專利名稱：采用閉環(huán)功率輸出級的音頻放大器電路及其控制方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及功率放大器，尤其涉及音頻放大器的輸出級。
背景技術(shù)：
音頻放大器，尤其是數(shù)字音頻放大器在電視、汽車音響、DVD播放器等數(shù)字化電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應用。通常采用脈寬調(diào)制(PWM)輸入式音頻功率級作為數(shù)字音頻放大器的輸出級。傳統(tǒng)的PWM輸入式音頻功率級均為開環(huán)結(jié)構(gòu)，如

圖1所示為基于半橋結(jié)構(gòu) (half-bridge)開環(huán)音頻功率級的單端音頻放大器100。該音頻放大器100包括功率輸出級101，用于接收PWM輸入信號，并產(chǎn)生方波信號；濾波級102用于接收該方波信號，并產(chǎn)生輸出信號以驅(qū)動負載103 (例如揚聲器)工作。在如圖1所示的例子中，功率輸出級101為半橋結(jié)構(gòu)，其包括以串聯(lián)方式耦接于供電電壓Vcc和地之間的開關(guān)管Ml和M2，以及驅(qū)動電路104，其中驅(qū)動電路104接收PWM輸入信號并產(chǎn)生驅(qū)動Ml和M2的柵極的驅(qū)動信號，Ml和 M2受所述驅(qū)動信號控制而周期性地導通或者關(guān)斷，并在其公共節(jié)點SW處輸出方波信號Asw。 該方波信號Asw經(jīng)濾波級102濾波而產(chǎn)生輸出信號0UT1，在這個例子中，濾波級102由低通濾波電感L1、低通濾波電容C1以及隔直輸出電容Cotti構(gòu)成。由于該功率輸出級101為開環(huán)結(jié)構(gòu)，其輸出的方波信號Asw的占空比與PWM輸入信號的占空比一致，并且當供電電壓Vcc 變化時，輸出信號OUTl將隨Vcc變化而變化。因此，采用開環(huán)音頻功率級的單端音頻放大器的增益不穩(wěn)定，并且電源電壓抑制性能很弱，即電源電壓抑制比(PSRR)比較低。電源電壓抑制比(PSRR)反應了放大器抑制輸出電壓隨電源電壓變化的能力，通常分別采用直流電源電壓抑制比(PSRRdc)和交流電源電壓抑制比(PSRRac)來分別衡量放大器對于供電電壓的直流量和交流量變化所引起的輸出電壓變化的抑制能力。一般PSRRdc和 PSRRa。分別可用如下兩式表示，其單位為分貝(dB)
PiSfMijc= 20 log
PSSRac = 20 log
其中Vs為放大器的供電電壓，Vot為放大器的輸出電壓。對于采用開環(huán)音頻功率級的單端音頻放大器而言，在音頻輸入信號為零的條件下，亦即PWM輸入信號的占空比為設定值，比如50%時，功率輸出級產(chǎn)生的方波信號的占空比亦為50%，因而此時單端音頻放大器對供電電壓的DC和AC變化抑制能力通常僅僅為_6dB。 另外，對于橋接負載式(BTL)音頻放大器，其通?；趦蓚€對稱的且以互補方式驅(qū)動的半橋結(jié)構(gòu)開環(huán)音頻功率級而構(gòu)成。在零音頻輸入信號的條件下，由于橋接負載式(BTL) 音頻放大器的輸出為差分形式的，所以對于由供電電壓變化而在兩個半橋結(jié)構(gòu)功率級的輸出電壓上引起的紋波可以相互抵消，因而其本身已經(jīng)具有較好的電源電壓抑制能力。然而， 這種采用開環(huán)結(jié)構(gòu)音頻功率級的橋接負載式(BTL)音頻放大器并不能保證在供電電源電壓
權(quán)利要求
1.一種音頻放大器電路，包括閉環(huán)功率輸出級，用于接收PWM輸入信號，并輸出方波信號； 濾波級，用于接收所述方波信號，對其濾波，以產(chǎn)生輸出信號；以及負載，其兩個輸入端分別耦接到所述輸出信號和地；其中，所述閉環(huán)功率輸出級包括反饋環(huán)路以根據(jù)該音頻放大器電路的供電電壓的變化調(diào)整所述方波信號的占空比。
2.如權(quán)利要求1所述的音頻放大器電路，其特征在于，除所述方波信號的占空比為 100%或者0%的情況外，所述方波信號的頻率跟隨所述PWM輸入信號的頻率。
3.如權(quán)利要求1所述的音頻放大器電路，其特征在于，所述閉環(huán)功率輸出級包括比較器，其一個輸入端耦接表征所述音頻放大器電路的供電電壓的偏置電壓，其另一個輸入端耦接所述PWM輸入信號，并且其兩個輸入端之間耦接電容器；驅(qū)動電路，耦接所述比較器的輸出端，并基于所述比較器輸出的比較信號產(chǎn)生驅(qū)動信號；開關(guān)電路，受所述驅(qū)動信號控制而周期性地導通或者關(guān)斷其中的一個或者多個開關(guān)器件，以產(chǎn)生所述方波信號；反饋電路，耦接于所述比較器的輸入端與所述開關(guān)電路的輸出端之間，用于將所述方波信號耦合到所述比較器的輸入端。
4.如權(quán)利要求3所述的音頻放大器電路，其特征在于，所述偏置電壓耦接于比較器的同相輸入端，所述PWM輸入信號耦接于比較器的反相輸入端，所述反饋電路將所述方波信號耦合到比較器的反相輸入端。
5.如權(quán)利要求3所述的音頻放大器電路，其特征在于，所述PWM輸入信號對所述電容器的充/放電速率大于所述方波信號對所述電容器的充/放電速率。
6.如權(quán)利要求4所述的音頻放大器電路，其特征在于，所述PWM輸入信號對所述電容器的充/放電速率大于所述方波信號對所述電容器的充/放電速率。
7.如權(quán)利要求3至6其中之一所述的音頻放大器電路，其特征在于，所述PWM輸入信號通過串聯(lián)的輸入電容和輸入電阻耦接到比較器的輸入端。
8.如權(quán)利要求3至6其中之一所述的音頻放大器電路，其特征在于，所述反饋電路包括耦接于所述比較器的輸入端與所述開關(guān)電路的輸出端之間的反饋電阻。
9.如權(quán)利要求4或6所述的音頻放大器電路，其特征在于，所述PWM輸入信號至少通過一輸入電阻耦合到所述比較器的反相輸入端，并且所述反饋電路至少包括一反饋電阻。
10.如權(quán)利要求9所述的音頻放大器電路，其特征在于，通過調(diào)節(jié)所述反饋電阻和所述輸入電阻的比值能夠調(diào)節(jié)所述音頻放大器電路的增益。
11.一種音頻放大器電路，包括閉環(huán)功率輸出級，用于接收第一和第二 PWM輸入信號，并輸出第一和第二方波信號； 濾波級，用于接收所述第一和第二方波信號，對其濾波，以產(chǎn)生第一和第二輸出信號；以及負載，其兩個輸入端分別耦接到所述第一和第二輸出信號；其中，所述閉環(huán)功率輸出級包括反饋環(huán)路以根據(jù)該音頻放大器電路的供電電壓的變化調(diào)整所述第一和第二方波信號的占空比。
12.如權(quán)利要求11所述的音頻放大器電路，其特征在于，除所述第一和第二方波信號的占空比為100%或者0%的情況外，所述第一和第二方波信號的頻率分別跟隨所述第一和第二 PWM輸入信號的頻率。
13.如權(quán)利要求11所述的音頻放大器電路，其特征在于，所述閉環(huán)功率輸出級包括正輸出級和負輸出級，所述正輸出級包括第一比較器、第一驅(qū)動電路、第一開關(guān)電路以及第一反饋電路，所述負輸出級包括第二比較器、第二驅(qū)動電路、第二開關(guān)電路以及第二反饋電路，其中所述第一比較器，其一個輸入端耦接所述第一 PWM輸入信號，其另一個輸入端耦接表征所述音頻放大器電路的供電電壓的偏置電壓，并且其兩個輸入端之間耦接第一電容；所述第二比較器，其一個輸入端耦接所述第二 PWM輸入信號，其另一個輸入端耦接表征所述音頻放大器電路的供電電壓的偏置電壓，并且其兩個輸入端之間耦接第二電容；所述第一和第二驅(qū)動電路分別耦接所述第一和第二比較器的輸出端，并且基于所述第一和第二比較器輸出的比較信號產(chǎn)生驅(qū)動信號；所述第一和第二開關(guān)電路，受所述驅(qū)動信號控制周期性地導通或者關(guān)斷其中的一個或者多個開關(guān)器件，以分別產(chǎn)生所述第一和第二方波信號；所述第一反饋電路，耦接于所述第一比較器和所述第一開關(guān)電路之間，將所述第一方波信號耦合至所述第一比較器的輸入端；所述第二反饋電路，耦接于所述第二比較器和所述第二開關(guān)電路之間，將所述第二方波信號耦合至所述第二比較器的輸入端。
14.如權(quán)利要求13所述的音頻放大器電路，其特征在于，所述第一和第二PWM輸入信號分別耦接所述第一和第二比較器的反相輸入端，所述偏置電壓耦接所述第一和第二比較器的同相輸入端，所述第一和第二反饋電路分別將所述第一和第二方波信號耦合到所述第一和第二比較器的反相輸入端。
15.如權(quán)利要求13所述的音頻放大器電路，其特征在于，所述第一PWM輸入信號對所述第一電容的充/放電速率大于所述第一方波信號對所述第一電容的充/放電速率，并且所述第二 PWM輸入信號對所述第二電容的充/放電速率大于所述第二方波信號對所述第二電容的充/放電速率。
16.如權(quán)利要求14所述的音頻放大器電路，其特征在于，所述第一PWM輸入信號對所述第一電容的充/放電速率大于所述第一方波信號對所述第一電容的充/放電速率，并且所述第二 PWM輸入信號對所述第二電容的充/放電速率大于所述第二方波信號對所述第二電容的充/放電速率。
17.如權(quán)利要求13至16其中之一所述的音頻放大器電路，其特征在于，所述第一PWM 輸入信號通過串聯(lián)的第一輸入電容和第一輸入電阻耦接到所述第一比較器的輸入端；并且所述第二 PWM輸入信號通過串聯(lián)的第二輸入電容和第二輸入電阻耦接到所述第二比較器的輸入端。
18.如權(quán)利要求17所述的音頻放大器電路，其特征在于，所述第一和第二輸入電容值相等，并且所述第一和第二輸入電阻值相等。
19.如權(quán)利要求13至16其中之一所述的音頻放大器電路，其特征在于，所述第一反饋電路包括耦接于第一比較器的輸入端和第一開關(guān)電路的輸出端之間的第一反饋電阻，所述第二反饋電路包括耦接于第二比較器的輸入端和第二開關(guān)電路的輸出端之間的第二反饋電阻。
20.如權(quán)利要求19所述的音頻放大器電路，其特征在于，所述第一和第二反饋電阻值相等。
21.如權(quán)利要求14或16所述的音頻放大器電路，其特征在于，所述第一PWM輸入信號至少通過第一輸入電阻耦合到所述第一比較器的反相輸入端，所述第二 PWM輸入信號至少通過第二輸入電阻耦合到所述第二比較器的反相輸入端；并且所述第一反饋電路至少包括第一反饋電阻，所述第二反饋電路至少包括第二反饋電阻。
22.如權(quán)利要求21所述的音頻放大器電路，其特征在于所述第一和第二輸入電阻值相等，并且所述第一和第二反饋電阻值相等，并且通過調(diào)節(jié)所述第一反饋電阻與第一輸入電阻的比值或者第二反饋電阻與第二輸入電阻的比值能夠調(diào)節(jié)所述音頻放大器電路的增益。
23.一種用于音頻放大器的功率輸出級電路，其接收PWM輸入信號，并輸出方波信號， 其特征在于，包括反饋環(huán)路用于根據(jù)該音頻放大器的供電電壓的變化調(diào)整所述方波信號的占空比。
24.如權(quán)利要求23所述的功率輸出級電路，其特征在于，所述方波信號，除其占空比為 100%或者0%的情況外，其頻率跟隨所述PWM輸入信號的頻率。
25.如權(quán)利要求M所述的功率輸出級電路，其特征在于，該功率輸出級電路包括比較器，其一個輸入端耦接表征所述音頻放大電路的供電電壓的偏置電壓，其另一個輸入端耦接所述PWM輸入信號，并且兩個輸入端之間耦接電容器；驅(qū)動電路，耦接所述比較器的輸出端，并基于所述比較器輸出的比較信號產(chǎn)生驅(qū)動信號；開關(guān)電路，受所述驅(qū)動信號控制而周期性地導通或者關(guān)斷其中的一個或者多個開關(guān)器件，以產(chǎn)生方波信號；反饋電路，耦接于所述比較器的輸入端與所述開關(guān)電路的輸出端之間，用于將所述方波信號耦合到所述比較器的輸入端。
26.如權(quán)利要求25所述的功率輸出級電路，其特征在于，所述偏置電壓耦接于比較器的同相輸入端，所述PWM輸入信號耦接于比較器的反相輸入端，所述反饋電路將所述方波信號耦合到比較器的反相輸入端。
27.如權(quán)利要求25所述的功率輸出級電路，其特征在于，所述PWM輸入信號對所述電容器的充/放電速率大于所述方波信號對所述電容器的充/放電速率。
28.如權(quán)利要求沈所述的功率輸出級電路，其特征在于，所述PWM輸入信號對所述電容器的充/放電速率大于所述方波信號對所述電容器的充/放電速率。
29.如權(quán)利要求25至觀其中之一所述的功率輸出級電路，其特征在于，所述PWM輸入信號通過至少一輸入電阻耦合到所述比較器的輸入端。
30.如權(quán)利要求25至觀其中之一所述的功率輸出級電路，其特征在于，所述反饋電路包括至少一反饋電阻。
31.一種用于音頻放大器的功率輸出級電路，包括正輸出級和負輸出級，其特征在于， 所述正輸出級為如權(quán)利要求23至30其中之一所述的功率輸出級電路，所述負輸出級為與所述正輸出級對稱的且如權(quán)利要求23至30其中之一所述的功率輸出級電路。
32.—種控制音頻放大器的方法，包括 接收PWM輸入信號，輸出方波信號；反饋方波信號至PWM輸入信號接收端，基于音頻放大器的供電電壓的變化調(diào)整所述方波信號的占空比。
33.如權(quán)利要求32所述的控制音頻放大器的方法，其特征在于，利用如權(quán)利要求23至 30其中之一所述的功率輸出級電路作為所述音頻放大器的輸出級；接收PWM輸入信號至所述音頻放大器的輸出級，并得到方波信號； 將所述方波信號反饋給比較器的輸入端，使其與PWM輸入信號對比較器輸入端之間的電容器充電或放電，基于比較器一個輸入端上耦接的表征供電電壓的偏置電壓和上述充電或放電后電容器的電壓比較結(jié)果，調(diào)整所述方法信號的占空比； 對所述方波信號進行濾波，得到輸出信號；將所述輸出信號施加到負載的一個輸入端，將負載的另一個輸入端耦接到地。
34.如權(quán)利要求32所述的控制音頻放大器的方法，其特征在于利用如權(quán)利要求23至30其中之一所述的功率輸出級電路作為所述音頻放大器的正輸出級；提供與所述正輸出級對稱的且如權(quán)利要求23至30其中之一所述的功率輸出級電路作為所述音頻放大器的負輸出級；分別提供第一和第二 PWM輸入信號至所述正輸出級和負輸出級，并分別得到第一和第二方波信號；將所述第一和第二方波信號分別反饋給第一和第二比較器的輸入端，使其與第一和第二 PWM輸入信號分別對第一和第二比較器輸入端之間的第一和第二電容器充電或放電，基于各個比較器一個輸入端上耦接的表征供電電壓的偏置電壓和上述充電或放電后電容器的電壓比較結(jié)果，調(diào)整所述各個方法信號的占空比；對所述第一和第二方波信號進行濾波，分別得到第一和第二輸出信號； 將所述第一和第二輸出信號分別施加到負載的兩個輸入端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用閉環(huán)功率輸出級的音頻放大器電路及其控制方法，其接收PWM輸入信號，輸出方波信號，并且提供反饋環(huán)路用于根據(jù)該音頻放大器電路的供電電壓的變化調(diào)整所述方波信號的占空比，使得所述音頻放大器電路的輸出電壓即使在供電電壓變化時仍能保持穩(wěn)定，具有良好的電源電壓抑制性能。
文檔編號H03G3/20GK102281037SQ20101019897
公開日2011年12月14日 申請日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月11日
發(fā)明者丁華飛, 趙慧杰, 郎蕓萍 申請人:成都芯源系統(tǒng)有限公司