TWI584579B - 音頻放大器之調變選擇電路及其方法 - Google Patents

Description

音頻放大器之調變選擇電路及其方法

本發明係關於一種音頻放大器之調變選擇電路及其方法，尤指一種音頻放大器運作於三元調變模式與四元調變模式之信號選擇電路及其輸出方法。

D類放大器由於具有高效率及低功耗的優點，近年來已成為音頻功率放大器的主流。一般的D類放大器需要一輸出濾波器。該輸出濾波器增加了系統的體積以及成本，因此限制了其在手持裝置上的應用。近年來無濾波器(filterless)式D類放大器由於省去輸出濾波器，卻仍可保留原本高效率的優點，故在市場上日益受到重視。

無濾波器式D類放大器可運作於一四元調變(quaternary modulation)模式或一三元調變(ternary modulation)模式。在四元調變模式下D類放大器的輸出級會有四種操作態樣，D類放大器的輸出級在此模式下的開關方式可參考美國專利US6262632之說明。D類放大器根據音源輸入訊號會以四種輸出級的操作態樣來驅動如喇叭等負載。

相較於四元調變模式，D類放大器的輸出級在三元調變模式下會有三種操作態樣(此模式下負載的兩端不會同時連接至電源端)。D類放大器的三元調變運作對大訊號來說具有較高的效率和較好的電磁干擾(EMI,ElectroMagnetic Interference)表現，而D類放大器的四元調變運作對小訊號來說具有較好的總諧波失真(THD,Total Harmonic Distortion)和較低的雜訊底(noise floor)。因此，根據輸入信號的振幅適當切換無濾波器式D類放大器的運作模式整體上可獲得較佳的效果。

當D類放大器由三元調變模式進入四元調變模式時或是當D類放大器啟動時，會產生湧浪電流(inrush current)而對元件造成損害。第一圖為傳統D類放大器在運作時發生湧浪電流的波形圖。如第一圖所示，當D類放大器啟動時，輸出(OUTP/OUTN)的前幾個脈波會有接近50%導通比(duty cycle)的狀況。當D類放大器由三元調變模式進入四元調變模式時，輸出的前幾個脈波會由低導通比進到高導通比，因此，湧浪電流會在這兩個狀況發生。

根據本發明一實施例之一種音頻放大器之調變選擇電路，包含一信號產生電路、一脈波產生電路和一選擇電路。該信號產生電路用以產生一三元調變信號和一四元調變信號。該脈波產生電路用以產生複數個具有有限導通比的 脈波。該選擇電路用以選擇輸出一四元調變信號、一三元調變信號和複數個具有有限導通比的脈波之其中一者至該音頻放大器的一輸出級。

根據本發明一實施例之一種音頻放大器之調變選擇方法，包含以下步驟：產生一三元調變信號和一四元調變信號；產生複數個具有有限導通比的脈波；以及選擇性地輸出該四元調變信號、該三元調變信號和該等具有有限導通比的脈波的其中一者至該音頻放大器的一輸出級。

200‧‧‧音頻放大器

201‧‧‧調變選擇電路

202‧‧‧偵測電路

210‧‧‧增益級

220‧‧‧積分器

230‧‧‧輸出級

261,262‧‧‧濾波器

402‧‧‧脈波產生電路

4021‧‧‧固定導通比脈波產生電路

4022‧‧‧計數電路

410,420,440‧‧‧比較器

430‧‧‧三元調變信號產生電路

4301‧‧‧一般三元調變信號產生電路

4302‧‧‧AND閘

4303‧‧‧NOR閘

4304‧‧‧反相器

450‧‧‧比較器

4601‧‧‧AND閘

4602,4603‧‧‧計數器

4604‧‧‧D型正反器

4605‧‧‧反相器

4701‧‧‧反相器

4702,4703‧‧‧AND閘

4704‧‧‧D型正反器

480‧‧‧第一選擇電路

4801,4802‧‧‧多工器

490‧‧‧第二選擇電路

4901,4902‧‧‧多工器

701‧‧‧偵測電路

702‧‧‧脈波產生電路

R1,R2‧‧‧電阻

800,802,804‧‧‧步驟

第一圖為傳統D類放大器在運作時發生湧浪電流的波形圖。

第二圖顯示結合本發明一實施例之具有調變選擇電路的音頻放大器之方塊示意圖。

第三圖顯示結合本發明一實施例之該偵測電路運作時之波形圖。

第四(A)圖顯示結合本發明一實施例之該調變選擇電路之電路示意圖。

第四(B)圖顯示結合本發明一實施例之該脈波產生電路之電路圖。

第五圖顯示結合本發明一實施例之該調變選擇電路之該脈波產生電路之波形圖。

第六圖顯示結合本發明之一實施例之輸出級的一波形圖。

第七(A)圖顯示結合本發明另一實施例之一偵測電路和一脈波產生電路的方塊示意圖。

第七(B)圖顯示藉由該偵測電路和該脈波產生電路抑制過電流的一波形示意圖。

第八圖顯示根據本發明一實施例之音頻放大器之調變選擇方法的流程圖。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。

第二圖顯示結合本發明一實施例之具有調變選擇電路201的音頻放大器200之方塊示意圖。在本實施例中，該音頻放大器200為一D類放大器，且該音頻放大器200包含一 增益級210、一積分器220、該調變選擇電路201、一偵測電路202、一輸出級230、兩回授電阻R1和R2和兩濾波器261和262。該調變選擇電路201用以選擇輸出一四元調變信號、一三元調變信號和至少一個具有有限導通比的脈波的其中一者。該偵測電路202用以偵測該增益級210的輸出信號V_OP/V_ON，並根據輸出信號V_OP/V_ON以產生信號S2至該調變選擇電路201，以決定輸出至該輸出級230的信號。

第三圖顯示結合本發明一實施例之該偵測電路202運作時之波形圖。如第三圖所示，如果該偵測電路202偵測到該增益級210的輸出信號V_OP/V_ON小於一第一臨界值，例如一攻擊值(attack level)，代表該音頻放大器的輸入信號為一大信號。其後，在該增益級210的輸出信號V_OP/V_ON到達一零交越點(zero crossing point)值時，該偵測電路202會產生邏輯0的信號S2，使該調變選擇電路201輸出該三元調變信號。接著，當該偵測電路202偵測到該增益級210的輸出信號V_OP/V_ON大於一第二臨界值，例如一釋放值(release level)，代表該音頻放大器的輸入信號為一小信號。其後，在該增益級210的輸出信號V_OP/V_ON到達該零交越點(zero crossing point)值再一延遲時間(例如1秒)後，該偵測電路202會產生邏輯1的信號S2，使該調變選擇電路201輸出該四元調變信號。在本發明一實施例中，該偵測電路202可由電壓比較器所構成。

第四(A)圖顯示結合本發明一實施例之該調變選 擇電路201之電路示意圖。該調變選擇電路201包含一信號產生電路、一脈波產生電路402和一選擇電路，其中該信號產生電路包含數個比較器410、420和440以及一三元調變信號產生電路430。該等比較器410和420用以比較該積分器220的該輸出信號和一三角波信號以產生一四元調變信號，該四元調變信號包含一正四元調變信號QP和一負四元調變信號QN。

該三元調變信號產生電路430包含一一般三元調變信號產生電路4301。該一般三元調變信號產生電路4301用以根據該正四元調變信號QP和該負四元調變信號QN產生一一般三元調變波。該比較器440用以比較該積分器220的輸出信號的其中一者和一共用電壓VCM。如第四(A)圖所示，該比較器440的輸出端耦接至一節點N1。在本實施例中，該共用電壓VCM為一供應電源電壓VDD的一半，例如VDD/2。但本發明不應以此為限。在本發明一實施例中，該一般三元調變信號產生電路4301由一XOR閘所組成，其輸入端接收該正四元調變信號QP和該負四元調變信號QN，且其輸出端產生該一般三元調變波至一節點N2。

該三元調變信號產生電路430另包含一AND閘4302、一反相器4304、和一NOR閘4303。該AND閘4302接收來自節點N1和N2的信號以產生一正三元調變信號TP。該反相器4304的一輸入端耦接至該節點N2。該NOR閘4303接收來自節點N1的信號和該反相器4304的輸出信號以產生一負三元 調變信號TN。在運作時，當該積分器220的輸出信號的其中一者大於該共用電壓VCM時，藉由該AND閘4302，正三元調變波TP等於節點N2上的電壓，而負三元調變波TP等於零。當該積分器220的輸出信號的其中一者小於該共用電壓VCM時，藉由該NOR閘4303，負三元調變波TN等於節點N2上的電壓，而正三元調變波TP等於零。

如前所述，湧浪電流通常發生於當該調變選擇電路201由該三元調變模式進入該四元調變模式時的前幾個脈波和該音頻放大器200啟動時。因此在本實施例中，兩個具有25%導通比的脈波會在上述兩種狀況發生時插入在該四元調變信號前，藉以抑制湧浪電流。如第四(A)圖所示，該脈波產生電路402包含一固定導通比脈波產生電路4021和一計數電路4022，其中該固定導通比脈波產生電路4021根據該信號S2產生包含具有兩個25%導通比的脈波的一信號P1至該計數電路4022和該選擇電路。該計數電路4022接收具有兩個25%導通比的脈波後傳送信號S1至該選擇電路。

該選擇電路包含一第一選擇電路480和一第二選擇電路490。該第一選擇電路480包含兩多工器(MUX)4801和4802。該第二選擇電路490包含兩多工器4901和4902。該多工器4801的一輸入端S接收信號QP、一反相輸入端S/接收信號P1且一選擇端Sel接收信號S1。該多工器4802的一輸入端S接收信號QN、一反相輸入端S/接收信號P1且一選擇端Sel接收信號 S1。該多工器4901的一輸入端S接收該多工器4801的輸出信號、一反相輸入端S/接收該正三元調變信號TP且一選擇端Sel接收信號S2。該多工器4902的一輸入端S接收該多工器4802的輸出信號、一反相輸入端S/接收該負三元調變信號TN且一選擇端Sel接收信號S2。此外，該等多工器4901和4902的輸出端耦接至該音頻放大器200的該輸出級230。

第四(B)圖顯示結合本發明一實施例之該脈波產生電路402之電路圖。如第四(B)圖所示，該脈波產生電路402的該固定導通比脈波產生電路4021包含一比較器450，用以比較該三角波信號和一比例於該供應電源VDD的電壓，例如VDD/4，以產生具有複數個25%導通比的脈波。當該比較器450比較不同電壓值時，可產生不同導通比的脈波。該脈波產生電路4021另包含一AND閘4601、一D型正反器4604和一反相器4605。該AND閘4601的輸入端耦接至該D型正反器4604的一輸出端和該具有複數個25%導通比的脈波，以產生一輸出信號P1。該D型正反器4604的一輸入端D接收該供應電源VDD的電壓、一時脈端CK接收該正四元調變信號QP的反相信號且一重設端R接收信號S2。

該計數電路4022包含兩計數器4602和4603、一反相器4701、兩AND閘4702和4703、一D型正反器4704。該等計數器4602和4603是由D型正反器所組成，其用以輸出信號Q2。該等計數器4602和4603耦接於該AND閘4601的輸出端和 該AND閘4702的一輸入端。該AND閘4702的另一輸入端用以接收反相的該正四元調變信號QP。該AND閘4703的一輸入端用以接收該信號S2和一電源啟動信號PS。該AND閘4703的輸出信號用以重致該等D型正反器4602、4603和4704。

以下參考第四(A)圖和第四(B)圖說明本發明之具有調變選擇電路201的音頻放大器200之運作方式。當該音頻放大器200在供電後啟動時，該電源啟動信號PS轉態為邏輯1。當該音頻放大器200由該三元調變模式進入該四元調變模式時，該信號S2轉態為邏輯1。當該等信號PS和S2任一者轉態為邏輯1時，該等D型正反器4602、4603、4604和4704會重設，且該信號S1會轉態為邏輯0。接著，具有25%導通比的時脈信號CLK會傳送至該AND閘4601的輸出端，並送至該等計數器4602和該第一選擇電路480。由於該信號S1保持邏輯0，該第一選擇電路480和該第二選擇電路490輸出該信號P1至該輸出級230。在接收兩個具有25%導通比的脈波後，該信號Q2會轉態為邏輯1，因此該D型正反器4704會輸出邏輯1的信號S1。在接收邏輯1的信號S1後，該第一選擇電路480和該第二選擇電路490輸出四元調變信號，且該音頻放大器200其後進入四元調變模式。依此方式，該音頻放大器200在由該三元調變模式進入該四元調變模式時或啟動時，會在四元調變信號前先輸出兩個具有25%導通比的脈波，藉以降低湧浪電流。

第五圖顯示結合本發明一實施例之該調變選擇 電路201之該脈波產生電路402之波形圖。參照第五圖，如果該信號S2轉態為邏輯1，該信號P1會變為具有25%導通比的時脈信號CLK，再藉由選擇電路傳送至該輸出級230。該信號Q2在兩個具有25%導通比的脈波後會轉態為邏輯1，接著，該信號S1會轉態為邏輯1並送至該第一選擇單元480。該四元調變信號會傳送至輸出級230，且該音頻放大器200進入四元調變模式的運作。

參照第六圖，該音頻放大器200在由該三元調變模式進入該四元調變模式時或啟動時，會在四元調變信號前先輸出兩個具有25%導通比的脈波，藉以降低湧浪電流。

在本發明的其他實施例中，具有有限導通比的脈波也會在其他狀況插入以降低湧浪電流。第七(A)圖顯示結合本發明另一實施例之一偵測電路701和一脈波產生電路702的方塊示意圖。在本實施例中，除了第四(A)圖所示的選擇電路外，還新增了該偵測電路701和該脈波產生電路702以在任何時候偵測湧浪電流。該偵測電路701由一比較器所組成，其用以比較該輸出級230的負載電流IL和一預設值C1。如果該負載電流IL大於該預設值C1時，即判斷為發生一過電流事件，故該偵測電路701產生一信號OC_W至該脈波產生電路702。在接收該信號OC_W後，該脈波產生電路702產生複數個具有有限導通比的脈波至該輸出級230以抑制過電流。在本實施例中，該脈波產生電路係產生八個具有25%導通比的脈波至該 輸出級230，但本發明不應以此為限。在八個具有25%導通比的脈波輸出後，如果該過電流仍然存在，該計數電路7022會產生一信號S1_OCW至該輸出級230以關閉該輸出級230，藉以避免該音頻放大器200產生損害。

第七(B)圖顯示藉由該偵測電路701和該脈波產生電路702抑制過電流的一波形示意圖。如第七(B)圖所示，當該偵測電路701偵測到該輸出級230的負載電流IL大於預設值C1時，藉由輸出複數個具有有限導通比的脈波後，該負載電流IL可有效下降，而不會對放大器造成損害。

為了使本領域通常知識者可以透過上述實施範例的教導實施本發明，以下使用第八圖說明音頻放大器之調變選擇方法。第八圖顯示根據本發明一實施例之音頻放大器之調變選擇方法的流程圖。參照第八圖，該流程圖由步驟800開始。在步驟800中，首先產生一三元調變信號和一四元調變信號。接著，在步驟802中，產生複數個具有有限導通比的脈波。在步驟804中，選擇輸出該四元調變信號、該三元調變信號和該等具有有限導通比的脈波之其中一者至該音頻放大器的一輸出級。

在步驟804中，根據本發明一實施例，當該音頻放大器啟動時，選擇輸出該等具有有限導通比的脈波至該音頻放大器的該輸出級；根據本發明另一實施例，當該音頻放大器在由一三元調變模式進入一四元調變模式時，選擇輸出 該等具有有限導通比的脈波至該音頻放大器的該輸出級；根據本發明又一實施例，當該音頻放大器的一負載電流大於一預定值時，選擇輸出該等具有有限導通比的脈波至該音頻放大器的該輸出級。經由輸出該等具有有限導通比的脈波至該音頻放大器的該輸出級，可有效抑制湧浪電流。

本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為隨後之申請專利範圍所涵蓋。

200‧‧‧音頻放大器

201‧‧‧調變選擇電路

202‧‧‧偵測電路

210‧‧‧增益級

220‧‧‧積分器

230‧‧‧輸出級

261,262‧‧‧濾波器

R1,R2‧‧‧電阻

Claims (13)

1. 一種音頻放大器之調變選擇電路，包括：一信號產生電路，用以產生一三元調變信號和一四元調變信號；一脈波產生電路，用以產生複數個具有固定導通比的脈波；以及一選擇電路，用以選擇輸出該四元調變信號、該三元調變信號和該等具有固定導通比的脈波的其中一者至該音頻放大器的一輸出級。
2. 根據申請專利範圍第1項之調變選擇電路，其中當該音頻放大器啟動時，該選擇電路輸出該等具有固定導通比的脈波至該音頻放大器的該輸出級。
3. 根據申請專利範圍第1項之調變選擇電路，其中當該音頻放大器在由一三元調變模式進入一四元調變模式時，該選擇電路輸出該等具有固定導通比的脈波至該音頻放大器的該輸出級。
4. 根據申請專利範圍第1項之調變選擇電路，其中當該音頻放大器的一負載電流大於一預定值時，該選擇電路輸出該等具有固定導通比的脈波至該音頻放大器的該輸出級。
5. 根據申請專利範圍第1項之調變選擇電路，其中該選擇電路包括： 一第一選擇電路，用以根據一第一選擇信號選擇性地輸出該四元調變信號或複數個具有固定導通比的脈波；以及一第二選擇電路，用以根據一第二選擇信號選擇性地輸出該三元調變信號或該第一選擇電路的一輸出信號。
6. 根據申請專利範圍第5項之調變選擇電路，其中該脈波產生電路包括：一第一比較器，用以比較一三角波信號和一設定電壓，藉以產生具有多個固定導通比的脈波；一計數單元，耦接至該第一比較器，其中當該選擇電路開始輸出該等具有固定導通比的脈波至該輸出級時，該計數單元計數該選擇電路所輸出的脈波的數目；以及一控制電路，耦接至該計數單元，該控制電路用以產生該第一選擇信號至該第一選擇電路以在該選擇電路所輸出的脈波的數目超過一預定值時，使該選擇電路停止輸出該等脈波。
7. 根據申請專利範圍第6項之調變選擇電路，其中藉由該信號產生電路所輸出的該四元調變信號包含一正四元調變信號和一負四元調變信號，該正四元調變信號和該負四元調變信號彼此反相並傳送至該第一選擇電路。
8. 根據申請專利範圍第7項之調變選擇電路，其中該音頻放大器包括一積分器，該三元調變信號包含一正三元調變信 號和一負三元調變信號，該三元調變信號係由該信號產生電路中的一三元信號產生電路所產生，該三元信號產生電路包括：一一般三元調變信號產生電路，用以根據該正四元調變信號和該負四元調變信號產生一一般三元調變信號；以及一第二比較器，用以比較該積分器的一輸出信號和一共用電壓，當該積分器的該輸出信號大於該共用電壓時，該正三元調變信號等於該一般三元調變信號，而負三元調變信號等於零，而當該積分器的該輸出信號小於該共用電壓時，該負三元調變信號等於該一般三元調變信號，而正三元調變信號等於零。
9. 根據申請專利範圍第1項之調變選擇電路，其中該固定導通比等於25%。
10. 一種音頻放大器之調變選擇方法，包括：產生一三元調變信號和一四元調變信號；產生複數個具有固定導通比的脈波；以及選擇性地輸出該四元調變信號、該三元調變信號和該等具有固定導通比的脈波的其中一者至該音頻放大器的一輸出級。
11. 根據申請專利範圍第10項之調變選擇方法，其中當該音頻放大器啟動時，輸出該等具有固定導通比的脈波至該音頻放大器的該輸出級。
12. 根據申請專利範圍第10項之調變選擇方法，其中當該音頻放大器在由一三元調變模式進入一四元調變模式時，輸出該等具有固定導通比的脈波至該音頻放大器的該輸出級。
13. 根據申請專利範圍第10項之調變選擇方法，其中當該音頻放大器的一負載電流大於一預定值時，輸出該等具有固定導通比的脈波至該音頻放大器的該輸出級。