的幅度和预设幅度值的相对关系来产生所述第二控制信号，以将所述可调增益单元的增益调整为第三增益值或第四增益值。
作为一种可能的实施方式，所述第三增益值大于所述第四增益值，其中当所述增益控制单元确定所述输入信号的幅度小于所述预设幅度值时，所述增益控制单元通过所述第二控制信号来将所述可调增益单元的增益调整为所述第四增益值；以及当所述增益控制单元确定所述输入信号的幅度不小于所述预设幅度值时，所述增益控制单元通过所述第二控制信号来将所述可调增益单元的增益调整为所述第三增益值。
作为一种可能的实施方式，所述第一增益值和所述第三增益值的乘积相等于所述第二增益值和所述第四增益值的乘积。
作为一种可能的实施方式，所述增益可调式低通滤波器包括：第一运放，具有正输入端、负输入端及输出端；第二运放，具有正输入端、负输入端及输出端；第三运放，具有正输入端、负输入端及输出端；第一电容，耦接于所述第一运放的所述负输入端和所述输出端之间；第二电容，耦接于所述第二运放的所述负输入端和所述输出端之间；第一电阻，一端耦接所述第一运放的所述负输入端，另一端用于接收所述输入信号；第二电阻，一端耦接所述第一运放的所述负输入端，另一端用于接收所述输出信号；第三电阻，耦接于所述第一运放的所述输出端以及所述第二运放的所述负输入端之间；第四电阻，耦接于所述第一运放的所述输出端以及所述第三运放的所述负输入端之间；第五电阻，耦接于所述第二运放的所述输出端以及所述第三运放的所述负输入端之间；以及第一可调电阻，耦接于所述第三运放的所述负输入端和所述输出端之间。
作为一种可能的实施方式，所述第一可调电阻受所述第一控制信号控制。
第二方面，本申请的一实施例提供了一种芯片，包括如第一方面或其任一可能的实施方式所述的D类放大器。
第三方面，本申请的一实施例提供了一种电子装置，包括负载，以及如第二方面所述的芯片；所述芯片用于对所述负载进行驱动。
作为一种可能的实施方式，所述输入信号为音频信号，所述负载为扬声器。
本申请实施例提供的D类放大器及相关芯片和电子装置，可以实现较低的静态功耗，降低成本，同时抑制爆破声。
附图说明
图1为本申请实施例提供的D类放大器的第一实施例的示意图。
图2为本申请实施例提供的D类放大器的第二实施例的示意图。
图3为图1和图2的D类放大器中的增益可调式低通滤波器的实施例的示意图。
具体实施方式
以下揭示内容提供了多种实施方式或示例，其能用以实现本揭示内容的不同特征。下文所述之组件与配置的具体例子系用以简化本揭示内容。当可想见，这些叙述仅为例示，其本意并非用于限制本揭示内容。举例来说，在下文的描述中，将一第一特征形成于一第二特征上或之上，可能包括某些实施例其中所述的第一特征与第二特征彼此直接接触；且也可能包括某些实施例其中还有额外的组件形成于上述第一特征与第二特征之间，而使得第一特征与第二特征可能没有直接接触。此外，本揭示内容可能会在多个实施例中重复使用组件符号和/或标号。此种重复使用乃是基于简洁与清楚的目的，且其本身不代表所讨论的不同实施例和/或组态之间的关系。
虽然用以界定本申请较广范围的数值范围与参数皆是约略的数值，此处已尽可能精确地呈现具体实施例中的相关数值。然而，任何数值本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏差。在此处，「约」通常系指实际数值在一特定数值或范围的正负10％、5％、1％或0.5％之内。或者是，「约」一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，视本申请所属技术领域中具有通常知识者的考虑而定。当可理解，除了实验例之外，或除非另有明确的说明，此处所用的所有范围、数量、数值与百分比(例如用以描述材料用量、时间长短、温度、操作条件、数量比例及其他相似者)均经过「约」的修饰。因此，除非另有相反的说明，本说明书与附随申请专利范围所揭示的数值参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。至少应将这些数值参数理解为所指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。在此处，将数值范围表示成由一端点至另一端点或介于二端点之间；除非另有说明，此处所述的数值范围皆包括端点。
图1为本申请实施例提供的D类放大器的第一实施例的示意图。D类放大器100用于依据输入信号Vi产生输出信号Vo以驱动负载(未绘示于图中)。在本实施例中，D类放大器100是一种音频放大器，输入信号Vi为音频信号，所述负载可以是扬声器。本申请的D类放大器100为归一化脉冲宽度调制(Uniform Pulse Width Modulation,UPWM)型D类放大器，包括增益可调式低通滤波器102、模数转换器104、UPWM单元106、功率级108以及增益控制单元110。其中增益可调式低通滤波器102用于接收输入信号Vi以及从功率级108反馈回来的输出信号Vo来产生滤波后信号Vl，其中增益可调式低通滤波器102用于提供低通滤波功能，同时针对低通信号提供可调变的增益。在本实施例中，增益可调式低通滤波器102依据增益控制单元110产生的第一控制信号S1，可以动态地改变低通信号的增益。换句话说，增益可调式低通滤波器102可以等效地看作是可调增益模块串接于低通滤波器之后。
模数转换器104的分辨率为N比特，用于接收滤波后信号Vl以产生数字信号Sd。UPWM单元106的分辨率为M比特，用于依据数字信号Sd产生UPWM信号Sp，再由功率级108提高UPWM信号Sp的功率以产生输出信号Vo来驱动所述负载。具体来说，UPWM单元106可以对斜坡信号的幅度和数字信号Sd的幅度进行比较，并据以决定UPWM信号Sp的脉冲的宽度。UPWM单元106的所述斜坡信号并非基于连续时间的斜坡信号，而是基于离散时间的斜坡信号，所述斜坡信号具有M比特的分辨率。
UPWM信号Sp的精度越高，D类放大器100的效能越高。特别值得一提的是，由于UPWM单元106的特性使然，即使是在输入信号Vi为零或趋近于零时，UPWM信号Sp仍会有最低的宽度的脉冲(下称最小脉冲)存在。而UPWM信号Sp的精度越高，所述最小脉冲的宽度越窄，能够让所述负载的功耗越低。换句话说，UPWM信号Sp的精度越高，所述负载的静态功耗越低。
另外，D类放大器100的输入信号Vi为零或趋近于零时，使用者从扬声器听不到声音，而D类放大器100一旦关闭，UPWM信号Sp中的所述最小脉冲会消失，若所述最小脉冲的宽度不够窄，当所述最小脉冲消失时会产生人耳可听到的爆破声，造成使用者体验不佳。因此，UPWM信号Sp的精度越高，越能够抑制爆破声。
UPWM信号Sp的精度取决于UPWM单元106的分辨率(M比特)和模数转换器104的分辨率(N比特)。一般来说，会将N设计为等于或略大于M。要提升数字域的UPWM单元106的分辨率，则不需要耗费很高的成本；但要提升模数转换器104的分辨率则不然，并且还会产生额外的功耗。综合上述考虑，本申请提供了一种D类放大器，能够降低静态功耗和成本，同时提高UPWM信号Sp的精度，并说明如下。
本申请的目的主要是为了使所述最小脉冲的宽度可以更窄，由于出现所述最小脉冲时输入信号Vi很小(为零或趋近于零)，因此D类放大器100的增益控制单元110会依据输入信号Vi的幅度来产生第一控制信号S1，并随时依据输入信号Vi的幅度动态地改变，使增益可调式低通滤波器102的增益负相关于输入信号Vi的幅度。在本实施例中，当输入信号Vi小于预设幅度值时(下称低输入模式)，增益控制单元110将增益可调式低通滤波器102的增益设定为第二增益值；当输入信号Vi不小于所述预设幅度值时(下称一般输入模式)，增益控制单元110将增益可调式低通滤波器102的增益设定为第一增益值，其中所述第一增益值小于所述第二增益值。
在本实施例中，所述第一增益值为1，即不调整增益；所述第二增益值大于1，即在所述低输入模式下，增益可调式低通滤波器102的增益被放大。换句话说，不改变模数转换器104的分辨率，仅将进入模数转换器104的信号放大，在信号没有超过模数转换器104的输入范围的前提下，等于提升了模数转换器104的分辨率。应注意的是，输入信号Vi小于所述预设幅度值时，所述第二增益值不会使滤波后信号Vl超过模数转换器104的输入范围。
在本实施例中，可不需特别提高模数转换器104的分辨率(N比特)，仅提高UPWM单元106的分辨率(M比特)。也就是将M设计为大于N，这样一来，在所述一般输入模式下的UPWM信号Sp的精度不受影响，但在所述低输入模式时的UPWM信号Sp的精度可以被提高，使所述最小脉冲的宽度得以进一步变窄。
如图2的D类放大器200所示，在某些实施例中，因为在所述低输入模式和在所述一般输入模式下，增益可调式低通滤波器102的增益会改变，可以对应地在模数转换器104和UPWM单元106之间额外增加可调增益单元202，来将增益可调式低通滤波器102的增益改变抵消回来，即让两个模式下的信号被归一化。可调增益单元202的增益也依据第二控制信号S2改变。具体来说，可调增益单元202的增益正相关于输入信号Vi的幅度，增益控制单元110确定输入信号Vi和所述预设幅度值的相对关系来产生第二控制信号S2，以选择性地将可调增益单元202的增益调整为第三增益值或第四增益值。
所述第三增益值大于所述第四增益值，其中在所述低输入模式下，增益控制单元110通过第二控制信号S2来将可调增益单元202的增益调整为所述第四增益值；以及在所述一般输入模式下，增益控制单元110通过第二控制信号S2来将可调增益单元202的增益调整为所述第三增益值。所述第一增益值和所述第三增益值的乘积相等于所述第二增益值和所述第四增益值的乘积。在本实施例中，所述第一增益值和所述第三增益值皆为1，所述第二增益值大于1且所述第四增益值为所述第二增益值的倒数。
图3为增益可调式低通滤波器102的实施例的示意图。增益可调式低通滤波器102包括第一运放1022、第二运放1024以及第三运放1026，且第一运放1022、第二运放1024和第三运放1026均具有正输入端(+)、负输入端(-)以及输出端。第一运放1022、第二运放1024以及第三运放1026的正端均接收共模电压Vcm。其中，第一电容C1耦接于第一运放1022的所述负输入端和所述输出端之间。第二电容C2耦接于第二运放1024的所述负输入端和所述输出端之间。第一电阻R1的一端耦接第一运放1022的所述负输入端，第一电阻R1的另一端用于接收输入信号Vi。第二电阻R2的一端耦接第一运放1022的所述负输入端，第二电阻R2的另一端用于接收输出信号Vo。通过调整第一电阻R1与第二电阻R2的比例，可以调整输出信号Vo的大小。
第三电阻R3耦接于第一运放1022的所述输出端以及第二运放1024的所述负输入端之间。第四电阻R4耦接于第一运放1022的所述输出端以及第三运放1026的所述负输入端之间。第五电阻R5耦接于第二运放1024的所述输出端以及第三运放1026的所述负输入端之间。可调电阻R6耦接于第三运放1026的所述负输入端和所述输出端之间，并受第一控制信号S1控制。
在R1等于R2的情况下，可调式低通滤波器102的传递函数H(s)为R6*(1/R1)*(1/sC1)*(1/R4-1/(R3*sC2*R5))，通过控制可调电阻R6等效于使H(s)乘上增益系数，即可实现对增益可调式低通滤波器102的低频增益进行控制。然而应该注意的是，本申请对增益可调式低通滤波器102并不限定于图3的实施例。
本申请可以在仅提高UPWM型D类放大器的UPWM的分辨率而不提高模数转换器的分辨率的情况下，提高低输入模式下的UPWM信号的精度，从而减少低输入模式下的功耗以及爆破声。
本申请还提供一种芯片，包括上述D类放大器100或D类放大器200。
本申请还提供一种电子装置，所述电子装置包括所述芯片和负载，所述芯片用于对所述负载进行驱动。具体的，所述负载可以为扬声器；所述电子装置包括但不限于移动通信设备、超移动个人计算机设备、便携式娱乐设备和其他具有数据交互功能的电子设备。移动通信设备的特点是具备移动通信功能，并且以提供话音、数据通信为主要目标。这类终端包括：智能手机(例如iPhone)、多媒体手机、功能性手机，以及低端手机等。超移动个人计算机设备属于个人计算机的范畴，有计算和处理功能，一般也具备移动上网特性。这类终端包括：PDA、MID和UMPC设备等，例如iPad。便携式娱乐设备可以显示和播放多媒体内容。该类设备包括：音频、视频播放器(例如iPod)，掌上游戏机，电子书，以及智能玩具和便携式车载导航设备。
上文的叙述简要地提出了本申请某些实施例之特征，而使得本申请所属技术领域具有通常知识者能够更全面地理解本揭示内容的多种态样。本申请所属技术领域具有通常知识者当可明了，其可轻易地利用本揭示内容作为基础，来设计或更动其他工艺与结构，以实现与此处所述之实施方式相同的目的和/或达到相同的优点。本申请所属技术领域具有通常知识者应当明白，这些均等的实施方式仍属于本揭示内容之精神与范围，且其可进行各种变更、替代与更动，而不会悖离本揭示内容之精神与范围。

Claims (14)

1.一种D类放大器，用于依据输入信号产生输出信号，其特征在于，包括:
增益可调式低通滤波器，用于接收所述输入信号以及所述输出信号来产生滤波后信号，其中所述增益可调式低通滤波器的增益依据第一控制信号改变；
模数转换器，用于接收所述滤波后信号以产生数字信号；
归一化脉冲宽度调制单元，用于依据所述数字信号产生归一化脉冲宽度调制信号；
功率级，用于依据所述归一化脉冲宽度调制信号产生输出信号；以及
增益控制单元，用于依据所述输入信号的幅度产生所述第一控制信号，使所述增益可调式低通滤波器的增益负相关于所述输入信号的幅度;
所述增益可调式低通滤波器包括：
第一运放，具有正输入端、负输入端及输出端；
第二运放，具有正输入端、负输入端及输出端；
第三运放，具有正输入端、负输入端及输出端；
第一电容，耦接于所述第一运放的所述负输入端和所述输出端之间；
第二电容，耦接于所述第二运放的所述负输入端和所述输出端之间；
第一电阻，一端耦接所述第一运放的所述负输入端，另一端用于接收所述输入信号；
第二电阻，一端耦接所述第一运放的所述负输入端，另一端用于接收所述输出信号；
第三电阻，耦接于所述第一运放的所述输出端以及所述第二运放的所述负输入端之间；
第四电阻，耦接于所述第一运放的所述输出端以及所述第三运放的所述负输入端之间；
第五电阻，耦接于所述第二运放的所述输出端以及所述第三运放的所述负输入端之间；以及
第一可调电阻，耦接于所述第三运放的所述负输入端和所述输出端之间。
2.如权利要求1所述的D类放大器，其特征在于，所述归一化脉冲宽度调制单元的分辨率高于所述模数转换器的分辨率。
3.如权利要求1所述的D类放大器，其特征在于，所述增益控制单元进一步用于确定所述输入信号的幅度和预设幅度值的相对关系，以将所述增益可调式低通滤波器的增益调整为第一增益值或第二增益值。
4.如权利要求3所述的D类放大器，其特征在于，所述第一增益值小于所述第二增益值；
其中，当所述增益控制单元确定所述输入信号的幅度小于所述预设幅度值时，所述增益控制单元通过所述第一控制信号来将所述增益可调式低通滤波器的增益调整为所述第二增益值；
当所述增益控制单元确定所述输入信号的幅度不小于所述预设幅度值时，所述增益控制单元通过所述第一控制信号来将所述增益可调式低通滤波器的增益调整为所述第一增益值。
5.如权利要求3所述的D类放大器，其特征在于，所述第一增益值为1。
6.如权利要求3所述的D类放大器，其特征在于，还包括：
可调增益单元，耦接于所述模数转换器和所述归一化脉冲宽度调制单元之间，其中所述可调增益单元的增益依据第二控制信号改变。
7.如权利要求6所述的D类放大器，其特征在于，所述可调增益单元的增益正相关于所述输入信号的幅度。
8.如权利要求7所述的D类放大器，其特征在于，所述增益控制单元进一步用于通过确定所述输入信号的幅度和预设幅度值的相对关系来产生所述第二控制信号，以将所述可调增益单元的增益调整为第三增益值或第四增益值。
9.如权利要求8所述的D类放大器，其特征在于，所述第三增益值大于所述第四增益值，其中当所述增益控制单元确定所述输入信号的幅度小于所述预设幅度值时，所述增益控制单元通过所述第二控制信号来将所述可调增益单元的增益调整为所述第四增益值；以及当所述增益控制单元确定所述输入信号的幅度不小于所述预设幅度值时，所述增益控制单元通过所述第二控制信号来将所述可调增益单元的增益调整为所述第三增益值。
10.如权利要求9所述的D类放大器，其特征在于，所述第一增益值和所述第三增益值的乘积相等于所述第二增益值和所述第四增益值的乘积。
11.如权利要求1所述的D类放大器，其特征在于，所述第一可调电阻受所述第一控制信号控制。
12.一种芯片，其特征在于，包括：
如权利要求1至11中任一项所述的D类放大器。
13. 一种电子装置，其特征在于，包括：
如权利要求12所述的芯片；以及
负载；
所述芯片用于对所述负载进行驱动。
14.如权利要求13所述的电子装置，其特征在于，所述输入信号为音频信号，所述负载为扬声器。
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