TW201006123A - Switch audio amplifier, digital speaking device and audio amplification method - Google Patents

Description

201006123 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種音頻放大器，特別是有關於一種 D類交換式音頻放大器。 【先前技術】 音頻錄放技術已普遍用於可攜式數位裝置，例如行動 電話、多媒體播放器或數位錄音機。當輸出高品質聲音時， 適用於可攜式數位裝置的音頻放大器需要具有低功率消 耗。然而，他們之間總是需要取捨。 第1圖顯示習知D類音頻放大器結構。在第1圖中， 來自包含第一驅動器104a以及第二驅動器1〇4b的緩衝級 的第一 PWM信號#U以及第二PWM信號#d驅動揚聲器 106。基於音頻輸入信號V+與鋸齒產生器108第一 PWM 信號#U以及第二PWM信號#D分別產生自一對比較器 102a與102b。第一比較器1 〇2a比較音頻輪入信號v+與來 自鋸齒產生器108的鑛齒信號#s以產生第一 PWM信號 #U。同時發生地’第二比較器1 〇2b比較音頻輸入信號 與鋸齒信號#S以產生第二PWM信號#D。輸入音頻信號 V+與V-自動地轉換成表示變換工作週期的脈衝寬度調變 (PWM)信號。此外，揚聲器106作用成電容器串聯電阻器 與電感器，藉此第一 PWM信號#U與第二PW1V[信號#D如 同音頻聲音般播送。 眾所皆知，D類音頻放大器可以呈現大約8〇%到93% 高功率效率’因為第一驅動器l〇4a以及第二驅動器1〇4匕 以非常低的導通電阻（大約〇·2歐姆）偏壓於截止區或三極 FOR08-0017/0958-Α41736-TW/fmal 4 201006123 區’因此顯著地延長電池壽命。然而，急劇的上升與 PWM k號邊緣導致不想要的高頻成分以及放射出 磁干擾(EMI)的放射線。同時，美國聯邦通訊委員會^ 嚴格地實施低EMI要求標準。有許多各種貢獻在解決 議題的先前技術’所以可符合FCC法規，舉例來說，添加 低通濾波器（LPF)可能降低高頻成分。然而，實施LpF的缺 點是它的大體積以及高成本。一些先前技術建議使用揚聲 器中固有的電阻電容(RC)常數以產生等效LPF，其對於大 ❹ 揚聲器例如用於家庭劇院系統的那些揚聲器是有效用的。 然而，對於其他應用’例如可攜式數位裝置，揚聲器需要 壓縮並且RC常數會因此太低而不能過濾出高頻成分。 第2圖顯示輸出自揚聲器的信號輸出的頻譜。水 平軸指示頻率而垂直軸指示振幅。頻内（in_band)信號2〇2 是指定為可聽見、操作在頻率及具有振幅拉的音頻信 號。可能有次要的諳波失真發生在頻率2评與3界。此外，

一對旁波瓣(side lobe)212分別發生在頻率2w與3w，2W ❹是第二階載波頻率。載波頻率X依賴於各種參數，包括數 位揚聲裝置中的LC常數以及鋸齒產生器1〇8的變遷速率 (transition rate)。第2圖顯示出揚聲器1〇6固有LC常數所 提供的LPF曲線210不能有效地過濾出旁波瓣212。因此， 這對旁波瓣212與頻内信號202具有相同的振幅，並且因 此所引起的EMI可能顯著影響電路運作。雖然藉由增加矩 齒產生器108的變遷速率旁波瓣212可能向右偏移到LPF 曲線210的有效過遽區域，但是在取捨之下效率將會降 低。因此’當輸出高品質聲音時，最好提供具有低功率消 FOR08-0017/0958-A41736-TW/final 5 201006123 耗的音頻放大器。 【發明内容】 本發明提供一種適用於數位揚聲裝置中用於驅動揚聲 器的交換式音頻放大器。於交換式音頻放大器中，一比較 級比較一音頻輸入信號與一鋸齒信號以產生一脈衝寬度調 變信號。一驅動器級缓衝脈衝寬度調變信號以驅動揚聲 器。一偵測器偵測音頻輸入信號的一振幅以產生一控制信 號，以及一鋸齒產生器基於控制信號調整鋸齒信號的一變 遷速率。 於比較級中，第一比較器比較音頻輸入信號與鋸齒信 號以產生一第一脈衝寬度調變信號。第二比較器比較音頻 輸入信號的反向與鋸齒信號以產生第二脈衝寬度調變信 號。 於驅動級中，一第一驅動器接收第一脈衝寬度調變信 號以驅動揚聲器的一第一端，以及第二驅動器，接收第二 脈衝寬度調變信號以驅動該揚聲器的一第二端。 鋸齒信號的變遷速率以及音頻輸入信號的振幅之間的 關係可能是單調遞增函數。可選替地，鋸齒信號的變遷速 率以及音頻輸入信號的振幅之間的關係可能是逐步遞增函 數。 於偵測器中，一二極體具有耦接到音頻輸入信號的P 端，以及耦接到第一端點的N端。電阻器與電容器並聯耦 接到第一端點以及電壓接地。類比/數位轉換器基於該第一 端點的一電壓準位產生該控制信號。 於鋸齒產生器的具體實施例中，可程式電流源基於控 FOR08-0017/0958-A41736-TW/fmal 6 201006123 制信號以及差動信號產生電流。電容器耦接到可程式電流 源以及電壓接地，藉由電流驅動產生鋸齒信號。參考產生 器基於一差動信號產生一參考值，以及藉由運算放大器比 較鋸齒信號以及參考信號產生差動信號。 當差動信號是正的時，參考產生器輸出一正參考值。 相反地，當差動信號是負的時，參考產生器輸出一負參考 值。同時，當差動信號是正的時，可程式電流源切換到一 第一模式，以至於電流充電電容器以產生鋸齒信號。當差 動信號是負的時，可程式電流源切換到一第二模式，以至 於電容器放電以產生鋸齒信號。 一種交換式音頻放大器所實施的音頻放大方法，包括 步驟:提供一音頻輸入信號。偵測音頻輸入信號的一振幅。 基於音頻輸入信號的振幅產生具一變遷速率的一鋸齒信 號。比較音頻輸入信號與鋸齒信號以產生一脈衝寬度調變 信號。藉由脈衝寬度調變信號驅動揚聲器以輸出音頻聲音。 【實施方式】 為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易 懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說 明如下： 第3圖根據本發明顯示數位揚聲裝置300的實施例。 數位揚聲裝置典型地包含交換式音頻放大器以及交換式音 頻放大器所驅動的揚聲器106。於本實施例中，交換式音 頻放大器是D類放大器妁變更版本。第一比較器102a以及 第二比較器l〇2b形成比較級，基於鋸齒信號#S轉換音頻 FOR08-0017/0958-A41736-TW/fmal 7 201006123

輸入信號v+至脈衝寬度調變(PWM)信號。特別地，第一比 較器102a比較音頻輸入信號v+與鋸齒信號#s以產生第一 PWM信號#U ’並且第二比較器比較音頻輪入信號v_與鋸 齒信號#S以產生第二PWM信號#D。緊接著比較級之後實 施驅動器級，其中第一驅動器l〇4a與第二驅動器i〇4b緩 衝第一 PWM信號#u與第二PWM信號#D以驅動揚聲器 106。揚聲器106包含耦接到第一 PWM信號#u的第一端 以及搞接到第二PW]V[信號#D的第二端。因此，第一 pwM 仏號#U以及第二P WM信號#D經由揚聲器聯合地產生可聽 到的音頻輸出。 不像習知的D類結構，實施例提供一個偵測器31〇與 鑛齒產生H 320 ’藉此基於音頻輸人產生鑛齒信號 # S。摘測H 31 (M貞測音頻輸入信號v+的振巾畐以產生控制信 號#你卜並且織產生器32G基於控制信號㈣調整鑛童 信號的變遷速率。 θ ^㈣料pSAWAm失真的載波頻率，所以較 佳地是依據音頻輸人信㉟V+的振幅提供動態鋸齒信號 #s。當音頻輸人信號V+的振幅小時，即使LPF曲線21〇 沒有過遽出旁波瓣212’旁波瓣212的大小可以忽略，所 以旁波瓣212不會導致重大影響。因此，鉅齒信號邶可能 用低變遷速率組態以節省功率消耗。相反地，當音頻輸入 信號V+的振幅轉大時’旁波瓣212開始放射無法忽視的 EMI放射線。為防止不想要的EMI，調整鋸齒信號#s增加 載波·頻率以至於旁波瓣212向右偏移到LpF曲線21〇的外 部區域並且被過濾出。因此，當增加變遷速率匕滿時，因 FOR08-0017/0958-A41736-TW/final 8 201006123 為切換功率損失’功率消耗可能增加。然而，當音頻輸入 信號v+大時，高功率消耗將不會是個問題。 第4a與4b圖顯示輸入音頻信號v+的振幅ain與鋸齒 信號#S的變遷速率;FSAw之間的函數。於實施例中，錯齒信 行#3的變遷速率？3謂與音頻輸入信號V+的信號振幅Ain 之間的關係可能是單調遞增函數。有各種型態的單調遞增 函數。舉例來說’曲線402顯示凹面函數，曲線404顯示 線性函數，並且曲線406顯示凸面函數。可能藉由使用具 φ 有查表的類比數位轉換器（ADC)實施偵測器310。同時，鋸 齒信號#S與信號振幅Ain成比例。 第4b圖顳示變遷函數的另一實施例。曲線408顯示變 遷速率Fsaw與信號振幅AIN之間的關係可能是逐步遞增函 數。舉例來說，根據曲線408，當信號振幅AIN位於第一準 位A1之下時’ FSAW組態在頻率f〇。當信號振幅Ain位於 第一準位A1與第二準位A2之間時，FSAW組態在頻率fi。 此外’當信號振幅Ain超過第二準位A2時，變遷速率Fsaw Φ 組態在頻率f2。準位值A1與A2分別對應到的頻率f〇、fl 與f2都是可程式化的。 第5a圖顯示偵測器310的實施例。因為音頻輸入信號 v+是時變信號，偵測器31〇可能取樣音頻輸入信號v+的 波封以產生數位化的值當作控制信號細出。為了偵測波 封’二極體502在P端接收音頻輸入信號v+，而它的N 端是輕接到節點A。電阻器504以及電容器506並聯於節 點A與電壓接地之間。然後adc 508轉換在節點A的電 壓準位至控制信號#ctrl。ADC 508可能是既定取樣率的多 FOR08-0017/0958-A41736-TW/final 〇 201006123 位元ADC，並且控制信號#ctrl可能是用於控制鋸齒產生器 320的多位元數位信號。 第5a圖顯示偵測器310的實施例。鑛齒產生器是 設計成被控制信號#ctrl所控制。特別地，鋸齒信號邶的變 遷速率依賴於電流，並且控制信號#ctr〗適用於調整電流， 依序調整變遷速率fsaw。於鋸齒產生器32〇，可程式電流 源510用於產生電流。電容器516耦接可程式電流源5 = 以及電壓接地，經由電流驅動在節點B產生 參考產生器514作用成邊界偵測器，產生可變==定 義鋸齒波的上邊界以及下邊界。運算放大器52〇用於基於 參考值#ref追蹤節點B上的電壓。為實施時變鋸齒信號 #S’運算放大器520比較現在輸出鋸齒信號#s與參考值治^ 以產生差動信號#0丨€£’並且差動信號更回授至控制參 考產生器514以及可程式電流源51〇。 工" 舉例來說，當差動信號#Diff是正的時，參考產生器514 可能輸出正參考值#ref。同時，響應於正差動信號#Diff， 可程式電流源510可能同時地輸出電流以充電電容器 516’以至於鋸齒信號#8連續地拉高到接近參考值衍紆。相 反地，當差動信號#Diff是負的時，參考產生器514輸出負 參考值打ef，然而可程式化電流源51〇停止供應電流到節 點B以至於節點B上的電壓準位經由電容器5〗6放電，使 得鑛齒信號#s連續地拉低到接近參考值#ref。 可見到當控制信號#ctrl遞減時，電容器516的充電速 度遞增，所以節點B的電壓準位將更快速增加，導致曼遷 速率FSAW增加。於實施例中，電容器516的放電速度不被 FOR08-0017/0958-A41736-TW/fmal ι〇 201006123 控制信號#你1景》響’㉟而，可程式電流源5ι〇可能更進一 步變更而控制放電速度。可程式電流源51〇可用各種已知 的替代方式達到可程式特性，在此不再贅述。 第6圖根據本發明顯示鋸齒>ί§號姑的波型以及音頻輸 入信號V+與V·。水平軸表示時間，垂直轴表示大小。v_ 是V+的反向，相對於水平軸形成對稱的鏡射。可見到當音 頻輸入t號V+的振幅增加，鑛齒信號雜變化更快速。如 所描述，變遷速率FSAW的變化可能依賴於第4a與4b圖所 • 示的變遷函數。在第7圖，顯示來自揚聲器106的信號輸 出的頻譜。類似第2圖，頻内信號702表示指定為可聽到、 操作在頻率w以及具有大小m的音頻信號。諧波失真7〇4 與706發生在頻率2w與3w。一對旁波瓣172分別發生在 頻率2x+w與2x-w，其中2x是第二階載波頻率。當音頻輪 入k號V+的振幅增加，載波頻率x增加，因此，旁辦712 向右偏移至LPF曲線710的有效過濾區域，並且因此被過 遽出。 參 第8根據本發明係音頻放大方法的流程圖。在步驟 801，初始化數位揚聲裝置3〇〇。在步驟803，音頻輸入信 號被提供到數位耨聲裝置300。在步驟805,偵測器310偵 測音頻輸入信號的振幅。在步驟807，鋸齒產生器320基 於音頻信號的振幅產生具有一變遷速專的鋸齒信號。在步 驟809,音頻輸入信號基於鋸齒信號轉換成脈衝寬度調變 (PWM)信號。在步驟811，PWM信號驅動揚聲器以廣播音 頻聲音。本發明的實施例成功地提供適合的鋸齒產生器32〇 以平衡功率消耗與信號品質之間的取捨。因為沒有需要多 FOR08-0017/0958-A41736-TW/finaI 11 201006123 餘的RC電路，此結構是具有成本效益以及可實施的。 最後’熟此技藝者可體認到他們可以輕易地使用揭露 的觀念以及特定實施例為基礎而變更及設計可以實施同樣 目的之其他結構且不脫離本發明以及申請專利範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖顯示習知的D類音頻放大器結構； 第2圖顯示來自揚聲器106的信號輸出頻譜； 第3圖根據本發明顯示數位揚聲裝置3〇〇的實施例； 第4a與4b圖顯示輪入音頻信號V+的振幅Ain與鋸齒 信號#S的變遷速率fSaw之間的函數； 第5a圖顯示偵測器31〇的實施例； 第5b圖顯示鋸齒產生器32〇的實施例； 第6圖根據本發明顯示鋸齒信號#s的波型以及音頻輸 入信號V+與V-; 第7圖根據本發明顯示來自揚聲器1〇6的信號輸出頻 譜；以及 第8根據本發明係音頻放大方法的流程圖。 【主要元件符號說明】 102a、102b〜比較器 104a、104b〜驅動器 202〜頻内信號 212〜旁波瓣 320〜鋸齒產生器 106〜揚聲器 210〜LPF曲線 310〜偵測器 402、404、406、408〜曲線 502~二極體 · 5 04〜電阻器 FOR08-0017/095 8-A41736-TW/fmal 12 201006123 506〜電容器 510〜電流源 Μ 6〜電容器 7 02〜頻内信號 710~〇^曲線 801 、 803 、 805 、 807 508〜數位類比轉換器 514〜參考產生器 520〜運算放大器 706〜諧波失真 809、811〜流程步驟

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Claims (1)

1. 201006123 七、申請專利範圍： 1. 一種交換式音頻放大器1用以驅動一揚聲器，包括： 一比較級，比較一音頻輸入信號與一鑛齒信號以產生 一脈衝寬度調變信號； 一驅動器級，耦接到該比較級，緩衝該脈衝寬度調變 信號以驅動該揚聲器； 一偵測器，偵測該音頻輸入信號的一振幅以產生一控 制信號；以及 一鋸齒產生器，耦接到該偵測器，基於該控制信號調 整該鑛齒信號的一變遷速率。 2. 如申請專利範圍第1項所述之交換式音頻放大器，其 中該比較級更包括： 一第一比較器，比較該音頻輸入信號與該鋸齒信號以 產生一第一脈衝寬度調變信號；以及 一第二比較器，比較該音頻輸入信號的反向與該鋸齒 信號以產生一第二脈衝寬度調變信號。 3. 如申請專利範圍第2項所述之交換式音頻放大器，其 中該驅動器級包括： 一第一驅動器，耦接至該第一比較器，接收該第一脈 衝寬度調變信號以驅動該揚聲器的一第一端；以及 一第二驅動器，耦接至該第二比較器，接收該第二脈 衝寬度調變信號以驅動該揚聲器的一第二端。 4. 如申請專利範圍第1項所述之交換式音頻放大器，其 中該鋸齒信號的該變遷速率以及該音頻輸入信號的振幅之 » - 間的關係是一單調遞增函數。 FOR08-0017/0958-A41736-TW/final 14 201006123 5. 如申請專利範圍第1項所述之交換式音頻放大器，其 中該鋸齒信號的該變遷速率以及該音頻輸入信號的振幅之 間的關係是一逐步遞增函數。 6. 如申請專利範圍第1項所述之交換式音頻放大器，其 中該^[貞測器包括： 一二極體，包括耦接到該音頻輸入信號的一 P端，以 及耦接到一第一端點的一 N端； 一電阻器，耦接到該第一端點以及一電壓接地； 3 —電容器，耦接到該第一端點以及該電壓接地；以及 一類比/數位轉換器，耦接到該第一端點，基於該第一 端點的一電壓準位產生該控制信號。 7. 如申請專利範圍第1項所述之交換式音頻放大器， 其中該鋸齒產生器包括： 一可程式電流源，用以產生一電流； 一電容器，耦接到該可程式電流源以及該電壓接地， 藉由電流驅動產生該鋸齒信號； ❹ 一參考產生器，基於一差動信號產生一參考值；以及 一運算放大器，比較該鋸齒信號以及該參考信號以產 生該差動信號，其中該可程式電流源基於該控制信號以及 該差動信號調整該電流。 8. 如申請專利範圍第7項所述之交換式音頻放大器，其 中： 當該差動信號是正的時，該參考產生器輸出一正參考 值；以及 當該差動信號是負的時，該參考產生器輸出一負參考 FOR08-0017/0958-A41736-TW/fmal 15 201006123 值。 9. 如申請專利範圍第7項所述之交換式音頻放大器，其 中： 當該差動信號是正的時1該可程式電流源切換到一第 一模式，以至於該電流充電該電容器以產生該鋸齒信號； 以及 當該差動信號是負的時，該可程式電流源切換到一第 二模式，以至於該電容器放電以產生該鋸齒信號。 10. —種數位揚聲裝置，包括一交換式音頻放大器以 及該交換式音頻放大器所驅動的一揚聲器，其中該交換式 音頻放大器包括： 一比較級，比較一音頻輸入信號與一鑛齒信號以產生 一脈衝寬度調變信號； 一驅動器級，耦接到該比較級，緩衝該脈衝寬度調變 信號以驅動該揚聲斋， 一偵測器，偵測該音頻輸入信號的一振幅以產生一控 制信號；以及 一鋸齒產生器，耦接到該偵測器，基於該控制信號調 整該錯齒信號的一變遷速率。 11. 如申請專利範圍第10項所述之交換式音頻放大 器，其中該比較級更包括： 一第一比較器，比較該音頻輸入信號與該鋸齒信號以 產生一第一脈衝寬度調變信號；以及 一第二比較器，比較該音頻輸入信號的反向與該鋸齒 信號以產生一第二脈衝寬度調變信號。 FOR08-0017/0958-A41736-TW/fmal 16 201006123 12. 如申請專利範圍第11項所述之交換式音頻放大 器，其中該驅動器級包括： 一第一驅動器，耦接至該第一比較器，接收該第一脈 衝寬度調變信號以驅動該揚聲器的一第一端；以及 一第二驅動器，耦接至該第二比較器，接收該第二脈 衝寬度調變信號以驅動該揚聲器的一第二端。 13. 如申請專利範圍第10項所述之交換式音頻放大 器，其中該鋸齒信號的該變遷速率以及該音頻輸入信號的 g 振幅之間的關係是一單調遞增函數。 14. 如申請專利範圍第10項所述之交換式音頻放大 器，其中該鋸齒信號的該變遷速率以及該音頻輸入信號的 振幅之間的關係是一逐步遞增函數。 15. 如申請專利範圍第10項所述之交換式音頻放大 器，其中該偵測器包括： 一二極體，包括耦接到音頻輸入信號的一 P端，以及 耦接到一第一端點的一 N端； φ 一電阻器，耦接到該第一端點以及一電壓接地； 一電容器，耦接到該第一端點以及該電壓接地；以及 一類比/數位轉換器，耦接到該第一端點，基於該第一 端點的一電壓準位產生該控制信號。 16. 如申請專利範圍第10項所述之交換式音頻放大 器，其中該鋸齒產生器包括： 一可程式電流源，用以產生一電流； 一電容器，耦接到諫可程式電流源以及該電壓接地， 藉由電流驅動產生該鋸齒信號； FOR08-0017/0958-A41736-TW/fmal 17 201006123 一參考產生器，基於一差動信號產生一參考值；以及 一運算放大器，比較鋸齒信號以及該參考信號以產生 該差動信號，其中該可程式電流源基於該控制信號以及該 差動信號調整該電流。 17. 如申請專利範圍第16項所述之交換式音頻放大 器，其中當該差動信號是正的時，該參考產生器輸出一正 參考值；以及當該差動信號是負的時，該參考產生器輸出 一負參考值。 18. 如申請專利範圍第16項所述之交換式音頻放大 器，其中： 當該差動信號是正的時，該可程式電流源切換到一第 一模式，以至於該電流充電該電容器以產生該鋸齒信號； 以及 當該差動信號是負的時，該可程式電流源切換到一第 二模式，以至於該電容器放電以產生該鋸齒信號。 19. 一種音頻放大方法，用以驅動一揚聲器1包括： 提供一音頻輸入信號； 偵測該音頻輸入信號的一振幅； 基於該音頻輸入信號的該振幅提供具一變遷速率的一 鋸齒信號； 比較該音頻輸入信號與該鋸齒信號以產生一調變信 號；以及 藉由該調變信號驅動該揚聲器。 20. 如申請專利範圍第19項所述之音頻放大方法，.其 中該鋸齒信號的該變遷速率以及該音頻輸入信號的振幅之 FOR08-0017/0958-A41736-TW/fmal 18 201006123 間的關係是一單調遞增函數。 21. 如申請專利範圍第19項所述之音頻放大方法，其中 該鋸齒信號的該變遷速率以及該音頻輸入信號的振幅之間 的關係是一逐步遞增函數。 22. 如申請專利範圍第19項所述之音頻放大方法，其中 偵測該音頻輸入信號的該振幅的步驟更包括： 偵測該音頻信號的一波封；以及 以一第一位元率取樣該波封以產生一控制信號。 _ 23.如申請專利範圍第22項所述之音頻放大方法，其中 提供該鋸齒信號的步驟更包括： 產生藉由該控制信號調整之具一可變振幅的一電流； 藉由該電流驅動一電容器以產生該鋸齒信號；以及 提供一運算放大器以基於一參考值追蹤該鋸齒信號， 以及產生該差動信號，用以指示該鋸齒信號以及該參考值 的差。 24. 如申請專利範圍第23項所述之音頻放大方法，其 ❿ 中產生該參考值的步驟更包括： 當差動信號是正的時，輸出一正參考值；以及 當差動信號是負的時，輸出一負參考值。 25. 如申請專利範圍第23項所述之音頻放大方法，其 中驅動該電容器的步驟更包括： 當差動信號是正的時，藉由電流充電該電容器以產生 該鑛齒信號；以及 . 當差動信號是負的時，藉由放電該電容器以產生該鋸 齒信號。 FOR08-0017/0958-A41736-TW/fmal 19