TWI485979B - Ｇ類音頻放大系統及方法 - Google Patents

Description

G類音頻放大系統及方法

本發明通常關於音頻放大系統及方法，且更特別關於G類音頻放大系統及方法。

AB類放大器具有良好的輸出特徵，但是效率太低。為保持輸出音質並提高效率而出現G類放大器。

G類放大器的工作原理類似於AB類放大器，區別在於G類放大器的供電電源是可變電壓，而非固定電壓。隨著輸入信號幅度的變化，G類放大器自動調節電源電壓，使輸出電晶體上的壓降最低，大大提高效率。

如圖1所示為傳統單電源供電的AB類音頻放大器10，其中11、12是放大級，V_DD為放大級11、12提供正電源供電；13、14是揚聲器，15、16是直流阻隔電容器，用以阻隔直流偏壓(該直流偏壓通常為0.5V_DD)。傳統單電源供電的AB類音頻放大器需要兩個直流阻隔電容器15、16，而這兩個直流阻隔電容器15、16的電容值一般非常大，典型值為幾百微法，從而使週邊電路變複雜、尺寸變大、成本變高。

圖2所示為現有技術用電荷泵給音頻放大級 提供負電源供電的電路20。與圖1所示電路10不同的是，電路20包括一提供負電源V_SS的電荷泵，來給放大級11和放大級12提供兩路供電電源。其中負電源V_SS的幅值與正電源V_DD的幅值相等、極性相反。因此，電路20不需要大電容值的直流阻隔電容器，而僅需要小電容值負電壓電容器21和飛馳電容器(fly capacitor)22(電容器21和22的典型電容值為1uF)。然而，雖然圖2所示電路20解決大電容值電容器的問題，但是當輸入信號很小時，電路20的功率損耗很大，仍存在低效率的問題。

圖3所示電路為現有技術採用兩路供電電壓的電路30。其中正電源電壓HPV_DD透過由開關電晶體38、開關電晶體39、電感40和電容器41組成的buck電路提供，使得當電路30的輸入信號INL變化時，透過由輸入位準檢測模組31、優化模組32、誤差放大器33、補償網路34、鋸齒波產生器35、PWM比較器36構成的回饋網路調整PWM比較器36的輸出，進而透過驅動電路37調整開關電晶體38和開關電晶體39的導通狀態，而產生相應的正電源電壓HPV_DD。同時電荷泵43接收正電源電壓HPV_DD以產生幅值相同、極性相反的負電源電壓HPV_SS。也即，電路30的放大級42的供電電壓隨著輸入信號INL變化而變化，從而降低功率損耗提高效率。然而電路30存在以下缺點：buck電路佔用很大的佔位佈局面積，使 電路30的電路板面積增大；buck電路輕載狀態下效率很低；需要額外的電感40，增加成本並產生電磁干擾問題。

因此，本案的目的在於提供一種G類音頻放大系統，該G類音頻放大系統可根據音頻輸入信號，調整其供電電壓，從而高效率地輸出高保真音頻放大信號，同時該G類音頻放大系統成本低，空間佔用小。

為實現上述目的，本案公開一種G類音頻放大系統，包括輸入端，接收音頻輸入信號；音頻放大級，耦接至輸入端，輸出音頻放大信號；輸入位準檢測單元，耦接至輸入端，檢測音頻輸入信號的大小，輸出位準檢測信號；電荷泵，耦接至輸入位準檢測單元的輸出端，接收位準檢測信號，輸出正電源信號和負電源信號；其特徵在於所述正電源信號和負電源信號為所述音頻放大級的供電信號。

為實現上述目的，本案還公開一種G類音頻放大方法，包括檢測音頻輸入信號，得到位準檢測信號；回應所述位準檢測信號提供相應電壓級別的正電源信號和負電源信號；接收所述音頻輸入信號、所述正電源信號和所述負電源信號，提供音頻放大信號。

本案的優點在於所提供的G類音頻放大系統保持高效率的同時，可以以更低的成本、更小的空間佔用 而高保真地輸出音頻信號。

10‧‧‧AB類音頻放大器

11、12‧‧‧放大級

13、14‧‧‧揚聲器

15、16‧‧‧直流阻隔電容器

20‧‧‧電路

21‧‧‧電壓電容器

22‧‧‧飛馳電容器

30‧‧‧電路

31‧‧‧輸入位準檢測模組

32‧‧‧優化模組

33‧‧‧誤差放大器

34‧‧‧補償網路

35‧‧‧鋸齒波產生器

36‧‧‧PWM比較器

37‧‧‧驅動電路

38、39‧‧‧開關電晶體

40‧‧‧電感

41‧‧‧電容器

42‧‧‧放大級

43‧‧‧電荷泵

100、100’‧‧‧G類音頻放大系統

101‧‧‧輸入位準檢測單元

102‧‧‧電荷泵

103‧‧‧AB類音頻放大級

104-106‧‧‧電容器

107‧‧‧揚聲器

202、302、402‧‧‧電荷泵

C₁‧‧‧飛馳電容器

C₂‧‧‧負電壓電容器

C₃‧‧‧正電壓電容器

D₅、D₇‧‧‧二極體

HPV_DD‧‧‧正電源電壓/信號

HPV_SS‧‧‧負電源電壓/信號

IN_DET‧‧‧位準檢測信號

INL‧‧‧音頻輸入信號

OUTL‧‧‧音頻放大信號

S₁~S₁₀‧‧‧開關

V_DD‧‧‧正電源/內部電壓源

V_SS‧‧‧負電源

圖1描繪傳統單電源供電的AB類音頻放大器

圖2描繪現有技術用電荷泵模組給音頻放大級提供負電源供電的電路20。

圖3描繪現有技術採用兩路供電電壓的電路30。

圖4描繪根據本案一個實施例的G類音頻放大系統100。

圖5描繪根據本案一個實施例的G類音頻放大系統100。

圖6(a)描繪圖4所示G類音頻放大系統100的工作模式示意圖。

圖6(b)描繪圖4所示G類音頻放大系統100的另一工作模式示意圖。

圖7描繪根據本案一個實施例的用於G類音頻放大系統的電荷泵202。

圖8描繪當圖7所示電荷泵202工作在±0.5X模式時的開關控制波形。

圖9描繪當圖7所示電荷泵202工作在±1X模式時的開關控制波形。

圖10描繪根據本案另一個實施例的用於G類音頻放 大系統的電荷泵302。

圖11描繪當圖10所示電荷泵302工作在±0.5X模式時的開關控制波形。

圖12描繪當圖10所示電荷泵302工作在±1X模式時的開關控制波形。

圖13描繪根據本案的一個示例性G類音頻放大系統100的輸出波形圖。

圖14描繪實現圖13波形的用於G類音頻放大系統的電荷泵402。

圖15描繪當圖14所示電荷泵402工作在±1/3X模式時的開關控制波形。

圖16描繪當圖14所示電荷泵402工作在±1/2X模式時的開關控制波形。

圖17描繪當圖14所示電荷泵402工作在±2/3X模式時的開關控制波形。

圖18描繪當圖14所示電荷泵402工作在±1X模式時的開關控制波形。

圖4為根據本案一個實施例的G類音頻放大系統100。其中G類音頻放大系統100包括輸入端，接收音頻輸入信號INL；AB類音頻放大級103，耦接至輸入端以接收音頻輸入信號INL，並輸出音頻放大信號OUTL至 揚聲器107；輸入位準檢測單元101，耦接至輸入端以檢測音頻輸入信號INL的大小，輸出位準檢測信號IN_DET；電荷泵102，耦接至輸入位準檢測單元101的輸出端，接收位準檢測信號IN_DET，輸出正電源信號HPV_DD和負電源信號HPV_SS。

其中AB類音頻放大級103的正電源HPV_DD和負電源HPV_SS由電荷泵102提供，電容器104和電容器105為提供該正負電源所需電容器，即電容器104為正電壓電容器，耦接在電荷泵102的正電源輸出端和地之間；電容器105為負電壓電容器，耦接在電荷泵102的負電源輸出端和地之間。飛馳電容器106為從電荷泵102的內部電壓源可控制地連接至該正或負電源輸出端的連接電容器。在此實施例中，電容器104、105、106均耦接在電荷泵102的外部，這是因為電容器104、105、106的電容值一般比較大而不容易集成。但是本領域技術人員應該認識到，電容器104、105、106也可集成在電荷泵102內部，如圖5所示的G類音頻放大系統100'。G類音頻放大系統100'將電容器104、105、106均集成進電荷泵102內部。由於圖5所示G類音頻放大系統100'的其他連接關係及工作原理與圖4所示G類音頻放大系統100相同，為敍述簡明，下文僅結合圖4所示G類音頻放大系統100做相應說明。

當G類音頻放大系統100運行時，輸入位準檢測單元101檢測音頻輸入信號INL的大小，並輸出檢測值(即位準檢測信號)至電荷泵102。電荷泵102接收輸入位準檢測單元101輸出的位準檢測信號，輸出相應的正電源信號HPV_DD和負電源信號HPV_SS，使得AB類音頻放大級103的供電電源隨音頻輸入信號INL的改變而改變。

圖6(a)為根據本案一個實施例的G類音頻放大系統100的工作模式示意圖。當G類音頻放大系統100的音頻輸入信號INL的瞬時值小於一預設值V₁時，電荷泵102工作在±0.5X(正/負0.5倍)模式，使電荷泵102提供的HPV_DD=0.5V_DD、HPV_SS=-0.5V_DD，從而使AB類音頻放大級103的電晶體上的壓降相應減小；當G類音頻放大系統100的音頻輸入信號INL的瞬時值大於預設值V₁時，電荷泵102工作在±1X模式，使電荷泵102提供的HPV_DD=V_DD、HPV_SS=-V_DD，從而使AB類音頻放大級103輸出的音頻放大信號不產生失真。當從±1X模式轉換成±0.5X模式時，如果HPV_DD>0.5V_DD、HPV_SS>-0.5V_DD，電荷泵可以不工作，處於休眠狀態。即，G類音頻放大系統100的位準檢測單元101檢測音頻輸入信號INL的瞬時值大小，輸出相應的位準檢測信號IN_DET。

圖6(b)為根據本案一個實施例的G類音頻放大系統100的另一工作模式示意圖。當G類音頻放大系 統100的音頻輸入信號INL的幅值小於一預設值V₁時，電荷泵102工作在±0.5X模式，使電荷泵102提供的HPV_DD=0.5V_DD、HPV_SS=-0.5V_DD，從而使AB類音頻放大級103的電晶體的壓降相應減小；當G類音頻放大系統100的音頻輸入信號INL的幅值大於預設值V₁時，電荷泵102工作在±1X模式，使電荷泵102提供的HPV_DD=V_DD、HPV_SS=-V_DD，從而使AB類音頻放大級103輸出的音頻放大信號不產生失真。當從±1X模式轉換成±0.5X模式時，如果HPV_DD>0.5V_DD、HPV_SS>-0.5V_DD，電荷泵可以不工作，處於休眠狀態。即，G類音頻放大系統100的位準檢測單元101也可以檢測音頻輸入信號INL的幅值，輸出相應的位準檢測信號IN_DET。

圖7為根據本案一個實施例的用於G類音頻放大系統的電荷泵202。如圖7所示，電荷泵202包括開關S₁~S₇、飛馳電容器C₁、負電壓電容器C₂、正電壓電容器C₃、內部電壓源V_DD、節點1~5。其中正電壓電容器C₃耦接在電荷泵202的正電源輸出端和地之間；負電壓電容器C₂耦接在電荷泵202的負電源輸出端和地之間；飛馳電容器C₁的一端耦接至內部電壓源V_DD，其另一端耦接至開關可控制地連接於電荷泵202的正電源輸出端或電荷泵202的負電源輸出端。開關S₁~S₇可以是任何可控半導體開關器件，例如金屬氧化物半導體場效應電晶體 (MOSFET)、絕緣柵雙極電晶體(IGBT)等。具體來說，開關S₁耦接在節點3和節點4之間；開關S₂耦接在節點3和地之間；開關S₃耦接在節點1和節點4之間；開關S₄耦接在節點1和節點3之間；開關S₅耦接在節點1和節點5之間；開關S₆耦接在節點5和地之間；開關S₇耦接在節點2和節點5之間；飛馳電容器C₁耦接在節點3和節點5之間；負電壓電容器C₂耦接在節點2和地之間；正電壓電容器C₃耦接在節點2和地之間；內部電壓源V_DD耦接在節點4和地之間。可以看到，節點1為電荷泵202的正電源輸出端，節點2為電荷泵202的負電源輸出端。當採用不同的控制方式控制開關S₁~S₇閉合與斷開，可在節點1與節點2得到不同的電壓HPV_DD和HPV_SS。

如圖8所示為當電荷泵202工作在±0.5X模式時各開關的控制波形。

如圖8所示，各開關的控制時序如下：第一步，控制開關S₁和開關S₅閉合，控制其他開關斷開，則內部電壓源V_DD、開關S₁、飛馳電容器C₁、開關S₅、正電壓電容器C₃形成串聯閉合回路，飛馳電容器C₁兩端電壓被充至電壓V_C1，正電壓電容器C₃兩端電壓被充電至V_C3，並且V_C1+V_C3=V_DD，飛馳電容器C1和正電壓電容器C3兩端電壓均為上正下負，即HPV_DD=V_C3； 第二步，控制開關S₂和開關S₇閉合，控制其他開關斷開，則開關S₂、飛馳電容器C₁、開關S₇、負電壓電容器C₂構成閉合回路，飛馳電容器C₁與負電壓電容器C₂並聯，飛馳電容器C₁向負電壓電容器C₂放電，使負電壓電容器C₂兩端電壓V_C2=V_C1，並且負電壓電容器C₂兩端電壓極性為上負下正，即HPV_SS=-V_C1；第三步，控制開關S₄和開關S₆閉合，控制其他開關斷開，則開關S₆、飛馳電容器C₁、開關S₄、正電壓電容器C₃構成閉合回路，飛馳電容器C₁與正電壓電容器C₃並聯，使得飛馳電容器C₁與正電壓電容器C₃兩端電壓相等，即V_C1=V_C3，而V_C1+V_C3=V_DD，則V_C1=V_C3=0.5V_DD，HPV_DD=V_C3=+0.5V_DD，HPV_SS=-V_C1=-0.5V_DD。上述過程迴圈進行，以得到穩定的HPV_DD=+0.5V_DD、HPV_SS=-0.5V_DD，從而實現±0.5X工作模式。

如圖9所示為當電荷泵202工作在±1X模式時各開關的控制波形。

如圖9所示，各開關的控制時序如下：第一步，控制開關S₁和開關S₆閉合，控制開關S₃保持長時間閉合，控制其他開關斷開，則內部電壓源V_DD、開關S₁、飛馳電容器C₁、開關S₆形成串聯閉合回路，同時內部電壓源V_DD、開關S₃、正電壓電容器C₃也形成串聯閉合回路，飛馳電容器C₁和正電壓電容器C₃ 被充電至V_DD，並且飛馳電容器C1兩端電壓極性為上正下負，正電壓電容器C3兩端電壓極性也為上正下負，即HPV_DD=+V_DD；第二步，控制開關S₂和開關S₇閉合，開關S₃繼續保持閉合，其他開關斷開，則開關S₂、飛馳電容器C₁、開關S₇、負電壓電容器C₂構成閉合回路，飛馳電容器C₁與負電壓電容器C₂並聯，飛馳電容器C₁向負電壓電容器C₂放電，使負電壓電容器C₂兩端電壓達到V_DD，並且負電壓電容器C₂兩端電壓極性為上負下正，即HPV_SS=-V_DD。上述過程迴圈進行，以得到穩定的HPV_DD=+V_DD、HPV_SS=-V_DD，從而實現±1X工作模式。

圖10所示為根據本案另一個實施例的用於G類音頻放大系統的電荷泵302。與圖7所示電荷泵202不同的是，電荷泵302用二極體D₅取代原開關S₅，用二極體D₇取代原開關S₇，而電荷泵302的其他部分與電荷泵202相同並採用相同附圖標記。這裏為敍述簡明，不再描述其連接方式。

如圖11所示為當電荷泵302工作在±0.5X模式時各開關的控制波形。

如圖11所示，各開關的控制時序如下：第一步，控制開關S₁閉合，控制其他開關斷開，則內部電壓源V_DD、開關S₁、飛馳電容器C₁、二極體 D₅、正電壓電容器C₃形成串聯閉合回路，飛馳電容器C₁兩端電壓被充至電壓V_C1，正電壓電容器C₃兩端電壓各被充電至V_C3，並且V_C1+V_C3=V_DD，飛馳電容器C1和正電壓電容器C₃兩端電壓均為上正下負，即HPV_DD=V_C3；第二步，控制開關S₂閉合，控制其他開關斷開，則開關S₂、飛馳電容器C₁、二極體D₇、負電壓電容器C₂構成閉合回路，飛馳電容器C₁與負電壓電容器C₂並聯，飛馳電容器C₁向負電壓電容器C₂放電，使負電壓電容器C₂兩端電壓V_C2=V_C1，並且負電壓電容器C₂兩端電壓極性為上負下正，即HPV_SS=-V_C1；第三步，控制開關S₄和開關S₆閉合，控制其他開關斷開，則開關S₆、飛馳電容器C₁、開關S₄、正電壓電容器C₃構成閉合回路，飛馳電容器C₁與正電壓電容器C₃並聯，使得飛馳電容器C₁與正電壓電容器C₃兩端電壓相等，即V_C1=V_C3，而V_C1+V_C3=V_DD，則V_C1=V_C3=0.5V_DD，HPV_DD=V_C3=+0.5V_DD，HPV_SS=-V_C1=-0.5V_DD。上述過程迴圈進行，以得到穩定的HPV_DD=+0.5V_DD、HPV_SS=-0.5V_DD，從而實現±0.5X工作模式。

如圖12所示為當電荷泵302工作在±1X模式時各開關的控制波形。

如圖12所示，各開關的控制時序如下：第一步，控制開關S₁和開關S₆閉合，控制開 關S₃保持長時間閉合，其他開關斷開，則內部電壓源V_DD、開關S₁、飛馳電容器C₁、開關S₆形成串聯閉合回路，同時內部電壓源V_DD、開關S₃、正電壓電容器C₃也形成串聯閉合回路，飛馳電容器C₁和正電壓電容器C₃被充電至V_DD，並且飛馳電容器C₁和正電壓電容器C₃兩端電壓極性均為上正下負，即HPV_DD=+V_DD；第二步，控制開關S₂閉合，控制開關S₃繼續保持閉合，控制其他開關斷開，則開關S₂、飛馳電容器C₁、二極體D₇、負電壓電容器C₂構成閉合回路，飛馳電容器C₁與負電壓電容器C₂並聯，飛馳電容器C₁向負電壓電容器C₂放電，使負電壓電容器C₂兩端電壓達到V_DD，並且負電壓電容器C₂兩端電壓極性為上負下正，即HPV_SS=-V_DD。上述過程迴圈進行，以得到穩定的HPV_DD=+V_DD、HPV_SS=-V_DD，從而實現±1X工作模式。

如上所述的電荷泵202和電荷泵302，其中開關S₁和開關S₃工作在開關狀態。但本領域的技術人員應該認識到，開關S₁和開關S₃也可以工作為可控電流源模式。即，當開關S₁被控制導通時，內部電壓源V_DD和開關S₁等效為一可控電流源，使得飛馳電容器C₁兩端電壓以一定速率上升而不會突變；當開關S₁被控制斷開時，內部電壓源V_DD和飛馳電容器C₁的耦接被斷開。同理，當開關S₃被控制導通時，內部電壓源V_DD和開關S₃等效 為一可控電流源，使得正電壓電容器C₃兩端電壓以一定速率上升而不會突變；當開關S₃被控制斷開時，內部電壓源V_DD和正電壓電容器C₃的耦接被斷開。

因此，如圖4所示的G類放大系統100，當其音頻輸入信號INL小於V₁時，可使電荷泵102工作在±0.5X模式，以得到HPV_DD=+0.5V_DD、HPV_SS=-0.5V_DD的放大級供電電壓；當G類放大系統100的音頻輸入信號INL大於V₁時，可使電荷泵102工作在±1X模式，以得到HPV_DD=+V_DD、HPV_SS=-V_DD的放大級供電電壓。當G類放大系統100從±1X模式轉換成±0.5X模式時，如果HPV_DD>0.5V_DD、HPV_SS>-0.5V_DD，電荷泵可以不工作，處於休眠狀態。因此，針對G類放大系統的不同輸入，本案可提供不同的供電電壓，從而使得G類放大系統降低功率損耗，提高效率。

當然，本案可為G類放大系統的放大級提供任意電壓等級的供電電壓，如±V_DD/N,±2V_DD/N,±3V_DD/N，‧‧‧，±(N-2)V_DD/N，±(N-1)V_DD/N，±V_DD/2，±V_DD等，其中N為任意需要的電壓等級數，只要把飛馳電容器C₁替換為相應N-1個串聯電容器。

圖13為根據本案上述要求的其中一個示例性G類音頻放大系統100的輸出波形圖，此時N為3。當G類音頻放大系統100的音頻輸入信號INL的瞬時值小於預 設值V₂時，電荷泵102工作在±1/3X模式，從而使電荷泵102提供的HPV_DD=1/3V_DD、HPV_SS=-1/3V_DD；當G類音頻放大系統100的音頻輸入信號INL的瞬時值大於預設值V₂小於預設值V₃時，電荷泵102工作在±1/2X模式，從而使電荷泵102提供的HPV_DD=1/2V_DD、HPV_SS=-1/2V_DD；當G類音頻放大系統100的音頻輸入信號INL的瞬時值大於預設值V₃小於預設值V₄時，電荷泵102工作在±2/3X模式，從而使電荷泵102提供的HPV_DD=2/3V_DD、HPV_SS=-2/3V_DD；當G類音頻放大系統100的音頻輸入信號INL的瞬時值大於預設值V₄時，電荷泵102工作在±1X模式，從而使電荷泵102提供的HPV_DD=V_DD、HPV_SS=-V_DD。當G類音頻放大系統100從高倍模式轉換至低倍模式時，如果輸出高於預設數值，則G類音頻放大系統可以處於休眠狀態，電荷泵不開關。圖13描述的是判斷音頻輸入信號INL的瞬時值大小，以使電荷泵102工作在相應模式，然而本領域的技術人員應該認識到，也可以判斷音頻輸入信號INL的幅值，以使電荷泵102工作在相應模式。

圖14為根據圖13波形圖要求的用於G類音頻放大系統的電荷泵402。其中N為3，則飛馳電容器C₁被替換為2個串聯電容器(第一飛馳電容器C₁和第二飛馳電容器C₄)。即第一飛馳電容器C₁的一端耦接至內部電壓 源V_DD，其另一端耦接在電荷泵402的正電源輸出端和電荷泵的負電源輸出端；第二飛馳電容器C₄與第一飛馳電容器C₁並聯耦接。如圖14所示，電荷泵402包括開關S₁~S₁₀、第一飛馳電容器C₁、負電壓電容器C₂、正電壓電容器C₃、第二飛馳電容器C₄、內部電壓源V_DD、節點1~7。與圖7所示電荷泵202不同的是，電荷泵402在節點3和節點5之間還包括節點6和節點7。其中節點3和節點6之間耦接第一飛馳電容器C₁，節點5和節點7之間耦接第二飛馳電容器C4，節點3和節點7之間耦接開關S₈，節點5和節點6之間耦接開關S₉；節點6和節點7之間耦接開關S₁₀。電荷泵402的其他部分與圖7所示電荷泵202相同，並採用相同的附圖標記。透過採用不同的控制方式控制開關S₁~S₇閉合與斷開，可在節點1與節點2得到不同的電壓HPV_DD和HPV_SS。

如圖15所示為當G類放大系統的輸入小於預設值V2時，電荷泵402工作在±1/3X模式時各開關的控制波形。

如圖15所示，各開關的控制時序如下：第一步，控制開關S1、開關S5和開關S10閉合，控制其他開關斷開，則內部電壓源VDD、開關S1、第一飛馳電容器C1、開關S10、第二飛馳電容器C4、開關S5、 正電壓電容器C3形成串聯閉合回路，第一飛馳電容器C1兩端電壓被充至電壓VC1，負電壓電容器C2兩端電壓被充至電壓VC2，正電壓電容器C3兩端電壓被充電至VC3，並且VC1+VC2+VC3=VDD，第一飛馳電容器C1、第二飛馳電容器C4、正電壓電容器C3兩端電壓均為上正下負，即HPVDD=+VC3；第二步，控制開關S2、開關S7、開關S8和開關S9閉合，控制其他開關斷開，則開關S2、開關S8、第二飛馳電容器C4、開關S7、負電壓電容器C2構成閉合回路，同時開關S2、第一飛馳電容器C1、開關S9、開關S7、負電壓電容器C2構成閉合回路，第一飛馳電容器C1、負電壓電容器C2、第二飛馳電容器C4彼此並聯耦接，第一飛馳電容器C1和第二飛馳電容器C4向負電壓電容器C2放電，使負電壓電容器C2兩端電壓VC2=VC1=VC4，並且負電壓電容器C2兩端電壓極性為上負下正，即HPVSS=-VC1；第三步，控制開關S4、開關S6、開關S8和開關S9閉合，其他開關斷開，則開關S6、開關S9、第一飛馳電容器C1、開關S4、正電壓電容器C3構成閉合回路，同時開關S6、第二飛馳電容器C4、開關S8、開關S4、正電壓電容器C3構成閉合回路，第一飛馳電容器 C1、正電壓電容器C3、第二飛馳電容器C4彼此並聯耦接，使得第一飛馳電容器C1、第二飛馳電容器C4、正電壓電容器C3兩端電壓相等，即VC1=VC3=VC4，而VC1+VC3+VC4=VDD，則VC1=VC3=VC4=1/3VDD，HPVDD=VC3=+1/3VDD，HPVSS=-VC1=-1/3VDD。上述過程迴圈進行，以得到穩定的HPVDD=+1/3VDD、HPVSS=-1/3VDD，從而實現±1/3X工作模式。

如圖16所示為當G類放大系統的輸入大於預設值V2小於預設值V3，電荷泵402工作在±1/2X模式時各開關的控制波形。

如圖16所示，各開關的控制時序如下：第一步，控制開關S1和開關S5閉合，控制開關S8和開關S9持續閉合，控制其他開關斷開，則內部電壓源VDD、開關S1、第一飛馳電容器C1、開關S9、開關S5、正電壓電容器C3形成串聯閉合回路，同時內部電壓源VDD、開關S1、開關S8、第二飛馳電容器C4、開關S5、正電壓電容器C3形成串聯閉合回路，即第一飛馳電容器C1和第二飛馳電容器C4並聯耦接後與正電壓電容器C3串聯耦接在內部電壓源VDD和地之間，第一飛馳電容器C1兩端電壓被充電至VC1，第二飛馳電容器C4兩端電壓被充電至VC4，正電壓電容器C3兩端電壓被充電 至VC3，並且VC1=VC4，VC1+VC3=VDD，第一飛馳電容器C1、正電壓電容器C3、第二飛馳電容器C4兩端電壓極性均上正下負，即HPVDD=+VC3；第二步，控制開關S2、開關S7閉合，繼續控制開關S8和開關S9持續閉合，控制其他開關斷開，則開關S2、開關S8、第二飛馳電容器C4、開關S7、負電壓電容器C2構成閉合回路，同時開關S2、第一飛馳電容器C1、開關S9、開關S7、負電壓電容器C2構成閉合回路，第一飛馳電容器C1、負電壓電容器C2、第二飛馳電容器C4彼此並聯，第一飛馳電容器C1和第二飛馳電容器C4向負電壓電容器C2放電，使負電壓電容器C2兩端電壓VC2=VC1=VC4，並且負電壓電容器C2兩端電壓極性為上負下正，即HPVSS=-VC1；第三步，控制開關S4、開關S6閉合，繼續控制開關S8和開關S9持續閉合，其他開關斷開，則開關S6、開關S9、第一飛馳電容器C1、開關S4、正電壓電容器C3構成閉合回路，同時開關S6、第二飛馳電容器C4、開關S8、開關S4、正電壓電容器C3構成閉合回路，第一飛馳電容器C1、正電壓電容器C3、第二飛馳電容器C4彼此並聯，使得第一飛馳電容器C1、第二飛馳電容器C4、正電壓電容器C3兩端電壓相等，即VC1=VC3=VC4，而 VC1+VC3=VDD，則VC1=VC3=VC4=1/2VDD，HPVDD=VC3=+1/2VDD，HPVSS=-VC1=-1/2VDD。上述過程迴圈進行，以得到穩定的HPVDD=+1/2VDD、HPVSS=-1/2VDD，從而實現±1/2X工作模式。

如圖17所示為當G類放大系統的輸入大於預設值V3小於預設值V4，電荷泵402工作在±2/3X模式時各開關的控制波形。

如圖17所示，各開關的控制時序如下：第一步，控制開關S1、開關S5、開關S8和開關S9閉合，控制其他開關斷開，則內部電壓源VDD、開關S1、第一飛馳電容器C1、開關S9、開關S5、正電壓電容器C3形成串聯閉合回路，同時內部電壓源VDD、開關S1、開關S8、第二飛馳電容器C4、開關S5、正電壓電容器C3形成串聯閉合回路，即第一飛馳電容器C1和第二飛馳電容器C4並聯耦接後與正電壓電容器C3串聯耦接在內部電壓源VDD和地之間，第一飛馳電容器C1兩端電壓被充電至VC1，第二飛馳電容器C4兩端電壓被充電至VC4，正電壓電容器C3兩端電壓被充電至VC3，並且VC1=VC4，VC1+VC3=VDD，第一飛馳電容器C1、正電壓電容器C3、第二飛馳電容器C4兩端電壓極性均上正下負，即HPVDD=+VC3； 第二步，控制開關S2、開關S7和開關S10閉合，控制其他開關斷開，則開關S2、第一飛馳電容器C1、開關S10、第二飛馳電容器C4、開關S7、負電壓電容器C2構成閉合回路，第一飛馳電容器C1與第二飛馳電容器C4串聯耦接後與負電壓電容器C2並聯耦接，第一飛馳電容器C1和第二飛馳電容器C4向負電壓電容器C2放電，使負電壓電容器C2兩端電壓VC2=VC1+VC4，並且負電壓電容器C2兩端電壓極性為上負下正，即HPVSS=-VC2；第三步，控制開關S4、開關S6和開關S10閉合，控制其他開關斷開，則開關S6、第二飛馳電容器C4、開關S10、第一飛馳電容器C1、開關S4、正電壓電容器C3構成閉合回路，第一飛馳電容器C1與第二飛馳電容器C4串聯耦接後與正電壓電容器C3並聯，使得VC3=VC1+VC4，而VC1=VC4，VC1+VC3=VDD，因此VC1=VC4=1/3VDD，VC3=2/3VDD，VC2=2/3VDD。因此HPVDD=+VC3=+2/3VDD，HPVSS=-VC2=-2/3VDD。上述過程迴圈進行，以得到穩定的HPVDD=+2/3VDD、HPVSS=-2/3VDD，從而實現±2/3X工作模式。

如圖18所示為當G類放大系統的輸入大於預設值V4、電荷泵402工作在±1X模式時各開關的控制波 形。

如圖18所示，各開關的控制時序如下：第一步，控制開關S1和開關S6閉合，控制S3、開關S8和開關S9持續閉合，控制其他開關斷開，則內部電壓源VDD持續給正電壓電容器C3充電，以得到HPVDD=+VDD，同時內部電壓源VDD、開關S1、第一飛馳電容器C1、開關S9、開關S6形成串聯閉合回路，內部電壓源VDD、開關S1、開關S8、第二飛馳電容器C4、開關S6形成串聯閉合回路，即第一飛馳電容器C1和第二飛馳電容器C4並聯耦接在內部電壓源VDD和地之間，因此第一飛馳電容器C1和第二飛馳電容器C4兩端電壓被充電至VDD，並且第一飛馳電容器C1和正電壓電容器C3兩端電壓極性均上正下負；第二步，控制開關S2和開關S7閉合，繼續控制開關S3、開關S8和開關S9持續閉合，控制控制其他開關斷開，則開關S2、第一飛馳電容器C1、開關S9、開關S7、負電壓電容器C2構成閉合回路，同時開關S2、開關S8、第二飛馳電容器C4、開關S7、負電壓電容器C2也構成閉合回路，第一飛馳電容器C1、第二飛馳電容器C4和負電壓電容器C2彼此並聯耦接，第一飛馳電容器C1和第二飛馳電容器C4向負電壓電容器C2放電，使 負電壓電容器C2兩端電壓值達到VDD，並且負電壓電容器C2兩端電壓極性為上負下正，即HPVSS=-VDD。上述過程迴圈進行，以得到穩定的HPVDD=+VDD、HPVSS=-VDD，從而實現±1X工作模式。

如上所述的電荷泵402，其中開關S1和開關S3工作在開關狀態。但本領域的技術人員應該認識到，開關S1和開關S3也可以工作為可控電流源模式。即，當開關S1被控制導通時，內部電壓源VDD和開關S1等效為一可控電流源，使得第一飛馳電容器C1和第二飛馳電容器C2兩端電壓以一定速率上升而不會突變；當開關S1被控制斷開時，內部電壓源VDD和飛馳電容器C1的耦接被斷開。同理，當開關S3被控制導通時，內部電壓源VDD和開關S3等效為一可控電流源，使得正電壓電容器C3兩端電壓以一定速率上升而不會突變；當開關S3被控制斷開時，內部電壓源VDD和正電壓電容器C3的耦接被斷開。

當需要其他電壓等級的供電電壓時，本領域技術人員可參照圖13所示，將圖7電荷泵202中電容器改為相應串聯電容器即可，這裏不再詳述。

上述圖8、9、11、12、15、16、17和圖8的開關控制波形為電壓波形，但是本領域的技術人員應該認 識到，開關控制波形也可為電流波形及其他相關控制信號。

本案還提供一種G類音頻放大方法，包括透過輸入位準檢測單元檢測音頻輸入信號INL，得到位準檢測信號；透過電荷泵回應所述位準檢測信號，並提供相應電壓級別的正電源信號和負電源信號；透過G類音頻放大級接收所述音頻輸入信號、所述正電源信號和所述負電源信號，並提供音頻放大信號。其中在一個實施例中，所述電荷泵包括內部電壓源、正電壓電容器、負電壓電容器和飛馳電容器，所述正電壓電容器耦接在電荷泵的正電源輸出端和地之間；負電壓電容器耦接在電荷泵的負電源輸出端和地之間飛馳電容器的一端耦接至所述內部電壓源，其另一端耦接在所述電荷泵的正電源輸出端和電荷泵的負電源輸出端。其中在另一個實施例中，所述電荷泵包括內部電壓源、正電壓電容器、負電壓電容器、第一飛馳電容器和第二飛馳電容器，所述正電壓電容器耦接在電荷泵的正電源輸出端和地之間；負電壓電容器耦接在電荷泵的負電源輸出端和地之間；第一飛馳電容器的一端耦接至所述內部電壓源，其另一端耦接在所述電荷泵的正電源輸出端和電荷泵的負電源輸出端；第二飛馳電容器與第一飛馳電容器並聯耦接。

本案G類音頻放大方法利用上述電路透過上述開關的時序控制，可以針對G類放大系統的不同輸入提供不同的供電電壓從而使得G類放大系統降低功率損耗，提高效率。

需要聲明的是，上述發明內容及具體實施方式意在證明本案所提供技術方案的實際應用，不應解釋為對本案保護範圍的限定。本領域技術人員在本案的精神和原理內，當可作各種修改、等同替換、或改進。本案的保護範圍以所附申請專利範圍為准。

100‧‧‧G類音頻放大系統

101‧‧‧輸入位準檢測單元

102‧‧‧電荷泵

103‧‧‧AB類音頻放大級

104-106‧‧‧電容器

107‧‧‧揚聲器

HPV_DD‧‧‧正電源電壓/信號

HPV_SS‧‧‧負電源電壓/信號

IN_DET‧‧‧位準檢測信號

INL‧‧‧音頻輸入信號

OUTL‧‧‧音頻放大信號

Claims (20)

1. 一種G類音頻放大系統，包括：輸入端，接收音頻輸入信號；音頻放大級，耦接至所述輸入端，輸出音頻放大信號；輸入位準檢測單元，耦接至所述輸入端，檢測所述音頻輸入信號的大小，輸出位準檢測信號；和電荷泵，耦接至所述輸入位準檢測單元的輸出端，接收所述位準檢測信號，輸出正電源信號和負電源信號；所述正電源信號和所述負電源信號向所述音頻放大級供電；其中，所述電荷泵包括：內部電壓源，其正端透過第三開關可控地通斷於所述電荷泵的正電源輸出端；正電壓電容，耦接在所述電荷泵的正電源輸出端和地之間；負電壓電容，耦接在所述電荷泵的負電源輸出端和地之間；第一飛馳電容器，其一端透過第一開關可控制地通斷於所述內部電壓源的正端，透過第二開關可控地通斷於地，透過第四開關可控地通斷於所述電荷泵的正電源輸出端；和第二飛馳電容器，其一端透過第五開關或二極體與所 述電荷泵的正電源輸出端耦接，透過第六開關可控地通斷於地，透過第七開關或二極體與所述電荷泵的負電源輸出端耦接，透過第九開關可控制地通斷於所述第一飛馳電容器的另一端；其另一端透過第八開關可控制地通斷於所述第一飛馳電容器的一端，透過第十開關可控制地通斷於所述第一飛馳電容器的另一端；所述第一開關至第十開關都是可控開關。
2. 如申請專利範圍第1項之G類音頻放大系統，其中，還包括揚聲器，耦接至所述音頻放大級的輸出端。
3. 如申請專利範圍第1項之G類音頻放大系統，其中，所述音頻輸入信號的大小為所述音頻輸入信號的瞬時值。
4. 如申請專利範圍第1項之G類音頻放大系統，其中，所述音頻輸入信號的大小為所述音頻輸入信號的幅值。
5. 如申請專利範圍第1項之G類音頻放大系統，其中，當所述電荷泵從高倍模式轉換至低倍模式時，若所述G類音頻放大系統的輸出大於預設值，所述G類音頻放大系統處於休眠模式。
6. 如申請專利範圍第1項之G類音頻放大系統，其中，所述電荷泵能夠提供±1/3倍、±1/2倍、±2/3倍、±1倍的工作模式。
7. 如申請專利範圍第1項之G類音頻放大系統，其中，所述第一開關和所述第三開關為可控電流源開關。
8. 如申請專利範圍第1項之G類音頻放大系統，其中，所述位準檢測信號的大小與所述音頻輸入信號的大小成正比變化。
9. 如申請專利範圍第1或8項之G類音頻放大系統，其中，所述正電源信號與所述負電源信號幅值相等，並與所述位準檢測信號的大小成正比變化。
10. 一種G類音頻放大系統，包括：輸入端，接收音頻輸入信號；音頻放大級，耦接至所述輸入端，輸出音頻放大信號；輸入位準檢測單元，耦接至所述輸入端，檢測所述音頻輸入信號的大小，輸出位準檢測信號；和電荷泵，耦接至所述輸入位準檢測單元的輸出端，接收所述位準檢測信號，輸出正電源信號和負電源信號；所述正電源信號和所述負電源信號向所述音頻放大級供電；其中，所述電荷泵包括：內部電壓源，其正端透過第三開關可控地通斷於所述電荷泵的正電源輸出端；正電壓電容，耦接在所述電荷泵的正電源輸出端和地 之間；負電壓電容，耦接在所述電荷泵的負電源輸出端和地之間；第一飛馳電容器，其一端透過第一開關可控制地通斷於所述內部電壓源的正端，透過第二開關可控地通斷於地，透過第四開關可控地通斷於所述電荷泵的正電源輸出端；和第二飛馳電容器，其一端透過第五開關或二極體與所述電荷泵的正電源輸出端耦接，透過第六開關可控地通斷於地，透過第七開關或二極體與所述電荷泵的負電源輸出端耦接，透過第九開關可控制地通斷於所述第一飛馳電容器的另一端；其另一端透過第八開關可控制地通斷於所述第一飛馳電容器的一端，透過第十開關可控制地通斷於所述第一飛馳電容器的另一端；所述第一開關至第十開關都是可控半導體開關器件。
11. 如申請專利範圍第10項之G類音頻放大系統，其中，所述電荷泵能夠提供±1/3倍、±1/2倍、±2/3倍、±1倍的工作模式。
12. 一種G類音頻放大方法，包括：檢測音頻輸入信號，得到位準檢測信號；透過電荷泵回應所述位準檢測信號，並提供相應電壓 級別的正電源信號和負電源信號；和接收所述音頻輸入信號、所述正電源信號和所述負電源信號，提供音頻放大信號；其中，所述電荷泵包括：內部電壓源，其正端透過第三開關可控制地通斷於所述電荷泵的正電源輸出端；正電壓電容器，耦接在所述電荷泵的正電源輸出端和地之間；負電壓電容器，耦接在所述電荷泵的負電源輸出端和地之間；第一飛馳電容器，其一端透過第一開關可控制地通斷於所述內部電壓源的正端，透過第二開關可控制地通斷於地，透過第四開關可控制地通斷於所述電荷泵的正電源輸出端；和第二飛馳電容器，其一端透過第五開關或二極體與所述電荷泵的正電源輸出端耦接，透過第六開關可控制地通斷於地，透過第七開關或二極體與所述電荷泵的負電源輸出端耦接，透過第九開關可控制地通斷於所述第一飛馳電容器的另一端；其另一端透過第八開關可控制地通斷於所述第一飛馳電容器的一端，透過第十開關可控制地通斷於所述第一飛馳電容器的另一端；所述第一開關至第十開關都是可控開關。
13. 如申請專利範圍第12項之G類音頻放大方法，其中，所述位準檢測信號的大小與所述音頻輸入信號的大小成正比變化。
14. 如申請專利範圍第12或13項之G類音頻放大方法，其中，所述正電源信號與所述負電源信號幅值相等，並與所述位準檢測信號的大小成正比變化。
15. 如申請專利範圍第12項之G類音頻放大方法，其中，透過輸入位準檢測單元檢測所述音頻輸入信號，並得到所述位準檢測信號。
16. 如申請專利範圍第12項之G類音頻放大方法，其中，透過音頻放大級接收所述音頻輸入信號、所述正電源信號和所述負電源信號，並提供所述音頻放大信號。
17. 如申請專利範圍第12項之G類音頻放大方法，其中，所述回應位準檢測信號，並提供所述相應電壓級別的正電源信號和負電源信號的方法如下：第一步，控制第一開關、第五開關和第十開關閉合，控制其他開關斷開；第二步，控制第二開關、第七開關、第八開關和第九開關閉合，控制其他開關斷開；和第三步，控制第四開關、第六開關、第八開關和第九開關閉合，其他開關斷開； 上述過程迴圈進行，實現±1/3倍的工作模式。
18. 如申請專利範圍第12項之G類音頻放大方法，其中，所述回應位準檢測信號，並提供所述相應電壓級別的正電源信號和負電源信號的方法如下：第一步，控制第一開關和第五開關閉合，控制第八開關和第九開關持續閉合，控制其他開關斷開；第二步，控制第二開關、第七開關閉合，繼續控制第八開關和第九開關持續閉合，控制其他開關斷開；和第三步，控制第四開關、第六開關閉合，繼續控制第八開關和第九開關持續閉合，其他開關斷開；上述過程迴圈進行，實現±1/2倍的工作模式。
19. 如申請專利範圍第12項之G類音頻放大方法，其中，所述回應位準檢測信號，並提供所述相應電壓級別的正電源信號和負電源信號的方法如下：第一步，控制第一開關、第五開關、第八開關和第九開關閉合，控制其他開關斷開；第二步，控制第二開關、第七開關和第十開關閉合，控制其他開關斷開；和第三步，控制第四開關、第六開關和第十開關閉合，控制其他開關斷開；上述過程迴圈進行，實現±2/3倍的工作模式。
20. 如申請專利範圍第12項之G類音頻放大方法，其中，所述回應位準檢測信號，並提供所述相應電壓級別的正電源信號和負電源信號的方法如下：第一步，控制第一開關和第六開關閉合，控制第三開關、第八開關和第九開關持續閉合，控制其他開關斷開；和第二步，控制第二開關和第七開關閉合，繼續控制第三開關、第八開關和第九開關持續閉合，控制其他開關斷開；上述過程迴圈進行，實現±1倍的工作模式。