專利名稱：一種電源電壓自適應(yīng)連續(xù)可變的線性音頻放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬音頻放大器領(lǐng)域，具體涉及一種電源電壓自適應(yīng)連續(xù)可變的線性音 頻放大器，可應(yīng)用于手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理、MP3播放器、筆記本等便攜式電子設(shè)備。
背景技術(shù)：
隨著便攜式電子設(shè)備體積和重量不斷減小，應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備的音頻放大器 的設(shè)計(jì)趨勢(shì)主要朝著高集成度，高效率和高保真度的方向發(fā)展。為了提高傳統(tǒng)AB類音頻放 大器的效率，出現(xiàn)了很多新型結(jié)構(gòu)的放大器，比如開(kāi)關(guān)型D類放大器，但這種非線性功放存 在大的片外電感，電磁干擾(EMI)和低保真度等問(wèn)題。 市場(chǎng)及消費(fèi)者需要新型的便攜式高效率高品質(zhì)音頻放大器問(wèn)世。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為針對(duì)便攜式電子設(shè)備對(duì)高效率高品質(zhì)音頻放大器的要求， 提供了一種電源電壓自適應(yīng)連續(xù)可變的線性音頻放大器。 本實(shí)用新型由音頻信號(hào)幅度檢測(cè)器(1)、產(chǎn)生正電源的開(kāi)關(guān)型電源轉(zhuǎn)換器(2)、產(chǎn) 生負(fù)電源的電荷泵(3)、橋式放大器輸出級(jí)(4)、揚(yáng)聲器或阻性耳機(jī)(5)制成電源電壓自適 應(yīng)連續(xù)可變的線性音頻放大器。 本實(shí)用新型線性音頻放大器根據(jù)輸入信號(hào)幅度預(yù)測(cè)放大器輸出電壓大小，差分音 頻信號(hào)輸入VIN通過(guò)音頻信號(hào)幅度檢測(cè)器(1)檢測(cè)信號(hào)幅度，產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)可變的參考電 壓VREF作為正電源的參考電壓輸入；VREF在音頻信號(hào)較小時(shí)保持一個(gè)較低的固定值，當(dāng) 音頻信號(hào)較大時(shí)，VREF跟隨橋式放大器輸出級(jí)(4)兩路輸出的正半周信號(hào)，并留有一定的 裕量；開(kāi)關(guān)型電源轉(zhuǎn)換器(2)以外部提供的單電源VDD作為輸入，產(chǎn)生與參考電壓VREF幅 度、極性相同的正電源電壓SUP—VDD，電荷泵(3)以正電源SUP—VDD作為輸入產(chǎn)生與其幅度 相近、極性相反的負(fù)電源電壓SUP_VSS ;SUP_VDD和SUP_VSS分別作為正負(fù)電源軌給線性放 大器輸出級(jí)供電，線性放大器輸出級(jí)的正負(fù)信號(hào)輸入端連接差分音頻信號(hào)輸入，兩路輸出 0UT1和0UT2連接阻性揚(yáng)聲器或阻性耳機(jī)(5)。 本實(shí)用新型的開(kāi)關(guān)型電源轉(zhuǎn)換器(2)和電荷泵(3)根據(jù)輸入音頻信號(hào)大小提供正 負(fù)連續(xù)可變的電源電壓給橋式放大器輸出級(jí)(4)供電，能提高放大小信號(hào)效率的同時(shí)保證 大信號(hào)放大不失真。 本實(shí)用新型中，所述的音頻信號(hào)幅度檢測(cè)器(1)根據(jù)檢測(cè)到的輸入音頻信號(hào)大 小，產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)可變的電壓VREF，當(dāng)音頻信號(hào)幅度檢測(cè)器(1)檢測(cè)到輸入信號(hào)低于某個(gè) 閾值VTH時(shí)，檢測(cè)器輸出一個(gè)較低固定值的參考電壓；當(dāng)輸入信號(hào)高于閾值VTH時(shí)，檢測(cè)器 將兩路差分輸入信號(hào)的正半周信號(hào)放大一定倍數(shù)并抬高一個(gè)固定電平Vheadroom以產(chǎn)生 跟隨線性放大器輸出正半周信號(hào)的電壓，并留有一定的裕量保證輸出信號(hào)不失真。 本實(shí)用新型中，所述的開(kāi)關(guān)型電源轉(zhuǎn)換器(2)以外部提供的單電源VDD作為輸入， 參考電壓輸入連接音頻信號(hào)幅度檢測(cè)器(1)輸出VREF ;開(kāi)關(guān)型電源轉(zhuǎn)換器(2)產(chǎn)生與輸入?yún)⒖茧妷悍?、極性相同的輸出電壓SUP_VDD， SUP_VDD跟隨兩個(gè)線性放大器輸出的正半周 信號(hào)，并留有一定裕量。 本實(shí)用新型中，所述的電荷泵(3)的電源輸入連接開(kāi)關(guān)型電源轉(zhuǎn)換器(2)產(chǎn)生的 正電源SUP—VDD，電荷泵(3)的輸出電壓SUP—VSS與輸入正電源幅度相近、極性相反，產(chǎn)生了 跟隨兩個(gè)放大器輸出信號(hào)的連續(xù)可變的正負(fù)電源電壓。 本實(shí)用新型中，采用開(kāi)關(guān)型電源轉(zhuǎn)換器(2)產(chǎn)生正的自適應(yīng)連續(xù)可變電源電壓， 電荷泵(3)產(chǎn)生負(fù)的連續(xù)可變電源電壓；在放大小信號(hào)時(shí)，用低的電源電壓給橋式放大器 輸出級(jí)(4)供電，在放大大信號(hào)時(shí)，電源電壓跟隨正負(fù)半周輸出信號(hào)變化并留有一定裕量。 由于一般音頻信號(hào)的峰值是均方根值電壓的6倍左右，本實(shí)用新型的自適應(yīng)連續(xù)可變電源 電壓的放大器效率比傳統(tǒng)AB類放大器提高了一倍以上。 本實(shí)用新型的有益效果在于，本實(shí)用新型的帶連續(xù)可變自適應(yīng)電源的線性音頻放 大器結(jié)合了傳統(tǒng)放大器和開(kāi)關(guān)型放大器的優(yōu)點(diǎn)，還具有如下優(yōu)點(diǎn) 能提高效率，延長(zhǎng)使用時(shí)間，減小片外元件的尺寸，節(jié)省成本，同時(shí)維持高的保真
度，減小電磁干擾問(wèn)題，能適應(yīng)現(xiàn)代便攜式電子設(shè)備中高品質(zhì)音頻放大器的要求。 為了便于理解，以下將通過(guò)具體的附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)行詳細(xì)地描
述。需要特別指出的是，具體實(shí)例和附圖僅是為了說(shuō)明，顯然本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根
據(jù)本文說(shuō)明，在本實(shí)用新型的范圍內(nèi)對(duì)本實(shí)用新型做出各種各樣的修正和改變，這些修正
和改變也納入本實(shí)用新型的范圍內(nèi)。

圖1是本實(shí)用新型中的電源電壓自適應(yīng)連續(xù)可變的線性音頻放大器的整體結(jié)構(gòu) 框圖， 其中，1是音頻信號(hào)幅度檢測(cè)器，2是開(kāi)關(guān)型電源轉(zhuǎn)換器，3是電荷泵，4是橋式放大 器輸出級(jí)，5是揚(yáng)聲器或阻性耳機(jī)。 圖2是圖1中音頻信號(hào)幅度檢測(cè)器的一種實(shí)現(xiàn)方法。 圖3是圖2中各點(diǎn)信號(hào)波形圖。 圖4是連續(xù)可變正電源的一種實(shí)現(xiàn)方法——降壓型脈沖寬度調(diào)制轉(zhuǎn)換器。 圖5是連續(xù)可變負(fù)電源的一種實(shí)現(xiàn)方法——電荷泵。 圖6是圖1中輸出音頻信號(hào)和正負(fù)電源電壓的波形。 圖7是AB類、G類和I類放大器效率曲線圖。
具體實(shí)施方式實(shí)施例1 如圖1所示，本實(shí)用新型的電源電壓自適應(yīng)連續(xù)可變的線性音頻放大器，其包括 音頻信號(hào)幅度檢測(cè)器(l)，產(chǎn)生正電源的開(kāi)關(guān)型電源轉(zhuǎn)換器(2)，產(chǎn)生負(fù)電源的電荷泵(3) 和橋式放大器輸出級(jí)(4)四部分。差分音頻信號(hào)輸入VIN通過(guò)音頻信號(hào)幅度檢測(cè)器(1)檢 測(cè)信號(hào)幅度，產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)可變的參考電壓VREF，開(kāi)關(guān)型電源轉(zhuǎn)換器(2)以外部電源VDD作 為輸入產(chǎn)生與參考電壓VREF幅度、極性相同的正電源電壓SUP_VDD，電荷泵(3)以正電源 SUP_VDD作為輸入產(chǎn)生與其幅度相近、極性相反的負(fù)電源電壓SUP_VSS。 SUP_VDD和SUP_VSS分別作為正負(fù)電源軌給橋式放大器輸出級(jí)(4)供電。橋式結(jié)構(gòu)中一個(gè)放大器的正負(fù)信號(hào)輸 入端連接差分音頻信號(hào)輸入VIN+、 VIN-，另一個(gè)放大器的正負(fù)輸入端連接VIN-、 VIN+，兩路 輸出0UT1和0UT2連接揚(yáng)聲器或阻性耳機(jī)(5)。 上述方案中，電荷泵(3)的電源輸入采用的開(kāi)關(guān)型電源轉(zhuǎn)換器(2)產(chǎn)生的正電源 信號(hào)，它與電荷泵(3)的輸出電壓幅度相近、極性相反。 電荷泵的效率7 = ，這里K = -1
K 由于V。ut = -V,理想情況下此時(shí)電荷泵效率為1。開(kāi)關(guān)型電源在理想情況下是沒(méi) 有損耗的，所以這種結(jié)構(gòu)保證了正負(fù)供電電源都能達(dá)到很高的效率。 如圖2所示，給出了圖1中音頻信號(hào)幅度檢測(cè)器的一種實(shí)現(xiàn)方法。輸入差分信號(hào)中 的VIN+和設(shè)定的閾值電壓VTH分別接比較器正負(fù)端，比較器輸出控制信號(hào)Sl ;差分信號(hào)中 的VIN-和設(shè)定的閾值電壓VTH分別接另一個(gè)比較器正負(fù)端，比較器輸出控制信號(hào)S2 ;S1， S2通過(guò)一個(gè)或非門產(chǎn)生控制信號(hào)S3。 VIN+、VIN-和VTH通過(guò)三個(gè)開(kāi)關(guān)連接在一起輸出VI， 這三個(gè)開(kāi)關(guān)分別由S1， S2和S3控制。V1通過(guò)電阻R1接放大器A1的正輸入端，裕量電壓 Vheadroom通過(guò)電阻R2接Al的正端。音頻輸入信號(hào)的共模電平Vcom， in通過(guò)電阻Rl接 Al的負(fù)端，放大器A1的輸出VREF通過(guò)電阻R2反饋到Al的負(fù)端。 如果放大器A1增益足夠大， M￡F = ^。&畫(huà)+ 4f H ，保持比例系數(shù)4^等于輸出級(jí)放大器放大倍數(shù)，VREF
就能跟隨兩路輸出的正半周信號(hào)，并留有VhMdr。。m的裕量。 如圖3所示，為圖2中各點(diǎn)信號(hào)波形圖。(3.a)為差分輸入信號(hào)和VI的波形圖。 (3.b)為參考電壓VREF和橋式放大器輸出信號(hào)波形圖。 如圖4所示，為本實(shí)用新型中提到的開(kāi)關(guān)型電源轉(zhuǎn)換器可以由降壓型轉(zhuǎn)化器實(shí) 現(xiàn)。音頻信號(hào)幅度檢測(cè)器產(chǎn)生的參考電壓VREF接到脈沖寬度調(diào)制控制器的一個(gè)輸入端。輸 出電壓Vo接到脈沖寬度調(diào)制控制器的另一個(gè)輸入端。脈沖寬度調(diào)制控制器產(chǎn)生一個(gè)占空 比和參考電壓VREF大小相關(guān)的方波信號(hào)P麗。死區(qū)控制模塊將方波信號(hào)P麗處理得到兩相 控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路后，控制功率開(kāi)關(guān)PM和NM的開(kāi)啟和關(guān)閉。輸入電壓連接在功率開(kāi) 關(guān)PM的源極，而功率開(kāi)關(guān)NM的源極接地。功率開(kāi)關(guān)PM和NM的漏極連接到功率電感的一 端。功率電感的另一端和輸出電壓濾波電容相連，構(gòu)成LC低通濾波器，將功率開(kāi)關(guān)的高頻 輸出電壓進(jìn)行濾波，最后得到跟隨線性放大器音頻信號(hào)輸出的低頻電壓，為放大器輸出級(jí) 和產(chǎn)生負(fù)電源的電荷泵提供連續(xù)變化的電源電壓。 如圖5所示，在本實(shí)用新型中所述的負(fù)端電源可以由電荷泵實(shí)現(xiàn)。電荷泵的輸入 電壓SUP_VDD連接開(kāi)關(guān)Sl的一端，Sl的另一端連接飛電容CF的上極板和開(kāi)關(guān)S2的一端， S2的另一端接地。飛電容CF的下極板分別連接開(kāi)關(guān)S3和S4的一端。S3的另一端接地。 S4的另一端連接負(fù)載電容CL。電荷泵的輸出是負(fù)載電容CL上的電壓SUP—VSS。在電荷泵 工作的一個(gè)時(shí)鐘周期中，前半個(gè)周期Sl和S3導(dǎo)通，S2和S4斷開(kāi)，輸入電壓SUP_VDD對(duì)飛電 容充電。后半個(gè)周期S2和S4導(dǎo)通，S1和S3斷開(kāi)，負(fù)載電容上的電壓SUP_VSS與輸入SUP_ VDD大小相同，極性相反。輸出電壓SUP_VSS連接線性放大器輸出級(jí)的負(fù)電源輸入。 如圖6所示，為圖1中輸出音頻信號(hào)0UT1和0UT2以及正負(fù)電源電壓SUP_VDD和SUP_VSS的波形。當(dāng)放大信號(hào)較小時(shí)，正負(fù)電源保持固定值，信號(hào)較大時(shí)，正負(fù)電源分別跟隨
正負(fù)半周輸出信號(hào)并保留一定裕量。 如圖7所示，為AB類、G類和I類三種線性音頻放大器的效率與輸出信號(hào)功率關(guān) 系的曲線圖。假定此時(shí)電源電壓VDD = 3. 3V，正負(fù)電源與輸出信號(hào)之間的裕量Vheadroom 都是O. 2V，放大器輸出峰值電壓Vm^ = (3. 3-0. 2) = 3. IV，負(fù)載為8 Q阻性揚(yáng)聲器。輸入 音頻信號(hào)峰值對(duì)均方根的比值(PAR)為15dB。
權(quán)利要求一種電源電壓自適應(yīng)連續(xù)可變的線性音頻放大器，其特征是由音頻信號(hào)幅度檢測(cè)器(1)，開(kāi)關(guān)型轉(zhuǎn)換器(2)，電荷泵(3)，橋式放大器輸出級(jí)(4)和揚(yáng)聲器或阻性耳機(jī)(5)制成；其中，差分音頻信號(hào)輸入VIN通過(guò)音頻信號(hào)幅度檢測(cè)器(1)檢測(cè)信號(hào)幅度，產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)可變的參考電壓VREF作為正電源的參考電壓輸入，開(kāi)關(guān)型電源轉(zhuǎn)換器(2)以外部電源VDD作為輸入產(chǎn)生與參考電壓VREF幅度、極性相同的正電源電壓SUP_VDD，電荷泵(3)以正電源SUP_VDD作為輸入產(chǎn)生與其幅度接近、極性相反的負(fù)電源電壓SUP_VSS，SUP_VDD和SUP_VSS分別作為正負(fù)電源軌給橋式放大器輸出級(jí)(4)供電，橋式結(jié)構(gòu)中一個(gè)放大器的正負(fù)信號(hào)輸入端連接差分音頻信號(hào)輸入VIN+、VIN-，另一個(gè)放大器的正負(fù)輸入端連接VIN-、VIN+，兩路輸出OUT1和OUT2連接阻性揚(yáng)聲器(5)或阻性耳機(jī)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源電壓自適應(yīng)連續(xù)可變的線性音頻放大器，其特征在于， 所述的音頻信號(hào)幅度檢測(cè)器(1)根據(jù)檢測(cè)到的輸入音頻信號(hào)大小，產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)可變的電 壓VREF ;當(dāng)檢測(cè)到輸入信號(hào)低于某個(gè)閾值VTH時(shí)，檢測(cè)器輸出一個(gè)較低固定值的參考電壓； 當(dāng)輸入信號(hào)高于閾值VTH時(shí)，檢測(cè)器將兩路差分輸入信號(hào)的正半周信號(hào)放大一定倍數(shù)并抬 高一個(gè)固定電平Vheadroom以產(chǎn)生跟隨線性放大器輸出正半周信號(hào)的電壓，并留有一定的 裕量保證輸出信號(hào)不失真。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源電壓自適應(yīng)連續(xù)可變的線性音頻放大器，其特征在于， 所述的開(kāi)關(guān)型轉(zhuǎn)換器(2)以外部提供的單電源VDD作為輸入，參考電壓輸入連接音頻信號(hào) 幅度檢測(cè)器(1)輸出VREF ;開(kāi)關(guān)型電源轉(zhuǎn)換器(2)產(chǎn)生與輸入?yún)⒖茧妷悍?、極性相同的 輸出電壓SUP_VDD， SUP_VDD跟隨兩個(gè)線性放大器的輸出的正半周信號(hào)，并留有一定裕量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源電壓自適應(yīng)連續(xù)可變的線性音頻放大器，其特征在于， 所述的電荷泵(3)的電源輸入連接開(kāi)關(guān)型轉(zhuǎn)換器(2)產(chǎn)生的正電源SUP—VDD，電荷泵(3)的 輸出電壓SUP_VSS與輸入正電源幅度相近、極性相反，產(chǎn)生跟隨兩個(gè)放大器輸出信號(hào)的連 續(xù)可變的正負(fù)電源電壓。
專利摘要本實(shí)用新型屬音頻放大器領(lǐng)域，具體涉及一種電源電壓自適應(yīng)連續(xù)可變的線性音頻放大器。本實(shí)用新型由音頻信號(hào)幅度檢測(cè)器、產(chǎn)生正電源的開(kāi)關(guān)型轉(zhuǎn)換器、產(chǎn)生負(fù)電源的電荷泵、橋式放大器輸出級(jí)和揚(yáng)聲器或阻性耳機(jī)制成；其中，開(kāi)關(guān)型電源轉(zhuǎn)換器和電荷泵根據(jù)輸入音頻信號(hào)大小提供正負(fù)連續(xù)可變的電源電壓給橋式放大器輸出級(jí)供電，提高放大小信號(hào)效率的同時(shí)保證大信號(hào)放大不失真。本實(shí)用新型的平均效率能比傳統(tǒng)AB類放大器提高一倍以上，并且由于輸出級(jí)是線性放大器，不需要復(fù)雜的片外低通濾波器，減小了片外元件尺寸，節(jié)省了成本并降低了電磁干擾，可應(yīng)用于手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理、MP3播放器、筆記本等便攜式電子設(shè)備。
文檔編號(hào)H03F1/32GK201550079SQ20092021261
公開(kāi)日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2009年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月4日
發(fā)明者馮勇, 楊?yuàn)檴? 洪志良 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)