TWI500258B - 具有減小的輸出瞬變的放大器及其方法 - Google Patents

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Description

具有減小的輸出瞬變的放大器及其方法
本公開一般涉及放大器，且更特別地涉及放大器中的瞬變抑制(transient suppression)。
放大器，例如音頻放大器，會在最初向放大器施加操作功率或偏壓時，以及在從放大器去除功率或偏壓時產生不希望有的輸出瞬態信號。瞬態信號，通常稱為瞬變，一般是短時間的電壓或電流的寄生(spurious)突發性脈衝。瞬變可起因於許多種情況，例如耦合電容器上的電壓差動、放大器級處或級內的電路不平衡，以及參考電壓中的突然變化。瞬變，通常所說的「哢噠聲」或「砰聲」可能在聽覺上打擾聽者，且可能對放大器的輸出電路以及對連接的揚聲器或其他電聲負載裝置有害。
已研發了技術以試圖防止或抑制寄生瞬變，但可能不能處理瞬變的所有來源。這樣的技術可以減弱瞬變的聽覺結果，但不能保護音頻系統的所有部分免受損害。這些技術一般包括用於暫時限制放大器的增益或使放大器的輸出與連接的負載裝置相隔離的延遲元件和開關。瞬變會給任何類型的放大器，例如音頻放大器、射頻放大器，以及工業和科學儀器放大器帶來問題。
通過參考附圖可更好地理解本公開，且其許多的特徵和優點對本領域技術人員將變得明顯。
圖1以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出包括先前已知的常規瞬變抑制方法的音頻放大器電路100。音頻放大器電路100包括音頻放大器110、記為「R2」的電阻器120、記為「R1」的電阻器130、記為「負載」的負載140、延遲元件150和開關160。音頻放大器110具有反相輸入、接收記為「VREF」的參考信號的非反相輸入、提供記為「VOUT」的信號的輸出，和接收記為「ON」的信號的功率控制輸入端子。電阻器120具有接收記為「VIN」的輸入信號的第一端子和連接到音頻放大器110的反相輸入的第二端子。電阻器130具有連接到音頻放大器110的反相輸入的第一端子和連接到音頻放大器110的輸出的第二端子。負載140具有連接到音頻放大器110的輸出的第一端子和同樣接收信號VREF的第二端子。開關160具有連接到音頻放大器110的反相輸入的第一端子、連接到音頻放大器110的輸出的第二端子，和控制端子。延遲元件150具有接收信號ON的輸入和連接到開關160的控制端子的輸出。
音頻放大器電路100配置成接收信號VIN並提供信號VOUT給負載140，例如揚聲器。信號VOUT調和地基本上與信號VIN一致，而通過方程式： 相對於VIN的電位調節信號VOUT的電位，其中R1代表以歐姆為單位的電阻器130的值，R2代表以歐姆為單位的電阻器120的值，VREF代表信號VREF的電位，VIN代表輸入 信號VIN的電位，以及VOUT代表信號VOUT的電位。信號VOUT的電位與信號VIN的電位之比稱為音頻放大器電路100的增益。音頻放大器電路100稱為負回饋放大器。
在最初通過使信號ON有效向音頻放大器110施加操作功率時，音頻放大器110會在信號VOUT處產生寄生瞬變。這些瞬變在負載140處可能被聽為哢噠聲或砰聲。抑制瞬變的常規技術是併入和配置延遲元件150和開關160，以使得開關160在信號ON的有效後保持開合達預定的時間間隔。當開關160開合時，電阻器130的端子被短路接在一起，而音頻放大器電路100的增益因此被設定為零。此操作模式稱為單位增益模式。延遲元件150提供的時間間隔的持續時間配置成大於可能產生瞬變的時間量。在延遲間隔經過之後，斷開開關160以使音頻放大器電路100的增益被先前描述的方程式配置。
單獨使用延遲元件和開關來控制放大器的增益，以及相關的技術在當施加操作功率時消除放大器的輸出處的不希望有的瞬變方面可能不完全有效。例如，突然斷開或閉合開關，例如開關160，也能導致寄生瞬變的產生。而且，即使具有圍繞放大器閉合的開關，瞬變也能在操作功率被施加到放大器或從放大器去除時產生，而現有技術通常要求附加的電路來用於有效的瞬變抑制。這些一般包括用比較器控制延遲元件，所述比較器本身在開啟(turn on)或關閉(turn off)階段期間通過放大器的輸出以及通過參考電壓驅動。
另一種常規瞬變抑制技術利用延遲元件和開關以在施加操作功率時暫時將負載從放大器的輸出斷開。此技術可能不能保護音頻放大器的輸出級中潛在的高功率裝置免受可能由瞬變引起的過剩電流。此技術還可能要求不切實際的大尺寸開關元件用於其實現。
圖2以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示根據本發明的音頻放大器電路200。音頻放大器電路200包括音頻放大器210、電阻器220和230，以及記為「負載」的負載240。音頻放大器210具有反相輸入、接收記為「VREF」的參考信號的非反相輸入、提供記為「VOUT」信號的輸出，和分別接收記為「VDD」和「VSS」的操作功率的兩個端子。電阻器220具有接收記為「VIN」的輸入信號的第一端子和連接到音頻放大器210的反相輸入的第二端子。電阻器230具有連接到音頻放大器210的反相輸入的第一端子和連接到音頻放大器210的輸出的第二端子。負載240具有連接到音頻放大器210的輸出的第一端子和也接收信號VREF的第二端子。
音頻放大器電路200的操作類似於圖1的音頻放大器電路100的操作，只不過音頻放大器電路200不只由實現參考圖1描述的常規瞬變抑制技術的延遲元件和開關組成。相反地，瞬變抑制電路被集成在音頻放大器210中。現將參考圖3至圖17進一步描述音頻放大器電路210的構造和操作。
圖3以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出圖2的音頻放大器210。放大器常包括多個級，且每級都設計成致力於特定的產品目標。例如，輸入增益級可設計成最大化輸入阻抗及/或最小化輸入雜訊，而輸出級可設計成有效地將相對高的信號電流引向(source to)低阻抗負載裝置。中間跨導級可有利於在最小化失真的同時驅動高功率輸出增益級。
音頻放大器210包括增益級310、跨導級320、輸出級330、時鐘發生器電路340、開關350、360、370和380，以及電容器332、334和390。增益級310具有接收記為「IN-」的信號的非反相輸入、接收記為「IN+」的信號的反相輸入、輸出和接收記為「ON1」的信號的控制輸入。跨導級320具有輸入、第一輸出、第二輸出，和接收信號ON1的控制輸入。輸出級330具有連接到跨導級320的第一輸出的P輸入、連接到跨導級320的第二輸出的N輸入、提供記為「OUT」的信號的第一輸出、提供記為「OK」的信號的第二輸出，和接收記為「ON0」、「ON2」、「OFF0」和「OFF2」的信號的控制輸入。
開關350具有接收記為「VREF」的信號的第一端子、連接到增益級310的非反相輸入的第二端子，和接收記為「OFF3」的信號的控制輸入。開關360具有連接到開關350的第二端子的第一端子、連接到輸出級330的輸出的第二端子和接收記為「OFF4」的信號的控制輸入。開關370具有連接到增益級310的輸出的第一端子、連接到跨導級320的輸入的第二端子，和接收記為「ON3」的信號的控制輸入。開關380具有連接到跨導級320的輸入的第一端子、接收信號VREF的第二端子，和接收信號OFF2的控制輸入。
電容器332具有連接到輸出級330的P輸入的第一輸入和連接到輸出級330的輸出的第二端子。電容器334具有連接到輸出級330的N輸入的第一輸入和連接到輸出級330的輸出的第二端子。電容器390具有連接到輸出級330的輸出的第一端子和連接到跨導級320的輸入的第二端子。時鐘發生器電路340具有接收記為「ON」的信號的第一輸入、接收信號OK的第二輸入，和提供控制信號ON0、ON1、ON2、ON3、OFF0、OFF2、OFF3和OFF4的輸出。
增益級310為具有差動輸入和單端輸出的電壓放大器。輸入信號IN+代表接收音頻信號的音頻放大器210的初級輸入。增益級310包括接收操作電壓VDD和VSS的電源端子(未顯示)。在使信號ON1有效時使能增益級310。當信號被設定到相應於真狀態的電位時，信號被認為是有效的(asserted)。當信號被設定到相應於假狀態的電位時，信號被認為是無效的(negated)。對於正邏輯信號，例如ON1，真狀態相應於邏輯高壓，而假狀態相應於邏輯低壓。跨導級320為具有差動輸入和差動輸出的運算跨導放大器。為與增益級310連接，差動輸入的一個輸入連接到增益級310的輸出，而另一個輸入(在圖3中未顯示)接收參考電壓。在可替換的實施方式中，跨導級320可用單端輸入實現。跨導級320還包括接收操作電壓VDD和VSS的電源端子(未顯示)。在使信號ON1有效時，使能跨導級320。增益級310和跨導級320一起形成輸入級。
輸出級330包括AB類增益級和偏壓電路。AB類增益級的特徵是設計成最小化在B類輸出級中可能出現的交越失真，同時與A類輸出級提供的功率效率相比以提高的功率效率操作的功率轉換裝置。在此公開的偏壓電路向輸出級提供偏壓，且偏壓在開啟期間從初始電壓逐漸斜變(ramp)至分別的操作偏位，並在關閉期間逐漸斜變回分別的初始電位。如在此所使用的，「逐漸斜變」指在延長的一段時間有意地將信號從一個水準改變到另一個水準。例如，在音頻放大器的情況下，可選擇延長的一段時間足夠長以抑制聽覺上的哢噠聲和砰聲一個期望的量。在此描述的特定實施方式中，輸出級330利用電容器的充電和放電時間以有意地延長偏壓從初始電位變到操作電位以及從操作電位變到初始電位的週期。輸出級330還包括接收操作電壓VDD和VSS的電源端子(未顯示)。輸出級330接收控制信號ON0、ON2、OFF0和OFF2，它們用於控制偏壓電路。當偏壓電路完成到操作偏位的斜變時，輸出級330向時鐘發生器電路340提供信號OK。
電容器332、334和390稱為米勒電容器(Miller capacitor)或補償電容器，且主要被包括以穩定或補償音頻放大器210。
時鐘發生器電路340接收信號ON，使該信號有效以配置音頻放大器210以便操作，且在期望中止音頻放大器210的操作時被無效。信號ON的有效和無效配置時鐘發生器電路340以提供控制信號ON0、ON1、ON2、ON3、OFF0、OFF2、OFF3和OFF4。控制信號的有效和無效配置開關350、360、370和380，以及級310、320和330，如將在下面更全面地描述的。
圖4以示意圖的形式顯示出先前已知的常規AB類輸出級400。輸出級400包括n通道電晶體401、402、406、407，p通道電晶體451、452、456和457，以及電流源408和458。電晶體401具有連接到記為「VSS」的電源電壓端子的源極、連接到記為「N」的節點的閘極和連接到記為「OUT」的節點的漏極。電晶體451具有連接到記為「VDD」的電源電壓端子的源極、連接到記為「P」的節點的閘極和連接到節點OUT的漏極。電晶體402具有連接到節點N的第一源極/漏極(S/D)端子，連接到記為「A」的節點的閘極和連接到節點P的第二S/D端子。電晶體452具有連接到節點P的第一S/D端子、連接到記為「B」的節點的閘極，和連接到節點N的第二S/D端子。電晶體406具有連接到VSS的源極、閘極和連接到其閘極的漏極。電晶體407具有連接到電晶體406的漏極的源極、連接到節點A的閘極，和也連接到節點A的漏極。電流源408具有連接到節點A的第一端子和連接到VDD的第二端子。電晶體456具有連接到VDD的源極、閘極和連接到其閘極的漏極。電晶體457具有連接到電晶體456的漏極的源極、連接到節點B的閘極和也連接到節點B的漏極。電流源458具有連接到節點B的第一端子和連接到VSS的第二端子。
AB類輸出級的操作對熟悉放大器電路的技術人員來說很好理解。在節點P和N接收一對輸入信號，且在節點OUT提供輸出信號。電晶體401和451安排為推挽結構並傳導輸送到可連接到節點OUT的負載裝置，例如揚聲器(未顯示)的電流。電晶體406和407配置為二極體以在節點A提供固定的偏壓。電晶體456和457配置為二極體以在節點B提供固定的偏壓。電晶體401的傳導性由提供給節點N的輸入信號調整，以及電晶體451的傳導性由提供給節點P的輸入信號調整。電晶體402和452分別相對於節點A和B鉗位節點N和P處的電壓，這使得電晶體401和402都不完全關閉。
圖5以示意圖的形式顯示出圖3的輸出級330。輸出級330一般包括增益級510、斜變級(ramp stage)520和570、比較器電路530和580、鎖存器540和590以及及閘550。輸出級330在記為「N」和「P」的節點接收輸入信號，並在記為「OUT」的節點提供輸出信號。
增益級510包括n通道電晶體501、502、503，以及p通道電晶體551、552和553。電晶體501具有連接到VSS的源極、連接到節點N的閘極和連接到節點OUT的漏極。電晶體551具有連接到VDD的源極、連接到節點P的閘極和連接到節點OUT的漏極。電晶體502具有連接到節點N的第一S/D端子、連接到記為「A」的節點的閘極和連接到節點P的第二S/D端子。電晶體552具有連接到節點P的第一S/D端子、連接到記為「B」的節點的閘極和連接到節點N的第二S/D端子。電晶體503具有連接到VSS的源極、接收信號OFF2的閘極和連接到節點N漏極。電晶體553具有連接到VDD的源極、接收信號ON2的閘極和連接到節點P的漏極。
斜變級520包括n通道電晶體504、506、507、524和526，p通道電晶體522，電流源508、521和525，以及電容器523。電晶體506具有連接到VSS的源極、閘極和連接到其閘極的漏極。電晶體507具有連接到電晶體506的漏極的源極、連接到節點A的閘極和漏極。電流源508具有連接到電晶體507的漏極的第一端子和連接到VDD的第二端子。電晶體526具有連接到電晶體507的漏極的第一S/D端子、連接到記為「SN」的節點的閘極和連接到節點A的第二S/D端子。電流源521具有連接到VDD的第一端子和第二端子。電晶體522具有連接到電流源521的第二端子的源極、連接到節點SN的閘極和連接到節點A的漏極。電容器523具有連接到節點A的第一端子和連接到VSS的第二端子。電流源525具有連接到VSS的第一端子以及第二端子。電晶體524具有連接到電流源525的第二端子的源極、接收信號OFF0的閘極和連接到節點A的漏極。電晶體504具有連接到VSS的源極、接收信號OFF2的閘極和連接到節點A的漏極。
斜變級570包括p通道電晶體554、556、557、574和576，n通道電晶體572，電流源558、571和575，以及電容器573。電晶體556具有連接到VDD的源極、閘極和連接到其閘極的漏極。電晶體557具有連接到電晶體556的漏極的源極、連接到節點B的閘極和漏極。電流源558具有連接到電晶體557的漏極的第一端子和連接到VSS的第二端子。電晶體576具有連接到電晶體557的漏極的第一S/D端子、連接到記為「XSP」的節點的閘極和連接到節點B的第二S/D端子。電流源571具有連接到VSS的第一端子和第二端子。電晶體572具有連接到電流源571的第二端子的源極、連接到節點XSP的閘極和連接到節點B的漏極。電容器573具有連接到節點B的第一端子和連接到VDD的第二端子。電流源575具有連接到VDD的第一端子和第二端子。電晶體574具有連接到電流源575的第二端子的源極、被連接以接收信號ON0的閘極和連接到節點B的漏極。電晶體554具有連接到VDD的源極、接收信號ON2的閘極和連接到節點B的漏極。
比較器電路530包括n通道電晶體531、532和533以及電流源534。電晶體533具有連接到VSS的源極、閘極和漏極。電流源534具有連接到電晶體533的漏極的第一端子和連接到VDD的第二端子。電晶體531具有連接到VSS的源極、連接到電晶體506的閘極的閘極，和連接到電晶體533的閘極的漏極。電晶體532具有連接到電晶體531的漏極的源極、連接到電晶體507的漏極的閘極和連接到VDD的漏極。
比較器電路580包括p通道電晶體581、582和583以及電流源584。電晶體583具有連接到VDD的源極、閘極和漏極。電流源584具有連接到電晶體583的漏極的第一端子和連接到VSS的第二端子。電晶體581具有連接到VDD的源極、連接到電晶體556的閘極的閘極，和連接到電晶體583的閘極的漏極。電晶體582具有連接到電晶體581的漏極的源極、連接到電晶體557的漏極的閘極和連接到VSS的漏極。
鎖存器540包括p通道電晶體541和543，以及n通道電晶體542、544、545、546、547和548。電晶體545具有連接到VSS的源極、接收信號OFF0的閘極和連接到節點SN的漏極。電晶體542具有連接到VSS的源極、連接到記為「XSN」的節點的閘極和連接到節點SN的漏極。電晶體541具有連接到VDD的源極、連接到節點XSN的閘極和連接到節點SN的漏極。電晶體546具有連接到VSS的源極、接收信號OFF2的閘極和連接到節點SN的漏極。電晶體544具有連接到VSS的源極、連接到節點SN的閘極和連接到節點XSN的漏極。電晶體543具有連接到VDD的源極、連接到節點SN的閘極和連接到節點XSN的漏極。電晶體547具有連接到VSS的源極、連接到電晶體533的漏極的閘極，和連接到節點XSN的漏極。電晶體548具有連接到VSS的源極、接收信號OFF2的閘極和連接到電晶體547的閘極的漏極。
鎖存器590包括n通道電晶體591和593，以及p通道電晶體592、594、595、596、597和598。電晶體595具有連接到VDD的源極、接收信號ON0的閘極和連接到節點XSP的漏極。電晶體592具有連接到VDD的源極、連接到記為「SP」的節點的閘極和連接到節點XSP的漏極。電晶體591具有連接到VSS的源極、連接到節點SP的閘極和連接到節點XSP的漏極。電晶體596具有連接到VDD的源極、接收信號ON2的閘極和連接到節點XSP的漏極。電晶體594具有連接到VDD的源極、連接到節點XSP的閘極和連接到節點SP的漏極。電晶體593具有連接到VSS的源極、連接到節點XSP的閘極和連接到節點SP的漏極。電晶體597具有連接到VDD的源極、連接到電晶體583的漏極的閘極，和連接到節點SP的漏極。電晶體598具有連接到VDD的源極、接收信號ON2的閘極和連接到電晶體597的閘極的漏極。
及(AND)閘550具有連接到節點SN的第一輸入、連接到節點SP的第二輸入和提供信號OK的輸出。
增益級510包括電晶體501和551，其安排為AB類推挽結構並傳導傳輸到接收信號OUT的負載裝置，例如揚聲器(未顯示)的電流。電晶體501和551類似於圖4的電晶體401和451。電晶體502和552安排為類似於圖4的電晶體402和452的源極跟隨器結構。在啟動輸出級330時執行初始化程式(開啟順序)，且在隨後去啟動輸出級330時執行相應的停止程式(關閉順序)。在輸出級330的初始化期間，加偏壓端子(節點A和B)處的偏壓從初始電壓逐漸斜變至各自的操作偏壓。在輸出級330的停止期間，偏壓從操作偏位逐漸斜變回各自的初始電壓。開啟和關閉順序受圖3的時鐘發生器電路340配置，並參考圖6描述。
圖6是顯示由圖3的時鐘發生器電路340提供的控制信號的時序圖600。對於十個波形中的每一個，時序圖600包括代表用秒表示的時間的水準軸線和代表用伏特表示的電壓的垂直軸線。時序圖600包括波形610、620、622、630、640、642、645、650、652，和662，以及時間參考690、691、692、693、694、695、696、697、698和699。標記時間的間隔以指示特定的操作階段，包括「AMP OFF」、「開啟順序」階段「1」、「2」、「3」和「4」、「AMP ON」、「關閉順序」階段「1」、「2」、「3」和「4」以及「AMP OFF」。
階段AMP OFF為時間參考690之前且時間參考699之後的時間間隔。開啟順序包括時間參考690和691之間的階段1、時間參考691和692之間的階段2、時間參考692和693之間的階段3，以及時間參考693和694之間的階段4。關閉順序包括時間參考695和696之間的階段1、時間參考696和697之間的階段2、時間參考697和698之間的階段3，以及時間參考698和699之間的階段4。
波形610代表由時鐘發生器電路340接收的信號ON，並在時間參考690處從邏輯低值轉變到邏輯高值(高)，且在時間參考695處轉變回邏輯低值(低)。使信號ON有效以啟動音頻放大器210的開啟順序，以及使信號ON無效以啟動關閉順序。例如，信號ON可代表旨在啟動音頻放大器210的用戶操作的開關。
波形620代表由時鐘發生器電路340提供的信號ON0，並回應於信號ON的有效而在時間參考690處轉變為高，且在時間參考697處轉變回低。波形622代表由時鐘發生器電路340提供的信號OFF0，並在時間參考690處轉變為低，且在時間參考697處轉變回高。信號OFF0為信號ON0的邏輯求反。
波形630代表由時鐘發生器電路340提供的信號ON1，並回應於信號ON的有效而在時間參考690處轉變為高，且在時間參考698處轉變回低。波形640代表由時鐘發生器電路340提供的信號ON2，並在時間參考691處轉變為高，且在時間參考698處轉變回低。波形642代表由時鐘發生器電路340提供的信號OFF2，並在時間參考691處轉變為低，且在時間參考698處轉變回高。信號OFF2為信號ON2的邏輯求反。
波形645代表由輸出級330在節點OK提供的信號OK，並在時間參考692處轉變為高，且在時間參考697處轉變回低。
波形650代表由時鐘發生器電路340提供的信號ON3，並以斜變的方式從在時間參考692處開始的邏輯低值轉變到在時間參考693處的邏輯高值，且以斜變的方式從在時間參考696處開始的邏輯高值轉變到在時間參考697處的邏輯低值。波形652代表由時鐘發生器電路340提供的信號OFF3，並以斜變的方式從在時間參考692處開始的邏輯高值轉變到在時間參考693處的邏輯低值，且以斜變的方式從在時間參考696處開始的邏輯低值轉變到在時間參考697處的邏輯高值。信號OFF3是信號ON3的求反。
波形662代表由時鐘發生器電路340提供的信號OFF4，並以斜變的方式從在時間參考693處開始的邏輯高值轉變到在時間參考694處的邏輯低值，且以斜變的方式從在時間參考695處開始的邏輯低值轉變到在時間參考696處的邏輯高值。
由時鐘發生器電路340提供的控制信號配置在圖3顯示的開關，並配置電壓增益級310、跨導級320和輸出級330的操作。參考圖7至圖19更具體地描述開啟和關閉順序。儘管顯示出信號ON3、OFF3和OFF4的線性斜變，但也可提供非線性斜變。信號斜變的速率可被調整以滿足特定放大器的期望操作性能。
返回去參考圖5，電晶體503、504、553和555通過使信號OFF2有效和相應的使信號ON2無效而被配置以禁止電晶體501和551的導通。在使信號ON有效之前，信號OFF0和OFF2為高，這通過導通電晶體545、546和548來重設(reset)鎖存器540。類似地，信號ON0和ON2為低，這通過導通電晶體595、596和598來重設鎖存器590。在鎖存器540和590都不處於重設模式時，無效信號OK。而且，節點A被電晶體504保持在VSS的電位，以及節點B被電晶體554保持在VDD的電位。
回應於信號ON的有效，時鐘發生電路340在時間參考690處使信號OFF0無效並使信號ON0有效，截止電晶體504和554。在時間參考691處，信號ON2被有效且信號OFF2被無效，這允許電流源521經由電晶體522開始對電容器523充電。類似地，電流源571經由電晶體572開始對電容器573充電。選擇電流源521和電晶體522的性質，以使得電容器523上的電荷以及因此在節點A的電壓，在預定時間的間隔內向VDD的電位逐漸斜變。類似地，選擇電流源571的電晶體572的值，以使得電容器573上的電荷以及在節點B的電壓，以基本上等於電容器523的充電速率的速率向VSS的電位逐漸斜變。
當在節點A的電壓增加到適當水準時，截止比較器電路530的電晶體533。這允許電流源534將連接到電晶體547的閘極的節點拉至VDD，這樣導通電晶體547。因此，節點XSN達到VSS的電位且設定(set)鎖存器540。類似地，當在節點B的電壓降低到適當水準時，截止比較器電路580的電晶體583。這允許電流源584將連接到電晶體597的閘極的節點拉至VSS，這樣導通電晶體597。因此，節點SP達到VDD的電位且設定鎖存器590。當兩個鎖存器540和590都已被設定時，節點SN和SP都在邏輯高電位，且及閘550使信號OK有效。
一旦設定鎖存器540，則電晶體526導通且電晶體522截止，允許配置為二極體的電晶體506和507經由節點A向增益級510提供偏壓。類似地，一旦設定鎖存器590，則電晶體576導通且電晶體572截止，允許配置為二極體的電晶體556和557經由節點B向增益級510提供偏壓。設定鎖存器540和590後，電晶體506、507、556和557的操作分別類似於圖4的電晶體406、407、456和457。因此，在開啟順序的階段2期間，提供給增益級510的偏壓逐漸斜變至它們各自的正常操作水準。
輸出級330以類似於開啟順序的逐級的方式被停止。在關閉順序的階段3期間，提供給增益級510的偏壓逐漸斜變回它們各自的初始值。在時間參考697處，通過時鐘發生器電路540使信號OFF0有效以及使信號ON0無效。信號OFF0和ON0分別重設鎖存器540和590，這導致信號SN和SP被無效。結果，電晶體526和576被截止，使偏壓電晶體506、507、556和557與增益級510相隔離。信號OFF0的有效還導通電晶體524，允許電流源525開始使電容器523放電。結果，在節點A處的電壓向著VSS處的電位斜變，逐漸截止電晶體502和501。
類似地，無效信號ON0還導通電晶體574，允許電流源575開始使電容器573放電。結果，在節點B處的電壓向著VDD處的電位斜變，逐漸截止電晶體552和551。在時間參考698處，信號OFF2被有效，而信號ON2被無效，這分別導通電晶體503和553。因此，電晶體501和551被截止。因為電晶體522和572在關閉順序的階段3期間保持導通，因此電流源521嘗試對電容器523充電，且電流源571嘗試對電容器573放電。因此，電流源525和575配置成提供電流源521和571提供的電流的量的近似兩倍的電流的量。
圖7以部分方塊圖和部分示意圖的形式在放大器斷開結構700中顯示出圖3的音頻放大器210。結構700相應於圖6的間隔AMP OFF。信號ON0、ON1、ON2和ON3被無效，而信號OFF0、OFF2、OFF3和OFF4被有效。因此電壓增益級310和跨導級320被禁用，且在輸出級330的偏壓被禁用。回應於信號OFF3的有效，開關350閉合且信號VREF連接到電壓增益級310的輸入。回應於信號OFF2的有效開關380閉合，這將信號VREF連接到跨導級320的輸入。回應於信號OFF4的有效開關360閉合，這在外部負回饋裝置(未顯示)兩端提供短路並由此以單位增益模式配置音頻放大器210。回應於無效信號ON3開關370打開，這將電壓增益級310的輸出從跨導級320的輸入斷開。如前所述，輸出級330的鎖存器被重設且增益級510被禁用。
圖8以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出在啟動順序的第一階段的圖3的音頻放大器210，結構800。回應於信號ON的有效，時鐘發生電路340在時間參考690處使信號ON0和ON1有效並使信號OFF0和OFF1無效。因此在電壓增益級310和跨導級320中啟用偏壓，並允許偏壓穩定。
圖9以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出在啟動順序的第二階段的圖3的音頻放大器210，結構900。在時間參考691處，時鐘發生電路340使信號ON2有效並使信號OFF2無效。回應於信號OFF2的無效，開關380斷開以釋放跨導級320的輸入。跨導級320和輸出級330一起構成受米勒電容器332和334補償的二級放大器。回應於無效信號OFF2，偏壓開始向著正常操作水準逐漸斜變，如先前參考圖5所述的。當在輸出級330的鎖存器被設定且信號OK被有效時，開啟順序階段2結束。
圖10以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出在啟動順序的第三階段的圖3的音頻放大器210，結構1000。回應於信號OK的有效，時鐘發生電路340開始使信號ON3從在時間參考692處的邏輯低水準斜變至在時間參考693處的邏輯高值，並使信號OFF3從邏輯高值斜變至邏輯低值。隨著開關370逐步地閉合，音頻放大器210從二級結構平滑地轉變成三級結構。通過向開關端子間的電流提供與啟動的控制信號的電位成適當比例的減小的電阻，開關350、360和370能夠從斷開結構逐漸轉變至閉合結構。類似地，通過向開關端子間的電流提供與啟動的控制信號的電位成適當比例的增大的電阻，開關350、360和370能夠從閉合結構逐漸轉變至斷開結構。例如，當信號ON3在開啟順序階段3期間斜升時，開關370的傳導性緩慢下降，直到建立直接的低阻連接。類似地，當信號OFF3斜降時，開關350逐漸斷開，其將參考信號VREF從輸入級310的輸入以及從輸出級330的輸出斷開。
圖11以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出在啟動順序的第四階段的圖3的音頻放大器210，結構1100。在時間參考693處，信號OFF4開始從邏輯高值斜變至在時間參考694處的邏輯低值。回應於信號OFF4的斜變，開關360逐漸斷開，且音頻放大器210逐漸退出單位增益模式。
圖12以部分方塊圖和部分示意圖的形式在結構1200中顯示出在啟動順序完成後的圖3的音頻放大器210。開關360在階段4的最後完全斷開，且音頻放大器210是完全可操作的。
圖13以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出在關閉順序的第一階段的圖3的音頻放大器210，結構1300。在時間參考695處，信號ON被無效，且時鐘發生電路340通過使信號OFF4從邏輯低值斜變至在時間參考696處的邏輯高值而進行回應，將音頻放大器210逐漸設置回單位增益模式。
圖14以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出在關閉順序的第二階段的圖3的音頻放大器210，結構1400。在時間參考696處，時鐘發生電路340開始使信號OFF3從邏輯低值斜變至在時間參考697處的邏輯高值，並使信號ON3從邏輯高值斜變至邏輯低值。開關350回應於信號OFF3逐漸被閉合並將信號VREF連接到輸入IN-。開關370回應於信號ON3逐漸被斷開以使電壓增益級310的輸出從跨導級320的輸入斷開。
圖15以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出在關閉順序的第三階段的圖3的音頻放大器210，結構1500。在時間參考697處，時鐘發生電路340使信號ON0無效並使信號OFF0有效。作為回應，輸出級330的鎖存器540和590被重設，且電流源525和575開始使在節點A和B的偏壓分別向VSS和VDD逐漸斜變，且增益級510逐漸被關閉。在時間參考698處，在增益級510的偏壓再次處於它們各自的初始(關閉)值。
圖16以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出在關閉順序的第四階段的圖3的音頻放大器210，結構1600。在時間參考698處，時鐘發生電路340使信號OFF2有效並使信號ON2和ON1無效。作為回應，增益級510的電晶體503和533被截止，且電壓增益級310和跨導級320被禁用。而且，信號OFF2的有效閉合開關380，這使電容器390放電。
圖17以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出在完成關閉順序後的圖3的音頻放大器210，結構1700。在時間參考699處，音頻放大器210被關閉，且在圖7中顯示的相同的結構中。執行先前描述的開啟順序能夠再啟動音頻放大器210。
在開啟和關閉順序期間使提供給增益級510的偏壓逐漸斜變可基本上消除輸出節點OUT處的瞬變。在此公開的電路技術和方法也能應用到操作在一般的音頻頻譜外的，包括射頻，亞音頻，以及直流信號的放大器。而且，在此描述的方法能夠應用於電流放大器、電壓放大器和屬於其他類的放大器。例如，偏壓能夠按所描述的斜變以開啟和關閉G類、H類或其他類的放大器。儘管所公開的方法是使用絕緣閘極金屬氧化物半導體(IGMOS)電晶體裝置顯示的，但其他的電晶體技術，例如雙極電晶體裝置也能進行替換。偏流，與偏壓形成對照，可被斜變以支持特定的實現變化形式。所描述的技術也可應用於併入真空管裝置的放大器。
上面公開的主旨應認為是說明性的，而不是限制性的，且隨附的權利要求旨在包括落入申請專利範圍的真正範圍的所有這樣的修改形式、增強形式以及其他的實施方式。因此，在法律允許的最大範圍內，本發明的範圍由隨後的權利要求及其等價形式的最寬的可允許的解釋確定，而不應受到前述詳細說明的限定或限制。
100．．．音頻放大器電路
110．．．音頻放大器
120．．．電阻器
130．．．電阻器
140．．．負載
150．．．延遲元件
160．．．開關
200．．．音頻放大器電路
210．．．音頻放大器
220．．．電阻器
230．．．電阻器
240．．．負載
310．．．增益級
320．．．跨導級
330．．．輸出級
332．．．電容器
334．．．電容器
340．．．時鐘發生器電路
350．．．開關
360．．．開關
370．．．開關
380．．．開關
390．．．電容器
400．．．AB類輸出級
401．．．n通道電晶體
402．．．n通道電晶體
406．．．n通道電晶體
407．．．n通道電晶體
408．．．電流源
451．．．p通道電晶體
452．．．p通道電晶體
456．．．p通道電晶體
457．．．p通道電晶體
458．．．電流源
501．．．n通道電晶體
502．．．n通道電晶體
503．．．n通道電晶體
504．．．n通道電晶體
506．．．n通道電晶體
507．．．n通道電晶體
508．．．電流源
510．．．增益級
520．．．斜變級
521．．．電流源
522．．．p通道電晶體
523．．．電容器
524．．．n通道電晶體
525．．．電流源
526．．．n通道電晶體
530．．．比較器電路
531．．．n通道電晶體
532．．．n通道電晶體
533．．．n通道電晶體
534．．．電流源
540．．．鎖存器
541．．．p通道電晶體
542．．．n通道電晶體
543．．．p通道電晶體
544．．．n通道電晶體
545．．．n通道電晶體
546．．．n通道電晶體
547．．．n通道電晶體
548．．．n通道電晶體
550．．．及(AND)閘
551．．．p通道電晶體
552．．．p通道電晶體
553．．．p通道電晶體
554．．．p通道電晶體
556．．．p通道電晶體
557．．．p通道電晶體
558．．．電流源
570．．．斜變級
571．．．電流源
572．．．n通道電晶體
573．．．電容器
574．．．p通道電晶體
575．．．電流源
576．．．p通道電晶體
580．．．比較器電路
581．．．p通道電晶體
582．．．p通道電晶體
583．．．p通道電晶體
584．．．電流源
590．．．鎖存器
591．．．n通道電晶體
592．．．p通道電晶體
593．．．n通道電晶體
594．．．p通道電晶體
595．．．p通道電晶體
596．．．p通道電晶體
597．．．p通道電晶體
598．．．p通道電晶體
599．．．偏壓電路
600．．．控制信號的時序圖
610．．．波形
620．．．波形
622．．．波形
630．．．波形
640．．．波形
642．．．波形
645．．．波形
650．．．波形
652．．．波形
662．．．波形
690．．．時間參考
691．．．時間參考
692．．．時間參考
693．．．時間參考
694．．．時間參考
695．．．時間參考
696．．．時間參考
697．．．時間參考
698．．．時間參考
699．．．時間參考
700．．．放大器斷開結構
800．．．結構
900．．．結構
1000．．．結構
1100．．．結構
1200．．．結構
1300．．．結構
1400．．．結構
1500．．．結構
1600．．．結構
1700．．．結構
圖1以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出包括先前已知的常規瞬變抑制方法的音頻放大器電路；
圖2以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出根據本發明的音頻放大器電路；
圖3以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出一個例如圖2的放大器的音頻放大器；
圖4以示意圖的形式顯示出先前已知的常規AB類輸出級；
圖5以示意圖的形式顯示出圖3的輸出級；
圖6是顯示由圖3的時鐘發生器電路提供的控制信號的時序圖；
圖7以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出圖3的放大器斷開結構的音頻放大器；
圖8以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出圖3的在啟動(power-on)順序的第一階段的音頻放大器；
圖9以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出圖3的在啟動順序的第二階段的音頻放大器；
圖10以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出圖3的在啟動順序的第三階段的音頻放大器；
圖11以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出圖3的在啟動順序的第四階段的音頻放大器；
圖12以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出圖3的在啟動順序完成後的音頻放大器；
圖13以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出圖3的在關閉(power-off)順序的第一階段的音頻放大器；
圖14以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出圖3的在關閉順序的第二階段的音頻放大器；
圖15以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出圖3的在關閉順序的第三階段的音頻放大器；
圖16以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出圖3在關閉順序的第四階段的音頻放大器；以及
圖17以部分方塊圖和部分示意圖的形式顯示出圖3的在關閉順序完成後的音頻放大器。
在不同附圖中使用相同的參考符號指示相似或同一專案。
210．．．音頻放大器
310．．．增益級
320．．．跨導級
330．．．輸出級
332．．．電容器
334．．．電容器
340．．．時鐘發生器電路
350．．．開關
360．．．開關
370．．．開關
380．．．開關
390．．．電容器

Claims (21)

  1. 一種音頻放大器，包括：一輸入級，其具有用於接收一輸入信號的一輸入，和一輸出；以及一輸出級，其具有耦合到該輸入級的該輸出的一輸入，以及用於提供一放大的輸出信號的輸出，其中該輸出級包括：一增益級，其具有構成該輸出級的該輸入的一輸入、用於提供該放大的輸出信號之一輸出、及第一及第二偏壓端子，其中該增益級包含：一第一電晶體，其具有耦合到一第一電源電壓端子的一第一電流電極、構成該增益級的一第一差動輸入端子的一控制電極，和耦合到該增益級的該輸出的一第二電流電極；一第二電晶體，其具有耦合到該第一電晶體的該第二電流電極的一第一電流電極、構成該增益級的一第二差動輸入端子的一控制電極，和耦合到一第二電源電壓端子的一第二電流電極；一第三電晶體，其具有耦合到該第一電晶體的該控制電極的一第一電流電極、構成該增益級的該第一偏壓端子的一控制電極，和一第二電流電極；以及一第四電晶體，其具有一第一電流電極、構成該增益級的該第二偏壓端子的一控制電極，和耦合到該第二電 晶體的該控制電極的一第二電流電極；以及一偏壓電路，其具有耦合到該增益級的該第一及第二偏壓端子的第一及第二輸出端子，其中在開啟週期期間，該偏壓電路使該第一及第二偏壓端子從個別第一及第二初始電壓逐漸斜變至個別第一及第二偏壓。
  2. 如請求項1之放大器，其中在關閉週期期間，該偏置電路使該增益級的該第一及第二偏壓端子從該個別第一及第二偏壓逐漸斜變至該個別第一及第二初始電壓。
  3. 如請求項1之放大器，其中該輸入級包括：一電壓增益級，其具有用於接收該輸入信號的一輸入端子，和一輸出端子；以及一跨導級，其具有耦合到該電壓增益級的該輸出端子的一輸入端子，和耦合到該輸出級的該輸入的一輸出端子。
  4. 如請求項1之放大器，其中該第一電晶體和該第三電晶體包括一P通道MOS電晶體，且該第二電晶體和該第四電晶體包括一N通道MOS電晶體。
  5. 一種音頻放大器，包括：一電壓增益級，其具有接收一音頻輸入信號的一輸入端子，和一輸出端子；一跨導級，其具有選擇性地耦合到該電壓增益級的該輸出端子的一輸入端子、一第一輸出端子，和一第二輸出端子；以及一AB類輸出級，其具有分別耦合到該跨導級的該第一 輸出端子和該第二輸出端子的一第一輸入端子和一第二輸入端子、一第一偏壓端子和一第二偏壓端子，以及用於提供一放大的音頻輸出信號的一輸出端子，其中當在該第一及第二偏壓端子之電壓係在第一及第二初始電壓時該AB類輸出級不工作(inoperative)，且當該第一及第二偏壓端子個別等於第一及第二偏壓時，該AB類輸出級將該第一及第二輸入端子之電壓鉗位(clamp)至個別鉗位電壓，且包括用於使該第一偏壓端子和該第二偏壓端子從相應的初始電壓逐漸斜變至相應的偏壓的一偏壓電路。
  6. 如請求項5之音頻放大器，還包括一時鐘發生器電路，該時鐘發生器電路具有用於接收一ON信號的一輸入端子，和耦合到該偏壓電路並響應於該ON信號以界定該音頻放大器的複數個階段的輸出端子。
  7. 如請求項6之音頻放大器，其中該時鐘發生器界定該音頻放大器的一第一階段，該第一階段用於向一第一電容器的一第一端子和一第二端子加偏壓一第一參考電壓並使該AB類輸出級的該輸出端子耦合到該電壓增益級的該輸入端子。
  8. 如請求項7之音頻放大器，其中該時鐘發生器界定該第一階段之後的一第二階段，在該第二階段期間，該偏壓電路使該第一偏壓端子和該第二偏壓端子從該相應的初始電壓逐漸斜變至該相應的偏壓。
  9. 如請求項8之音頻放大器，其中在該第二階段期間，該 時鐘發生器使該第一電容器耦合在該AB類輸出級的該輸出端子和該跨導級的該輸入端子之間。
  10. 如請求項8之音頻放大器，其中該偏壓電路還包括一斜變檢測電路，該斜變檢測電路用於檢測該第一偏壓端子和該第二偏壓端子基本都處於該個別第一及第二的偏壓，並作為回應而提供一OK信號。
  11. 如請求項10之音頻放大器，其中在該第二階段之後的一第三階段期間，該時鐘發生器使該電壓增益級的該輸出端子耦合到該跨導級的該輸入端子。
  12. 如請求項11之音頻放大器，其中在該第三階段之後的一第四階段期間，該時鐘發生器使該AB類輸出級的該輸出端子從該電壓增益級的該輸入端子去耦合。
  13. 如請求項12之音頻放大器，其中在該第四階段期間，該時鐘發生器使該AB類輸出級的該輸出端子逐漸從該電壓增益級的該輸入端子去耦合。
  14. 一種開啟具有一AB類輸出級的一音頻放大器以減少可聽見的瞬變的方法，該方法包括：回應於一第一偏壓信號位於一第一初始電壓將一第一輸出電晶體偏壓成不導通，且回應於該第一偏壓信號位於一第一偏壓，與在該AB類輸出級之一控制電極上接收之一電壓成比例地提供一電壓至該AB類輸出級之一輸出端子；回應於一第二偏壓信號位於一第二初始電壓將一第二輸出電晶體偏壓成不導通，且回應於該第二偏壓信號位 於一第二偏壓，與在該AB類輸出級之一控制電極上接收之一電壓成比例地提供一電壓至該AB類輸出級之該輸出端子；使該第一偏壓信號從該第一初始電壓逐漸斜變至該第一偏壓；使該第二偏壓信號從該第二初始電壓逐漸斜變至該第二偏壓；以及隨後啟動該音頻放大器的操作。
  15. 如請求項14之方法，還包括：在該音頻放大器的一第一階段期間，向一第一電容器的第一端子和第二端子加偏壓一第一參考電壓，並將該音頻放大器的一輸出端子耦合到該音頻放大器的一輸入端子。
  16. 如請求項15之方法，還包括：在該音頻放大器的該第一階段期間，將該音頻放大器的該輸出端子耦合到該音頻放大器的該輸入端子以及耦合到一參考電壓端子。
  17. 如請求項16之方法，其中：在該第一階段之後的一第二階段期間，分別使該第一偏壓信號和該第二偏壓信號從該第一初始電壓和該第二初始電壓分別逐漸斜變至該第一偏壓和該第二偏壓。
  18. 如請求項17之方法，還包括：檢測該第一偏壓端子和該第二偏壓端子都分別基本上處於該第一偏壓和該第二偏壓，並作為回應發起該第二 階段之後的一第三階段。
  19. 如請求項18之方法，還包括：在該第三階段期間，將該音頻放大器的該輸出端子從該參考電壓端子去耦合。
  20. 如請求項19之方法，還包括：在該第三階段之後的一第四階段期間，將該音頻放大器的該輸出端子從該音頻放大器的該輸入端子去耦合。
  21. 如請求項20之方法，其中將該音頻放大器的該輸出端子從該音頻放大器的該輸入端子去耦合的該步驟包括：在該第四階段期間，將該音頻放大器的該輸出端子逐漸從該音頻放大器的該輸入端子去耦合。
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