TWI757159B - 音訊處理電路 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露了一種音訊處理電路,其中當該音訊處理電路判斷所處理的訊號是小訊號時,該輸出級係使用穩壓電路所提供的穩壓後供應電壓來進行供電,且該輸出級係使用開迴路架構,以降低輸出音訊訊號的雜訊成分;以及當該音訊處理電路判斷所處理的訊號是大訊號時,該輸出級係直接使用供應電壓來進行供電,且該輸出級係使用閉迴路架構,以降低輸出音訊訊號的總諧波失真。透過本發明,音訊處理電路可以在具有很小晶片面積的情形下,同時維持好的性能指標。
Description
本發明係有關於音訊處理電路。
D類功率放大器(class-D power amplifier)是目前普遍使用在音訊處理電路中的技術,其具有很高的效率以產生輸出音訊訊號以驅動揚聲器播放出聲音,因此廣泛地被應用在個人電腦市場、消費性市場或是車用市場中的電子產品。D類功率放大器通常具有閉迴路(closed-loop)架構,以消除本身的非線性現象與供應電壓所帶來的雜訊,以改善總諧波失真加雜訊(total harmonic distortion and noise,THD+N)、互調變失真(intermodulation distortion,IMD)、電源抑制比(power supply rejection ratio,PSRR)、...等等性能指標。
針對所接收之輸入音訊訊號在格式上的差異,音訊處理電路一般可以分為數位輸入型式(digital input type)以及類比輸入型式(analog input type),而隨著半導體製程日益先進,數位輸入型式的音訊處理電路在晶片面積上會具有較佳的表現,此外,若是可以將音訊處理電路內的大部分電路都改用數位電路來實現的話,更是可以讓整體產品具有競爭力。然而,考慮到D類功率放大器具有閉迴路架構,因此,若是將音訊處理電路內的調變電路使用數位電路來實現,則會需要在回授路徑上設置一個類比數位轉換器,而身為類比電路的類比數位
轉換器無法享受先進製程所帶來的好處,亦即晶片面積無法有效地縮減。此外,為了維持D類功率放大器的性能,會需要設計較大面積的類比數位轉換器以使得回授訊號具有較佳的表現,但如此一來會使得音訊處理電路的晶片面積無法進一步下降。
因此,本發明的目的之一在於提出一種音訊處理電路,其可以在具有較小晶片面積下仍然具有好的效能,以解決先前技術中所述的問題。
在本發明的一個實施例中,揭露了一種音訊處理電路,其包含有一數位訊號處理電路、一數位調變電路、一輸出級、一穩壓電路及一訊號偵測電路。在該音訊處理電路的操作中,該數位訊號處理電路用以對一數位音訊訊號進行處理以產生一處理後訊號,該數位調變電路用以根據該處理後訊號以產生一調變後訊號,該輸出級用以根據該調變後訊號以產生一輸出音訊訊號,該穩壓電路用以接收一供應電壓後產生一穩壓後供應電壓,以及訊號偵測電路用以偵測該數位音訊訊號及/或該處理後訊號的訊號強度,以產生一第一控制訊號,以供控制該輸出級使用該供應電壓或是該穩壓後供應電壓來產生該輸出音訊訊號。
在本發明的一個實施例中,揭露了一種音訊處理電路,其包含有一數位訊號處理電路、一數位調變電路、一輸出級、一類比數位轉換器及一訊號偵測電路。在該音訊處理電路的操作中,該數位訊號處理電路用以對一數位音訊訊號進行處理以產生一處理後訊號,該數位調變電路用以根據該處理後訊號以產生一調變後訊號,該輸出級用以根據該調變後訊號以產生一輸出音訊訊
號,該類比數位轉換器用以對該輸出音訊訊號進行類比數位轉換操作以產生一數位訊號,以及該訊號偵測電路用以偵測該數位音訊訊號及/或該處理後訊號的訊號強度,以產生一控制訊號,以控制該數位調變電路是否參考一回授訊號來產生該調變後訊號,其中該回授訊號係根據該數位訊號所產生。
100:音訊處理電路
102:開關電路
104:開關電路
110:輸入介面
120:訊號偵測電路
130:數位訊號處理電路
140:數位濾波器
150:數位調變電路
160:D類放大器
170:類比數位轉換器
180:濾波器
190:穩壓電路
Din:數位音訊訊號
Din’:處理後訊號
Din”:濾波後訊號
Dmod:調變後訊號
Vc1,Vc2:控制訊號
Vfb:回授訊號
Vout:輸出音訊訊號
VDD:供應電壓
VDD’:穩壓後供應電壓
第1圖為根據本發明一實施例之音訊處理電路的示意圖。
第2圖為音訊處理電路操作在小訊號模式的示意圖。
第3圖為音訊處理電路操作在大訊號模式的示意圖。
第1圖為根據本發明一實施例之音訊處理電路100的示意圖。如第1圖所示,音訊處理電路100包含了一輸入介面110、一訊號偵測電路120、一數位訊號處理電路130、一數位濾波器140、一數位調變電路150、作為輸出級的一D類放大器160、一類比數位轉換器170、一濾波器180、一穩壓電路190以及兩個開關電路102、104。在本實施例中,音訊處理電路100係用來接收一數位音訊訊號Din後產生輸出音訊訊號至一揚聲器,以控制揚聲器播放出聲音。本實施例之音訊處理電路100可以設置於任何需要播放出聲音的電子裝置中。
在音訊處理電路100的操作中,首先,輸入介面110接收數位音訊訊號Din,其中輸入介面110可以是可以接收符合I2S規格、脈衝密度調變(Pulse Density Modulation,PDM)、或是其他任何數位音訊訊號之介面電路。接著,數位訊號處理電路130可以對數位音訊訊號Din進行數位訊號處理,例如音量的調
整、等化操作...等等,以產生一處理後訊號Din’,而數位濾波器140對處理後訊號Din’進行濾波操作以產生一濾波後訊號Din”。接著,數位調變電路150對濾波後訊號Din”進行調變操作以產生一調變後訊號Dmod,亦即將濾波後訊號Din”編碼為脈衝寬度調變(pulse-width modulation,PWM)訊號,以驅動D類放大器160以產生輸出音訊訊號Vout。
以上所述之輸入介面110、數位訊號處理電路130、數位濾波器140、數位調變電路150及D類放大器160的操作已為本領域具有通常知識者所熟知,故更細節的電路與操作內容在此不贅述。
在包含D類放大器160的音訊處理電路100中,總諧波失真加雜訊(THD+N)是衡量其性能的重要指標,然而,當音訊處理電路100需要產生大音量的輸出音訊訊號Vout,總諧波失真加雜訊性能指標主要是由總諧波失真來決定,而雜訊的影響則較小;另一方面,當音訊處理電路100需要產生小音量的輸出音訊訊號Vout,總諧波失真加雜訊性能指標主要是由雜訊來決定,而總諧波失真的影響則較小。因此,本實施例之音訊處理電路100另外設計了訊號偵測電路120、類比數位轉換器170、濾波器180、穩壓電路190及兩個開關102、104,以使得音訊處理電路100可以根據目前所處理之訊號的強度/音量來採用不同的操作模式。
具體來說,訊號偵測電路120可以偵測數位音訊訊號Din的訊號強度(例如,所表示的音量大小)及/或處理後訊號Din’的訊號強度,以產生控制訊號Vc1、Vc2。在一例子中,訊號偵測電路120可以僅對數位音訊訊號Din的訊號強度進行偵測;而在另一例子中,由於數位訊號處理電路130可能會對數位音訊訊號Din進行音量調整,因此,訊號偵測電路120可以僅對處理後訊號Din’的訊號強
度進行偵測、或是一併將數位音訊訊號Din及處理後訊號Din’的訊號強度做整體考量,以產生控制訊號Vc1、Vc2。
控制訊號Vc1是用來控制開關電路102,以使得D類放大器160可以直接由一供應電壓VDD進行供電、或是由穩壓電路190所提供的穩壓後供應電壓VDD’來進行供電。控制訊號Vc2是用來控制開關電路104,以使得D類放大器160具有開迴路或是閉迴路架構。
具體來說,先參考第2圖,當訊號偵測電路120判斷目前數位音訊訊號Din及/或處理後訊號Din’的訊號強度屬於小訊號時,例如對應到之D類放大器160的功率消耗小於100毫瓦(milli-Watt,mW)時,訊號偵測電路120可以產生控制訊號Vc1以使得開關電路102將供應電壓VDD連接到穩壓電路190,而穩壓電路190可以使用一低壓降穩壓器(Low Dropout Regulator,LDO)來實現,以對供應電壓VDD進行處理後產生穩壓後供應電壓VDD’,且D類放大器160只會接收到來自穩壓電路190的穩壓後供應電壓VDD’,而不會直接由供應電壓VDD進行供電。另一方面,訊號偵測電路120產生控制訊號Vc2以斷開濾波器180與數位調變電路150之間的路徑,亦即D類放大器160具有開迴路架構,而此時類比數位轉換器170及濾波器180不會產生回授訊號至數位調變電路150,以供調整濾波後訊號Din”。
在第2圖所示之操作在小訊號模式的音訊處理電路100中,由於穩壓電路190會將供應電壓VDD中的電源雜訊進行抑制及衰減,使用穩壓後供應電壓VDD’來進行供電的D類放大器160會因為較少電源雜訊而提升其性能;此外,由於D類放大器160具有開迴路架構,故此時類比數位轉換器170本身的雜訊便不會影響到輸出音訊訊號Vout,因此可以維持D類放大器160本身的性能。如上所述,
音訊處理電路100可以在小訊號(小音量)的情形下維持較低的雜訊水平,以提升總諧波失真加雜訊性能指標。
另一方面,參考第3圖,當訊號偵測電路120判斷目前數位音訊訊號Din及/或處理後訊號Din’的訊號強度屬於大訊號時,例如對應到之D類放大器160的功率消耗大於100毫瓦時,訊號偵測電路120可以產生控制訊號Vc1以使得開關電路102將供應電壓VDD直接連接到D類放大器160以進行供電,而此時穩壓電路190可以關閉。另一方面,訊號偵測電路120產生控制訊號Vc2以連接濾波器180與數位調變電路150之間的路徑,亦即D類放大器160具有閉迴路架構,此時類比數位轉換器170會對輸出音訊訊號Vout進行類比數位轉換操作以產生一數位訊號,而此數位訊號再透過濾波器180的處理後產生一回授訊號Vfb,用來調整濾波後訊號Din”。
在第3圖所示之操作在大訊號模式的音訊處理電路100中,由於D類放大器160具有閉迴路架構,故可以消除本身的非線性現象與供應電壓VDD所帶來的雜訊。此外,由於在大訊號(大音量)的情形下,D類放大器160的性能指標主要是由總諧波失真來決定,因此,類比數位轉換器170所產生的雜訊對於整體性來來說影響很小。
參考以上關於音訊處理電路100的操作,由於類比數位轉換器170只有在大訊號模式下才需要操作,且在大訊號模式下D類放大器160的性能指標是主要由總諧波失真來決定,故類比數位轉換器170可以使用晶面面積較小的設計,而不需要太考慮所產生的雜訊。另外,由於在大訊號模式下D類放大器160是直接由供應電壓VDD來進行供電,而穩壓電路190只會在小訊號模式下使用,
因此穩壓電路190也可以僅使用較小晶片面積的設計,而不需要設計可以支援較大電流量的電路架構。此外,訊號偵測電路120是使用數位電路來實現,因此也會具有很小的晶片面積。綜上所述,本實施例的音訊處理電路100可以在具有很小晶片面積的情形下,同時維持好的性能指標。
需注意的是,為了避免音訊處理電路100反覆地在大訊號模式與小訊號模式間切換,而造成輸出音訊訊號Vout有一些不連貫的情形發生,訊號偵測電路120可以具有一些防止抖動(debounce)機制。舉例來說,訊號偵測電路120可以偵測數位音訊訊號Din及/或處理後訊號Din’在一段時間之訊號強度的平均值,以供判斷目前應該是小訊號模式或是大訊號模式;或是訊號偵測電路120可以在偵測到數位音訊訊號Din及/或處理後訊號Din’的訊號強度高於一第一門檻值後才會由小訊號模式切換至是大訊號模式,並在偵測到數位音訊訊號Din及/或處理後訊號Din’的訊號強度一於一第二門檻值後才會由大訊號模式切換至是小訊號模式,其中第一門檻值高於第二門檻值。需注意的是,上述小訊號模式與大訊號模式的切換機制僅是作為範例說明,而非是本發明的限制。
簡要歸納本發明,在本發明之音訊處理電路中,當該音訊處理電路判斷所處理的訊號是小訊號時,輸出級係使用穩壓電路所提供的穩壓後供應電壓來進行供電,且輸出級係使用開迴路架構,以降低輸出音訊訊號的雜訊成分;以及當該音訊處理電路判斷所處理的訊號是大訊號時,輸出級係直接使用供應電壓來進行供電,且輸出級係使用閉迴路架構,以降低輸出音訊訊號的總諧波失真。透過本發明,音訊處理電路可以在具有很小晶片面積的情形下,同時維持好的性能指標。
以上所述僅為本發明之較佳實施例,凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾,皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:音訊處理電路
102:開關電路
104:開關電路
110:輸入介面
120:訊號偵測電路
130:數位訊號處理電路
140:數位濾波器
150:數位調變電路
160:D類放大器
170:類比數位轉換器
180:濾波器
190:穩壓電路
Din:數位音訊訊號
Din’:處理後訊號
Din”:濾波後訊號
Dmod:調變後訊號
Vc1,Vc2:控制訊號
Vfb:回授訊號
Vout:輸出音訊訊號
VDD:供應電壓
VDD’:穩壓後供應電壓
Claims (7)
- 一種音訊處理電路,包含有:一數位訊號處理電路,用以對一數位音訊訊號進行處理以產生一處理後訊號;一數位調變電路,用以根據該處理後訊號以產生一調變後訊號;一輸出級,用以根據該調變後訊號以產生一輸出音訊訊號;一穩壓電路,用以接收一供應電壓後產生一穩壓後供應電壓;以及一訊號偵測電路,用以偵測該數位音訊訊號及/或該處理後訊號的訊號強度,以產生一第一控制訊號,以供控制該輸出級使用該供應電壓或是該穩壓後供應電壓來產生該輸出音訊訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述之音訊處理電路,其中當該訊號偵測電路偵測該數位音訊訊號及/或該處理後訊號的訊號強度,並判斷該數位音訊訊號及/或該處理後訊號屬於小訊號時,該訊號偵測電路產生該第一控制訊號以控制該輸出級使用該穩壓後供應電壓;以及當該訊號偵測電路判斷該數位音訊訊號及/或該處理後訊號屬於大訊號時,該訊號偵測電路產生該第一控制訊號以控制該輸出級使用該供應電壓,而不使用該穩壓後供應電壓。
- 如申請專利範圍第2項所述之音訊處理電路,另包含有:一開關電路,用以選擇性地將該供應電壓連接至該輸出級或是該穩壓電路;其中當該訊號偵測電路判斷該數位音訊訊號及/或該處理後訊號屬於小訊號時,該訊號偵測電路產生該第一控制訊號以控制該開關電路將該供應電壓連接至該穩壓電路,而該輸出級不會接收到該供應電壓;以及當 該訊號偵測電路判斷該數位音訊訊號及/或該處理後訊號屬於大訊號時,該訊號偵測電路產生該第一控制訊號以控制該開關電路將該供應電壓連接至該輸出級,而該穩壓電路不會產生該穩壓後供應電壓至該輸出級。
- 如申請專利範圍第1項所述之音訊處理電路,另包含有:一類比數位轉換器,用以對該輸出音訊訊號進行類比數位轉換操作以產生一數位訊號;一濾波器,用以對該數位訊號進行濾波操作以產生一回授訊號;其中該偵測該數位音訊訊號及/或該處理後訊號的訊號強度以產生一第二控制訊號,以控制該數位調變電路是否參考該回授訊號來產生該調變後訊號。
- 如申請專利範圍第4項所述之音訊處理電路,其中當該訊號偵測電路偵測該數位音訊訊號及/或該處理後訊號的訊號強度,並判斷該數位音訊訊號及/或該處理後訊號屬於小訊號時,該訊號偵測電路產生該第二控制訊號以控制該數位調變電路不參考該回授訊號來產生該調變後訊號;以及當該訊號偵測電路判斷該數位音訊訊號及/或該處理後訊號屬於大訊號時,該訊號偵測電路產生該第二控制訊號以控制該數位調變電路參考該回授訊號來產生該調變後訊號。
- 如申請專利範圍第5項所述之音訊處理電路,另包含有:一開關電路,用以選擇性地將該濾波器耦接至該數位調變電路;其中當該訊號偵測電路判斷該數位音訊訊號及/或該處理後訊號屬於小訊號 時,該訊號偵測電路產生該第二控制訊號以控制該開關電路阻斷該濾波器耦接至該數位調變電路之間的路徑;以及當該訊號偵測電路判斷該數位音訊訊號及/或該處理後訊號屬於大訊號時,該訊號偵測電路產生該第二控制訊號以控制該開關電路將該濾波器耦接至該數位調變電路。
- 如申請專利範圍第1項所述之音訊處理電路,其中該輸出級為一D類放大器。
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